Bakterien machen Uran im Wasser unschädlich

Uran steckt meist fest gebunden im Gestein. Durch Bergbau und andere Umwelteinflüsse kann das radioaktive Schwermetall jedoch löslich werden und ins Wasser gelangen. Das ist problematisch, weil Uran nicht nur radioaktiv, sondern auch chemisch giftig ist.

In der gefluteten Uranmine Schlema-Alberoda im Erzgebirge enthält das Grubenwasser rund 1 Milligramm Uran pro Liter. Das ist mehr als 30-mal so viel wie der von den Forschern genannte Trinkwasser-Richtwert von 0,03 Milligramm pro Liter. Auch die sächsischen Einleitgrenzen von 0,20 bis 0,50 Milligramm pro Liter werden damit um das Zwei- bis Fünffache überschritten.

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, der Universität Granada und der Wismut GmbH hat nun einen biologischen Ansatz getestet. Bakterien aus dem Grubenwasser bekamen Glycerin als Energiequelle und wandelten gelöstes Uran in stabilere feste Verbindungen um. Nach 130 Tagen sank die Konzentration im Wasser von 1 auf 0,04 Milligramm pro Liter.

Wie Bakterien Uran im Wasser binden

Im Labor arbeiteten die Forscher mit der natürlichen Bakteriengemeinschaft aus dem Grubenwasser. Sie gaben Glycerin hinzu, einen Stoff, der in pflanzlichen und tierischen Fetten vorkommt. Auch in der Natur entsteht Glycerin, etwa wenn Pilze Holz abbauen. Für bestimmte Mikroorganismen dient es als Energiequelle. „Das Schwermetall Uran, das für uns Menschen toxisch ist, können manche Bakterienarten für ihren Stoffwechsel nutzen“, sagt Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Die Wasserproben lagerten unter Luftabschluss, ähnlich wie in einer tiefen, sauerstoffarmen Grube. Nach 130 Tagen hatte sich die Chemie stark verändert. Der Redoxwert fiel von +398 auf -114 Millivolt. Die Umgebung wurde dadurch stark reduzierend. Zugleich sank die Menge des gelösten Urans von 1 auf 0,04 Milligramm pro Liter. Das entspricht einem Rückgang um bis zu 96 Prozent.

Glycerin lässt den Prozess kräftig laufen

„Am Ende waren in den Proben nur noch rund fünf Prozent des im Wasser gelösten Urans vorhanden“, sagt Antonio M. Newman-Portela, Erstautor der Studie. Die Kontrollversuche fielen deutlich schwächer aus. Ohne Glycerin sank die Uranmenge nur um etwa 25 Prozent. In sterilisiertem Wasser mit Glycerin lag der Rückgang bei 36 Prozent. Der starke Unterschied spricht dafür, dass lebende Mikroorganismen den Prozess erheblich vorantrieben.

Auch andere Stoffe gingen in den Proben zurück. Am Ende fanden die Forscher etwa 98 Prozent weniger Eisen, 68 Prozent weniger Sulfat und 44 Prozent weniger Arsen. Die beteiligten Bakterien gehörten unter anderem zu Gruppen, die Glycerin abbauen oder Sulfat reduzieren. Dazu zählen Desulfobulbus und Desulfovibrio. Solche Mikroben können chemische Bedingungen schaffen, in denen Uran seine Form verändert und weniger mobil wird.

Die wichtigsten Werte aus dem Versuch:

Uran im Wasser sank von 1 auf 0,04 Milligramm pro Liter.
Der Rückgang erreichte bis zu 96 Prozent nach 130 Tagen.
Fünfwertiges Uran blieb 130 Tage ohne Sauerstoff nachweisbar.
Nach Sauerstoffkontakt war es weitere vier Wochen vorhanden.

