Учёные впервые показали, что некоторые бактерии способны превращать растворённый в воде уран в химически стабильное соединение, используя глицерин в качестве источника питания. В ходе эксперимента при благоприятных условиях микроорганизмы снизили концентрацию растворённого урана до 5% от первоначального уровня всего за 130 дней.
Авторы исследования считают, что полученные результаты могут стать основой для разработки новых, более экологичных методов очистки водоёмов и подземных вод, загрязнённых этим тяжёлым металлом.
Загрязнение окружающей среды ураном остаётся серьёзной проблемой во многих странах мира, особенно в районах, где велась или продолжается добыча урановой руды. Помимо горнодобывающей промышленности, распространению урана способствуют и другие источники антропогенного происхождения, включая использование фосфатных удобрений.
Во многих регионах концентрация урана в поверхностных и подземных источниках питьевой воды превышает рекомендуемый санитарный уровень 0,03 миллиграмма на литр. Подобные случаи зарегистрированы во Франции, США, Индии, Канаде, Германии, Южной Африке, Австралии, Португалии и Бразилии.
Одним из наиболее известных примеров является бывший урановый рудник Шлема-Альберода в немецкой земле Саксония. До 1990 года он считался одним из крупнейших урановых месторождений в мире, а после закрытия шахты были затоплены водой, которая до сих пор требует постоянной очистки из-за сохраняющегося загрязнения.
На протяжении последних десятилетий учёные исследуют различные способы удаления урана из окружающей среды. Одним из наиболее перспективных направлений считается биологическая очистка с использованием специализированных бактерий, которые естественным образом обитают в почве.
«Существуют бактерии, способные использовать уран в своём метаболизме, несмотря на то что это токсичный тяжёлый металл», — объяснила исследователь Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) Эвелин Кравчик-Бэрш. Однако до настоящего времени оставалось неясно, насколько эффективно такие микроорганизмы способны снижать концентрацию урана в загрязнённой воде и насколько устойчивыми оказываются образующиеся соединения.
В предыдущих работах исследователи уже выяснили, что некоторые анаэробные бактерии, в частности представители родов Geobacter и Shewanella, способны преобразовывать уран в присутствии глицерина. Глицерин является важным компонентом растительных и животных жиров и в природных условиях образуется, например, при разложении древесины грибами.
Чтобы проверить эту способность в условиях, максимально приближённых к естественным, учёные взяли пробы воды из затопленного уранового рудника в Рудных горах, принадлежащего компании Wismut GmbH. Затем в образцы добавили строго определённое количество глицерина и создали анаэробную среду, практически лишённую кислорода.
«Мы хотели максимально точно воспроизвести природные условия для бактериального сообщества, уже присутствующего в шахтной воде, поскольку на глубине около 2000 метров кислорода практически нет», — рассказал ведущий автор исследования Антонио М. Ньюман-Портела, ранее работавший в HZDR и Университете Гранады.
Эксперимент показал, что при оптимальных условиях спустя 130 дней в воде оставалось лишь около 5% первоначального количества растворённого урана. По мнению исследователей, столь значительное снижение связано с тем, что бактерии переводят растворённый уран в другую химическую форму, которая затем накапливается на поверхности их клеточных стенок.
Чтобы определить состав образовавшегося вещества, учёные использовали современные методы микроскопии и спектроскопии. Анализ показал, что большая часть урана находилась в необычной пятивалентной форме.
«Обычно уран встречается в четырёх- или шестивалентном состоянии. Пятивалентный уран существует, но считается крайне редким и обычно нестабильным. Поэтому результаты нашего исследования оказались весьма неожиданными, поскольку в исследованной биомассе была обнаружена необычно высокая доля именно пятивалентного урана», — отметил Ньюман-Портела.
Исследователи установили, что этот уран образовал устойчивое соединение с железом и кислородом — FeU(V)O₄. Ранее такое соединение впервые обнаружили в образцах почвы на территории Хорватии, загрязнённой боеприпасами с обеднённым ураном.
Предыдущие исследования показали, что FeU(V)O₄ способен сохранять стабильность в природных условиях более 25 лет. Однако до настоящего времени роль бактерий в образовании этого соединения оставалась неизвестной.
Авторы новой работы также обнаружили, что содержание FeU(V)O₄ увеличивается после воздействия кислорода на высушенную бактериальную биомассу. Следующим этапом исследований станет выяснение того, насколько эффективно такие микроорганизмы смогут использоваться для практической очистки загрязнённых ураном природных объектов.
Хотя результаты выглядят многообещающими, речь пока идёт о лабораторном исследовании. Для применения этой технологии в реальных условиях потребуется провести дополнительные эксперименты и подтвердить её эффективность и безопасность в различных природных средах.
Исследование в журнале Nature Communications.