Bakterien binden Uran dauerhaft im überfluteten Bergwerk

Bakterien im Wasser eines überfluteten Uranbergwerks entfernten nahezu das gesamte gelöste Uran aus der Lösung und banden es in festen Partikeln, die über Monate stabil blieben.

Das Wasser enthielt anfangs etwa das 30-Fache der als sicher für Trinkwasser geltenden Urankonzentration.

Uran lässt sich nur schwer beseitigen, weil seine übliche gelöste Form leicht mit dem Grundwasser wandert und die Kontamination weit von ihrem Ursprung fortträgt.

Wenn es in einen Feststoff überführt wird, der sich nicht erneut leicht auflöst, könnte dies eine kostengünstigere Behandlung des belasteten Wassers ermöglichen, das aus ehemaligen Bergwerken stammt.

In einem überfluteten Uranbergwerk

Die Wasserproben stammten aus dem Bergwerk Schlema-Alberoda in Ostdeutschland, das vor seiner Stilllegung 1990 zu den weltweit größten Uranbetrieben gehörte.

Seit der Schließung sind die Stollen vollgelaufen. Das Wasser enthält weiterhin genug Uran, um eine dauerhafte und kostspielige Aufbereitung ohne absehbares Ende erforderlich zu machen.

Geleitet wurde das Team von Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Deutschland.

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Granada (UGR) in Spanien prüfte die Gruppe, ob die im Bergwerk vorhandenen Mikroorganismen die Sanierung selbst leisten könnten.

Mikroben immobilisieren Uran

Als Nährstoff verwendeten die Forschenden Glycerin, einen günstigen, unreinen Rückstand aus der Biodieselherstellung. Sie füllten unbehandeltes Wasser direkt aus dem Bergwerk in verschlossene Flaschen und hielten Luft fern.

Anschließend ließen sie die Mikroben 130 Tage lang im Dunkeln arbeiten. Durch das Glycerin als Nahrung verringerten die Bakterien die Menge des gelösten Urans um etwa 96 %.

Sichtbar wurde die Umwandlung durch schwarze Partikel, die sich auf den Oberflächen der Bakterienzellen ansammelten.

Mithilfe intensiver Röntgenstrahlen an einer großen europäischen Forschungsanlage bestimmte das Team den exakten chemischen Zustand des darin gebundenen Urans.

Pentavalentes Uran widerspricht den Erwartungen

Gelöstes Uran liegt normalerweise in einer wasserlöslichen Form vor, vermischt sich mit Wasser und bewegt sich mit ihm weiter. Bakterien können ihm Elektronen hinzufügen.

Dadurch wird das Metall in eine unlösliche Form überführt, die zu einem Mineral namens Uraninit zusammenklumpt und aus der Lösung ausfällt.

Zwischen diesen beiden Zuständen liegt eine dritte Variante: pentavalentes Uran. Es besitzt ein Elektron mehr als die lösliche Form und eines weniger als die feste Form.

Chemiker betrachteten sie lange als nur kurzlebige Zwischenstufe. Üblicherweise zerfällt sie binnen Augenblicken und teilt sich nahezu ebenso schnell, wie sie entsteht, in die beiden anderen Zustände auf.

Kann pentavalentes Uran überdauern?

In reinen Laborkulturen beobachtete eine Studie diese Zwischenform während der Elektronenübertragung, sah aber auch, wie sie anschließend zerfiel.

Ob sie in echtem, chemisch komplexem Bergwerkswasser bestehen kann, war bislang nicht belegt. Dieses Wasser enthält zahlreiche konkurrierende chemische Stoffe und vielfältige mikrobielle Gemeinschaften.

Sie blieb erhalten. In den Proben machte die Zwischenform zwischen einem Fünftel und einem Drittel des Urans aus und war auch nach 130 Tagen noch nachweisbar.

Danach unterzog das Team den fragilen Zustand einer Belastung, die er eigentlich nicht hätte überstehen sollen: Eine Probe blieb vier Wochen offen an der Luft. Statt zu verschwinden, lag anschließend mehr als die Hälfte des Urans in dieser Zwischenform vor.

