Bakterien überführen Uran in stabile chemische Verbindung

Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und die der Wismut GmbH untersuchten gemeinsam mit der Universität Granada mikrobielle Prozesse im Uranabbau. Das Team bewies erstmals, dass Bakterien gelöstes Uran in eine stabile chemische Verbindung überführen können. Als einzige Voraussetzung dient den Mikroorganismen dabei Glycerin als Nahrungsquelle. Das Uran nimmt hierbei einen ungewöhnlichen chemischen Zustand ein. Bisher galt dieser Zustand in der Wissenschaft nur als flüchtige Zwischenstufe. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen vielversprechende Perspektiven für zukünftige biologische Umweltsanierungen.

Mikrobieller Stoffwechsel im Grubenwasser

Bakterien erfüllen in verschiedenen Ökosystemen, wie Böden und Gewässern, lebenswichtige Funktionen. Bestimmte spezialisierte Arten können sogar gefährliche Schadstoffe abbauen. „Das Schwermetall Uran, das für uns Menschen toxisch ist, können manche Bakterienarten für ihren Stoffwechsel nutzen“, sagt Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch. „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 natürlicher Bestandteil pflanzlicher und tierischer Fette. Es entsteht beispielsweise beim Holzabbau durch Pilze. Die Forschenden untersuchten nun die Effizienz dieser mikrobiellen Uranreduktion. Zudem analysierten sie die dabei entstehenden chemischen Verbindungen.

Uran-Akkumulation in der bakteriellen Zellmembran

Für die Versuche diente echtes Grubenwasser einer gefluteten Wismut-Urangrube im Erzgebirge. Das Team führte die Laborexperimente unter striktem Luftabschluss durch. Sie versetzten das Grubenwasser gezielt mit 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.

Die Bakterien nutzten das angebotene Glycerin unter diesen Idealbedingungen hocheffizient. „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.“ Diese Vermutung bestätigte sich schließlich durch den direkten Urannachweis in den Membranen.

Identifizierung eines seltenen Oxidationszustands

Zur exakten Bestimmung der Verbindungen nutzte das Team hochauflösende mikroskopische und spektroskopische Verfahren. Die Messungen erfolgten an der Rossendorf Beamline (ROBL) in Grenoble sowie in Granada.
Zuerst bestimmten die Forschenden den Oxidationszustand des Urans in der Membran. In der Chemie beschreibt die Wertigkeit die Bindungsfähigkeit eines Atoms.

„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.“

Hohe Stabilität unter atmosphärischen Bedingungen

Das nachgewiesene pentavalente Uran bildet mit Eisen und Sauerstoff die Verbindung FeU(V)O₄. „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.“

Überraschenderweise stieg der Anteil an FeU(V)O₄ bei Sauerstoffkontakt der getrockneten Biomasse sogar weiter an. „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 künftigen Projekten entschlüsselt das HZDR-Team die genauen biochemischen und geochemischen Mechanismen.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (07/2026)