Bakterien wandeln Uran in stabile chemische Verbindungen um: Potenzial zur Gefahrenminderung für Mensch und Umwelt
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben gemeinsam mit der Wismut GmbH und Forschenden der Universität Granada erstmals nachgewiesen, dass bestimmte Bakterien gelöstes Uran im Wasser in eine stabile chemische Form überführen können, sofern ihnen Glycerin als Nahrungsquelle bereitgestellt wird. Dabei nimmt das Uran eine Oxidationsstufe an, die bisher nur als kurzlebiger Übergangszustand bekannt war. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41467-026-72560-z) und eröffnen neue Perspektiven für die Anwendung mikrobieller Prozesse in der Umweltsanierung.
Bedeutung von Bakterien in Umweltprozessen
Bakterien in Böden und Gewässern übernehmen eine zentrale Rolle im Ökosystem, insbesondere durch den Abbau von Schadstoffen. „Einige Bakterienarten sind in der Lage, das toxische Schwermetall Uran metabolisch zu nutzen“, erläutert Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch vom HZDR. Frühere Untersuchungen zeigten bereits, dass Bakterien Uran in wässriger Lösung verstoffwechseln können, wenn Glycerin als Energiequelle zur Verfügung steht. Glycerin entsteht in der Natur unter anderem beim Abbau pflanzlicher und tierischer Fette sowie durch holzabbauende Pilze. Die aktuelle Studie untersucht, in welchem Umfang Bakterien die Konzentration von gelöstem Uran reduzieren und in welche chemischen Verbindungen das Uran dabei umgewandelt wird.
Experimentelle Untersuchungen mit Grubenwasser
Die Experimente basierten auf Wasserproben aus einer gefluteten Urangrube der Wismut GmbH im Erzgebirge. Unter anaeroben Bedingungen wurden die Proben mit Glycerin angereichert, um die natürlichen Lebensbedingungen der dortigen Bakteriengemeinschaft nachzubilden. „In der etwa 2.000 Meter tiefen Grube herrscht normalerweise Sauerstoffmangel“, erklärt Dr. Antonio M. Newman-Portela, Erstautor der Studie. Innerhalb von 130 Tagen reduzierte sich die Uran-Konzentration im Wasser auf etwa fünf Prozent des ursprünglichen Werts. Die Forschenden vermuteten, dass das Uran in die Zellmembran der Bakterien eingebaut wurde, was durch Analysen bestätigt werden konnte.
Analyse des ungewöhnlichen chemischen Zustands von Uran
Zur Charakterisierung der Uranverbindungen setzten die Wissenschaftler moderne mikroskopische und spektroskopische Verfahren ein, unter anderem an der Rossendorf Beamline (ROBL) der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble sowie an der Universität Granada. Dabei wurde festgestellt, dass das Uran in der Zellmembran überwiegend in der seltenen Oxidationsstufe +5 vorliegt. Während Uran üblicherweise in den Oxidationsstufen +4 oder +6 vorkommt, galt die +5-Stufe bislang als instabiler Übergangszustand. Die Entdeckung eines stabilen pentavalenten Urans in bakterieller Biomasse stellt eine bedeutende Neuerung dar.
Stabilität der Uranverbindung unter Sauerstoffeinfluss
Die Untersuchungen zeigten zudem, dass das pentavalente Uran mit Eisen und Sauerstoff die Verbindung FeU(V)O4 bildet. Diese Verbindung wurde erstmals 2020 in kontaminierten Böden mit Uranmunition nachgewiesen und zeichnet sich durch eine hohe Stabilität gegenüber atmosphärischem Sauerstoff aus, wie Messungen über einen Zeitraum von mehr als 25 Jahren belegen. Die Rolle von Bakterien bei der Entstehung dieser Verbindung war bislang unbekannt. Weitere Experimente des HZDR-Teams ergaben, dass die Menge an FeU(V)O4 sogar zunimmt, wenn die getrocknete Biomasse Sauerstoff ausgesetzt wird.
Ausblick auf zukünftige Forschung und Anwendungen
Die Studie demonstriert erstmals, dass Bakterien, die mit Glycerin versorgt werden, Uran in Wasser in eine stabile, weniger gefährliche chemische Form umwandeln können. „Ob und wie Bakterien zukünftig zur Entgiftung von Uran in Sanierungsprojekten eingesetzt werden können, bedarf weiterer Untersuchungen“, betont Dr. Krawczyk-Bärsch. Das HZDR-Team plant, die uranbindenden Mikroorganismen sowie die zugrundeliegenden biochemischen und geochemischen Mechanismen in weiteren Forschungsarbeiten detailliert zu erforschen.
Publikation
A. M. Newman-Portela, K. O. Kvashnina, E. F. Bazarkina, A. Rossberg, F. Bok, S. Ting-Shyang Wei, A. Kassahun, T. Stumpf, J. Raff, M. L. Merroun, E. Krawczyk-Bärsch: „Pentavalent and tetravalent uranium formation via glycerol-stimulated bacteria in mine water“, Nature Communications, 2026 (DOI: 10.1038/s41467-026-72560-z)
Kontaktinformationen
- Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch | Dr. Johannes Raff
Institut für Ressourcenökologie, HZDR
Telefon: +49 351 260 2076 | +49 351 260 2951
E-Mail: e.krawczyk-baersch@hzdr.de | j.raff@hzdr.de - Prof. Mohamed L. Merroun | Dr. Antonio Newman-Portela
Department of Microbiology, Faculty of Science, Universität Granada
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Über das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
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