Уран — один из самых страшных ядов планеты. Оказывается, обезвредить его могут не технологии, а простые микробы
Бактерии преподнесли ученым неожиданный сюрприз, и он может быть очень полезен для... переработки ядерных отходов. Оказывается, микроорганизмы не просто поглощают растворенный в воде уран, а превращают его в редкое и устойчивое соединение, которое раньше почти не связывали с деятельностью живых организмов. Для запуска процесса бактериям понадобился всего один дополнительный источник питания - глицерин.
Исследователи изучали микроорганизмы, которые естественным образом обитают в затопленной урановой шахте в Рудных горах. Для экспериментов использовали шахтную воду, содержащую растворенный уран. Чтобы условия максимально соответствовали природным, опыты проводили без доступа кислорода. На глубине около 2 км подобная среда считается обычной.
В образцы воды добавили глицерин, который бактерии использовали как источник углерода и энергии. Глицерин широко встречается в природе: он входит в состав растительных и животных жиров, а также образуется при разложении древесины грибами.
После появления дополнительного питания бактериальное сообщество стало активно развиваться. Через 130 дней в воде осталось лишь около 5% первоначального количества растворенного урана. Такой результат показал, что микроорганизмы не просто взаимодействуют с тяжелым металлом, а практически удаляют его из раствора.
Сначала ученые предположили, что уран просто накапливается на поверхности бактериальных клеток. Подобный механизм уже описывали раньше для некоторых микроорганизмов. Анализ подтвердил присутствие урана в клеточных стенках бактерий, однако дальнейшие исследования показали, что процесс оказался гораздо сложнее обычного накопления.
Чтобы определить, во что именно превратился уран, исследователи использовали современные методы микроскопии и спектроскопии. Часть экспериментов выполнили на синхротронном источнике излучения ESRF во Франции, который позволяет изучать строение вещества на атомном уровне.
Анализ показал неожиданную особенность. Обычно уран встречается в химических соединениях со степенью окисления +4 или +6. Пятивалентный уран, соответствующий степени окисления +5, считается крайне редким. Если подобное состояние и возникает, то обычно существует очень недолго и быстро переходит в более устойчивую форму.
В бактериальной биомассе ситуация оказалась иной. Значительная часть обнаруженного урана находилась именно в пятивалентном состоянии. До сих пор подобную форму считали нестабильной, поэтому такой результат оказался неожиданным.
Еще более интересным оказался состав конечного соединения. Пятивалентный уран вступил в реакцию с железом и кислородом, образовав соединение FeU(V)O₄. Соединение открыли совсем недавно. Впервые его обнаружили только в 2020 году при исследовании почвы в Хорватии, загрязненной боеприпасами с обедненным ураном.
Тогда выяснилось, что FeU(V)O₄ сохранялся в почве более 25 лет, несмотря на постоянный контакт с атмосферным кислородом. Однако механизм образования соединения оставался неизвестным. Новая работа впервые показала, что в его появлении могут участвовать бактерии.
Дополнительные эксперименты принесли еще один неожиданный результат. После высушивания бактериальной массы исследователи подвергли ее воздействию кислорода. Вместо разрушения нового соединения его количество продолжило увеличиваться. Значит, кислород не только не уничтожает FeU(V)O₄, но при определенных условиях может способствовать дальнейшему образованию соединения.
Полученные результаты могут оказаться важными для очистки загрязненных территорий. Сегодня удаление урана из воды и почвы остается сложной и дорогостоящей задачей. Если микроорганизмы способны самостоятельно переводить растворенный уран в химически устойчивую форму, подобный механизм в будущем может стать основой новых технологий биоремедиации. Так называют методы очистки окружающей среды с помощью живых организмов.
Пока работа не означает, что бактерии уже готовы очищать загрязненные водоемы или бывшие урановые рудники. Исследователям еще предстоит выяснить, насколько эффективно процесс работает за пределами лаборатории, какие виды микроорганизмов способны выполнять такое превращение и можно ли управлять реакцией в природных условиях. Следующим этапом станет изучение бактерий, связывающих уран, а также биохимических и геохимических процессов, которые позволяют микроорганизмам переводить токсичный растворенный металл в устойчивое соединение.