Неустойчивый пятивалентный уран оказался стабильным: бактерии очистили воду от токсичного металла на 96%

Исследование доказало, что добавление глицерина стимулирует бактерии связывать уран в безопасные наночастицы, очищая затопленные шахты без дорогостоящей откачки

Учёные из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Университета Гранады и компании Wismut GmbH впервые продемонстрировали, что бактерии способны превращать растворённый в воде токсичный уран в стабильное химическое соединение.

Для этого микроорганизмам нужен глицерин в качестве источника пищи. В процессе уран переходит в пятивалентное состояние, которое в химии ранее считалось исключительно неустойчивым промежуточным звеном.

Эксперименты проводились на воде из затопленной урановой шахты Шлема-Альберода в Рудных горах Германии. В лабораторных условиях, лишённых кислорода, к образцам добавляли глицерин — побочный продукт разложения растительных и животных жиров.

Спустя 130 дней концентрация растворённого урана упала на 96%: с 1 мг/л до 0,04 мг/л. Бактерии не только поглощали металл, но и встраивали его в свои клеточные стенки.

Для выяснения химической формы связанного урана применили спектроскопию и микроскопию высокого разрешения на синхротроне ESRF во Франции. Анализ показал, что металл перешёл в пятивалентное состояние и образовал соединение, состоящее из урана, железа и кислорода. Ранее пятивалентный уран фиксировался лишь в неустойчивом состоянии, однако в новых условиях он сохранял стабильность более 130 дней в бескислородной среде и до 4 недель при контакте с атмосферным воздухом.

Открытие меняет классическое представление о геохимическом цикле урана. Раньше считалось, что восстановление шестивалентного урана происходит напрямую в четырёхвалентный, который затем образует минерал уранинит. Уранинит легко окисляется при попадании кислорода в систему. Обнаруженное соединение обладает высокой термодинамической стабильностью и выполняет роль буфера, предотвращающего повторное растворение и мобилизацию радиоактивного элемента даже при колебаниях окислительно-восстановительного потенциала.

Микробное сообщество, стимулированное глицерином, действует сложным образом. Ферментирующие бактерии разлагают глицерин, выделяя органические кислоты и водород. Сульфатредуцирующие бактерии используют эти метаболиты для прямого переноса электронов на уран или опосредованно через образование сероводорода и железа. Этот процесс позволяет иммобилизовать металл прямо на клеточной поверхности в виде наночастиц размером 2-3 нанометра.

Результаты исследования, опубликованные в Nature Communications, создают основу для разработки экономически рентабельных стратегий очистки промышленных стоков. Традиционные методы требуют постоянного удаления урана, в то время как использование глицерина для стимуляции аборигенных бактерий позволит фиксировать радионуклиды прямо в водоносных горизонтах, исключая риск их возврата в окружающую среду.