Формирование разнообразных наночастиц в клеточных мембранах под воздействием шахтной воды. Фото: HZDR/J. Рафф/Э. Кравчик-Берш/отредактировано с помощью ИИ
Уран — тяжёлый радиоактивный элемент, естественным образом присутствующий в земной коре. Однако горнодобывающая деятельность и техногенные экологические процессы способны переводить его в растворимые соединения. Оказавшись в такой мобильной форме, уран начинает мигрировать в окружающей среде, представляя серьёзную опасность вследствие своей токсичности.
Исследователям из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), работавшим в содружестве с компанией Wismut GmbH и специалистами Университета Гранады, впервые удалось продемонстрировать: бактерии, использующие глицерин в качестве питательного субстрата, способны трансформировать растворённый уран в стабильное химическое соединение. В процессе этой трансформации металл переходит в валентное состояние, которое ранее считалось кратковременным.
Полученные данные, размещённые на страницах журнала Nature Communications, создают предпосылки для разработки эффективных стратегий очистки территорий, загрязнённых ураном.
Бактерии против урана: механизм взаимодействия
Микроорганизмы, населяющие почвы и водоёмы, являются неотъемлемым звеном природных экосистем; некоторые из них способны обезвреживать вещества, опасные для человека. Как поясняет доктор Эвелин Кравчик-Берш, представляющая группу наземной микробиологии HZDR и выступающая соавтором исследования, бактерии могут метаболизировать растворённый в воде уран, получая энергию из глицерина. Сам глицерин, входящий в состав растительных и животных тканей, выделяется, в частности, при разложении древесины грибами.
Для количественной оценки эффективности бактериального восстановления урана и идентификации образующихся соединений учёные провели эксперимент с шахтной водой, отобранной из затопленной урановой шахты в Рудных горах (объект эксплуатируется Wismut GmbH). В лаборатории в образцы внесли точно отмеренное количество глицерина и поместили их в анаэробные условия. Как отмечает доктор Антонио М. Ньюман-Портела, бывший исследователь HZDR и микробиолог из Университета Гранады (Испания), ведущий автор публикации, подобный режим воспроизводит естественную среду шахты, где на глубине около 2000 метров кислород практически отсутствует.
Когда бактерии начали утилизировать глицерин, содержание растворённого урана стало стремительно падать. Спустя 130 дней в воде осталось лишь около 5% первоначального количества металла. Изначально исследователи подозревали, что уран аккумулируется в клеточных стенках; дальнейшие анализы подтвердили это, показав, что металл встраивается в клеточные стенки, вызывая гибель бактерий.
Следующим этапом стало выяснение того, какое именно соединение образуется в результате. Задействовав методы высокоразрешающей микроскопии и спектроскопии, исследователи провели измерения на Россендорфской лучевой линии (ROBL), управляемой HZDR в составе Европейского центра синхротронных исследований (ESRF) в Гренобле (Франция), а также выполнили дополнительные анализы в Университете Гранады.
Изучая бактериальные мембраны, специалисты определили валентное состояние урана — параметр, описывающий способность атома образовывать химические связи. Для урана типичны валентности 4 и 6. Пятивалентный уран встречается крайне редко и существует недолго; ранее его наблюдали лишь в качестве переходного промежуточного состояния окисления.
ортела. «Итак, результаты наших исследований были чрезвычайно неожиданными, потому что в биомассе, проанализированной в результате наших экспериментальных запусков, необычно высокая идентифицированная урана также оказалась пятивалентным ураном».
Открытие было неожиданным, поскольку это пятивалентное состояние урана обычно считалось нестабильным и недолговечным.
Соединение урана, которое остается стабильным
Исследователи также установили, что пятивалентный уран в соединении с железом и кислородом образует FeU(V)O4.
«У этого соединения урана пока нет названия, поскольку оно новое сравнительно. Впервые это было продемонстрировано в 2020 году, в ходе которого были проанализированы остатки земли из частей Хорватии, загрязненных урановыми боеприпасами», — сказал он. радость Кравчик-Берш. «Было установлено, что даже под воздействием отравления это соединение урана сохраняет стабильность воздуха более 25 лет. Но до сих пор мы не знали, как это связано с природой и какую роль в его образовании играют бактерии».
Дополнительные эксперименты дали еще один неожиданный результат. Когда исследователи подвергли высушенную бактериальную биомассу на открытом воздухе, количество FeU(V)O4 увеличилось, а не уменьшилось.
Это открытие предполагает, что соединение может оставаться стабильным даже в развитии здоровья, что доказывает, что бактериальная активность может помочь преобразовать мобильный организм в форму, которая с гораздо меньшими ограничениями перемещается через воду.
Потенциал для очистки урана
«Наше исследование впервые показало, что бактерии, снабженные глицерином в качестве источника тока, могут превращать реакционный уран, растворенный в воде, в стабильное химическое соединение», — сказал он. — говорит Кравчик-Берш. «Нам еще предстоит выяснить, в какой степени бактерии могут помочь обезвредить уран для целей стабилизации».
Теперь исследователи планируют более подробно изучить уран-связывающие бактерии и изучить биохимические и геохимические процессы, которые, возможно, осуществляют эту трансформацию. Лучшее понимание этих принципов может в конечном итоге помочь определить, можно ли эффективно использовать бактерии в усилиях по восстановлению окружающей среды, загрязненного урана.