Fünfwertiges Uran überrascht die Chemiker

Uran liegt in der Umwelt häufig als sechswertiges Uran vor. Diese Form löst sich gut im Wasser und kann dadurch weitergetragen werden. Wird Uran zu vierwertigem Uran reduziert, fällt es eher aus und bleibt stärker gebunden. Das Team fand aber auch eine dritte Form: fünfwertiges Uran. „Es gibt auch 5-wertiges Uran, doch das ist selten oder nur kurzzeitig vorhanden. Es galt bislang als instabiler Übergangszustand“, sagt Newman-Portela.

Diese Form blieb in den Proben erstaunlich stabil. In den festen Ablagerungen fanden die Forscher zunächst Anteile von etwa 20 bis 30 Prozent fünfwertigem Uran. Nach vier Wochen mit Sauerstoff lag sein Anteil sogar bei 53 Prozent. Das ist relevant, weil Sauerstoff reduzierte Uranverbindungen wieder mobilisieren kann. Hier blieb ein erheblicher Teil jedoch in einer stabileren Form gebunden.

Uran im Wasser wird nicht einfach entfernt

Das Uran verschwindet dabei nicht aus der Welt. Es wird aus dem Wasser herausgelöst und in winzige feste Strukturen eingebaut. Die Wissenschaftler fanden Uran an der Oberfläche der Bakterien. „Wir vermuteten, dass die Bakterien das Uran in ihre Zellmembran eingebaut haben könnten“, sagt Newman-Portela. Unter dem Mikroskop zeigten sich Nanopartikel mit Uran, Eisen und Schwefel.

Eine Verbindung fiel dabei auf: FeU(V)O4. Sie besteht aus Eisen, Uran und Sauerstoff. Bei der Untersuchung von 231 Nanopartikeln entfielen 55,4 Prozent auf diese Verbindung, 40,3 Prozent auf Uraninit und 4,3 Prozent auf Pyrit. Die meisten Uran-Nanopartikel waren nur 2 bis 3 Nanometer groß. „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“, berichtet Krawczyk-Bärsch.

Warum alte Uranminen lange nachwirken

Für frühere Bergbauregionen kann dieser Mechanismus eines Tages praktische Bedeutung bekommen. Die Wasserbehandlung in gefluteten Gruben kostet Geld, erzeugt Rückstände und muss oft lange weiterlaufen. Biologische Verfahren könnten bestehende Technik ergänzen, falls sie sich in größeren Versuchen bewähren.

Noch handelt es sich um ein Laborexperiment mit Grubenwasser aus einem Standort. Die Ergebnisse lassen sich deshalb nicht direkt auf jede belastete Region übertragen. pH-Wert, Sauerstoff, Eisen, Sulfat, Carbonate und die vorhandenen Bakterien entscheiden mit, ob Uran stabil gebunden bleibt. Krawczyk-Bärsch gibt zu bedenken: „Inwieweit künftig vielleicht auch Bakterien helfen könnten, Uran unschädlich zu machen und im Rahmen von Sanierungsprojekten genutzt werden könnten, muss noch weiter erforscht werden.“

Kurz zusammengefasst:

Uran im Wasser ist vor allem an ehemaligen Bergbaustandorten ein Problem, weil es gelöst bleiben und dadurch in die Umwelt gelangen kann.
In der Studie senkten Bakterien aus Grubenwasser im Erzgebirge die Menge gelösten Urans im Labor um bis zu 96 Prozent, nachdem sie mit Glycerin versorgt wurden.
Das Uran verschwand dabei nicht, sondern wurde in stabilere feste Formen gebunden; für eine praktische Sanierung belasteter Standorte braucht es aber weitere Forschung.

Übrigens: Uran lässt sich nicht nur in belastetem Grubenwasser binden – chinesische Forscher arbeiten auch daran, den Rohstoff mit winzigen Mikromotoren aus dem Meerwasser zu holen. Im besten Laborversuch entfernten die Partikel 99 Prozent des Urans innerhalb von 70 Minuten. Mehr dazu in unserem Artikel.