Eisen stabilisiert Uran

Ein Teil des Uraninits kehrte in die lösliche Form zurück – dieselbe Schwäche, die frühere Untersuchungen alternder Sedimente gezeigt hatten. Die Zwischenform verhielt sich entgegengesetzt und gewann an Bedeutung.

Eine genauere Analyse ergab, dass das langlebige Uran in zwei Formen vorkam. Ein Teil verband sich mit Carbonat, einer bereits im Wasser vorhandenen Verbindung.

Der größere Anteil band sich jedoch an Eisen – in Partikeln mit einer Größe von nur wenigen Nanometern.

Mikroben verändern die Chemie des Bergwerkswassers

Die Bakterien wirkten nicht isoliert. Glycerin versorgte zunächst eine Gruppe von Mikroben, die es in einfachere Säuren und Wasserstoffgas zerlegte. Diese Produkte dienten wiederum einer zweiten Gruppe als Nahrung, die bei Sauerstoffmangel gedeiht.

Während diese zweite Gruppe aktiv war, verringerte sie die im Wasser gelösten Eisen- und Sulfatmengen. Fast das gesamte Eisen verschwand, ebenso wie ungefähr zwei Drittel des Sulfats. Zugleich wurden die Flaschen immer sauerstoffärmer.

Diese sauerstoffarmen Bedingungen zwingen Uran aus seiner löslichen Form. Das dabei freigesetzte Eisen kann dem Metall selbstständig Elektronen entziehen. Zellen und chemische Prozesse wirkten in dieselbe Richtung.

Wie genau die Zwischenform entsteht, ist noch nicht abschließend geklärt. Das Team vermutet, dass die Bakterien Uran jeweils ein einzelnes Elektron übertragen und benachbarte Minerale sowie Zelloberflächen das Zwischenprodukt anschließend einfangen, bevor es zerfallen kann.

Auf dem Weg zu einer günstigeren Bergwerkssanierung

Die Sanierung eines überfluteten Bergwerks ist normalerweise eine zeitlich unbegrenzte Verpflichtung. Die Aufbereitung läuft Jahr für Jahr, erzeugt Schlamm, der ebenfalls behandelt werden muss, und besitzt keinen natürlichen Endpunkt.

Die Bioremediation ist attraktiv, weil sie Mikroben nutzt, die bereits im Wasser leben und mit einem Abfallprodukt versorgt werden, das Biodieselanlagen in großen Mengen erzeugen.

Können diese Mikroben Uran dauerhaft in einer stabilen Form binden, müsste die Behandlung eines Tages möglicherweise reduziert werden, statt unbegrenzt fortgesetzt zu werden.

Hinweise auf eine langfristige Speicherung von Uran

Das an Eisen gebundene Uran macht diese Möglichkeit plausibel. Material derselben Zusammensetzung wurde in Boden eines Waffenversuchsgeländes gefunden. Eine separate Analyse ergab, dass es dort über mehr als 25 Jahre intakt geblieben war.

Die Studie zeigt, dass die fragile Zwischenform des Urans unter Bedingungen, die einem realen belasteten Standort nahekommen, über Monate stabil bleiben kann.

Ihre eisengebundene Variante könnte sogar länger bestehen als das feste Mineral, auf das Sanierungsmaßnahmen üblicherweise abzielen.

Erprobung über ein deutsches Uranbergwerk hinaus

Eine beständige Zwischenform könnte dennoch als Bremse wirken. Falls sich ein Teil des festen Urans erneut löst, verlangsamt diese Form die Rückkehr des Metalls ins Wasser und verschafft dem umgebenden Boden Zeit.

Das untersuchte Bergwerk stellt nur eine mögliche Umgebung dar. Wie sich Uran auf diese Formen verteilt, hängt von der Chemie des jeweiligen Standorts, seinem Eisengehalt und den dort vorhandenen Mikroben ab.

Dennoch kommen vergleichbare Bakterienarten in belasteten Gewässern weltweit vor. Deshalb lohnt es sich, den Ansatz weit über ein einzelnes deutsches Tal hinaus zu testen.