Bakterien überführen Uran in stabile chemische Verbindung
Reduzierung des Gefährdungspotentials für Mensch und Umwelt
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Das radioaktive Schwermetall Uran kommt im Boden meist mineralisch gebunden vor, kann jedoch durch Umwelteinflüsse oder bergbauliche Aktivitäten in lösliche Formen übergehen. Gelangt es in die Umwelt, ist das aufgrund seiner toxischen Eigenschaften problematisch. Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) konnten nun in Kooperation mit der Wismut GmbH sowie spanischen Wissenschaftler*innen von der Universität Granada erstmals zeigen, dass Bakterien in der Lage sind, in Wasser gelöstes Uran in eine stabile chemische Verbindung zu überführen, wenn ihnen als Nahrungsquelle Glycerin zur Verfügung steht. Dabei nimmt Uran einen chemischen Zustand an, der bislang nur als kurzzeitiger Übergangszustand bekannt war. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sie sind interessant für weitere Untersuchungen zur Nutzung von Bakterien für Umweltsanierungsmaßnahmen.
Bakterien in der Umwelt, etwa in Böden oder Gewässern, spielen für Ökosysteme eine wichtige Rolle. Unter ihnen gibt es auch Bakterien, die darauf spezialisiert sind, Schadstoffe abzubauen. „Das Schwermetall Uran, das für uns Menschen toxisch ist, können manche Bakterienarten für ihren Stoffwechsel nutzen“, sagt Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch, Wissenschaftlerin in der Arbeitsgruppe Terrestrische Mikrobiologie des HZDR und Co-Autorin der Studie. „Aus Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe war bereits bekannt, dass Bakterien in Wasser gelöstes Uran für ihren Stoffwechsel nutzen können, wenn ihnen als Nahrungsquelle Glycerin zur Verfügung steht.“ Glycerin ist ein Grundbestandteil von pflanzlichen und tierischen Fetten. In der Natur entsteht Glycerin zum Beispiel beim Abbau von Holz durch Pilze. Doch in welchem Maße können Bakterien die Menge des im Wasser gelösten Urans verringern? Und in welche chemischen Verbindungen wird freies Uran durch die bakteriellen Stoffwechselprozesse überführt? Diesen Fragen gingen die Forschenden in der vorliegenden Studie nach.
Uran in der Zellmembran
Für ihre Untersuchungen nutzten sie das Grubenwasser einer gefluteten Urangrube der Wismut GmbH im Erzgebirge. In Laborexperimenten, die unter Luftabschluss durchgeführt wurden, versetzte das Forschungsteam die Wasserproben mit einer definierten Menge an Glycerin. „Wir wollten der im Grubenwasser vorhandenen Bakteriengemeinschaft natürliche Bedingungen bieten, da in der rund 2.000 Meter tiefen Grube in der Regel kaum bis kein Sauerstoff vorhanden ist“, erklärt Dr. Antonio M. Newman-Portela, ehemaliger gemeinsamer Doktorand des HZDR und der Abteilung Mikrobiologie der Universität Granada (Spanien) sowie Erstautor der Studie. Die Bakterien nahmen unter für sie optimalen Bedingungen das Glycerin als Nahrungsquelle an. „Nach 130 Tagen waren in den Proben nur noch rund fünf Prozent des im Wasser gelösten Urans vorhanden“, sagt Newman-Portela. „Wir vermuteten, dass die Bakterien das Uran in ihre Zellmembran eingebaut haben könnten. Solche Einbauprozesse sind aus der Literatur bereits bekannt.“ Und tatsächlich konnten die Forschenden in der Zellmembran der Bakterien Uran nachweisen.
Ungewöhnlicher chemischer Zustand
Doch um welche chemischen Verbindungen handelt es sich hierbei? Um das genauer zu erforschen, nutzte das Team moderne mikroskopische und spektroskopische Methoden. Die Analysen wurden sowohl an der Rossendorf Beamline (ROBL), die das HZDR an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (Frankreich) betreibt, als auch an der Universität Granada durchgeführt.
Zunächst untersuchten die Wissenschaftler*innen, in welchen chemischen Zuständen das Uran in der Bakterienmembran vorliegt. In der chemischen Fachsprache wird der Begriff „Wertigkeit“ genutzt, um zu beschreiben, mit wie vielen „Händen“ sich ein Atom innerhalb einer chemischen Verbindung festhalten kann. „Uran kommt in der Regel 4-wertig oder 6-wertig vor. Es gibt auch 5-wertiges Uran, doch das ist selten oder nur kurzzeitig vorhanden. Es galt bislang als instabiler Übergangszustand“, erläutert Newman-Portela. „Die Ergebnisse unserer Studie waren daher äußerst überraschend, denn in der untersuchten Biomasse aus unseren Versuchsansätzen lag das Uran zu einem ungewöhnlich hohen Anteil auch als 5-wertiges Uran vor.“
Auch unter Einwirkung von Sauerstoff stabil
Weiterhin fanden die Forschenden heraus, dass das 5-wertige Uran mit Eisen und Sauerstoff die Verbindung FeU(V)O4 eingegangen ist. „Einen Namen hat diese Uranverbindung allerdings noch nicht, da sie vergleichsweise neu ist. Nachgewiesen wurde sie erstmals im Jahr 2020 in einer Studie, in der man Bodenproben von mit uranhaltiger Munition kontaminierten Böden in Kroatien untersucht hat“, erklärt Krawczyk-Bärsch. „Dabei fand man heraus, dass diese Uranverbindung selbst unter Einwirkung von atmosphärischem Sauerstoff seit mehr als 25 Jahren stabil ist. Wie diese Verbindung in der Natur entsteht, und dass Bakterien zu deren Entstehung beitragen, war bislang noch unbekannt.“ In weiteren Experimenten beobachtete das HZDR-Forschungsteam, dass die Menge an FeU(V)O4 sogar zunahm, wenn die getrocknete Biomasse Sauerstoff ausgesetzt war.
„Mit unserer Studie konnten wir erstmals zeigen, dass Bakterien, denen Glycerin als Nahrungsquelle zur Verfügung gestellt wird, in der Lage sind, in Wasser gelöstes toxisches Uran in eine stabile chemische Verbindung zu überführen“, sagt Krawczyk-Bärsch. „Inwieweit künftig vielleicht auch Bakterien helfen könnten, Uran unschädlich zu machen und im Rahmen von Sanierungsprojekten genutzt werden könnten, muss noch weiter erforscht werden.“ In zukünftigen Forschungsprojekten möchte das HZDR-Team mehr über die uranbindenden Bakterien und die dahinterstehenden biochemischen und geochemischen Prozesse herausfinden.
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