تكوين اليورانيوم الخماسي والرباعي عبر بكتيريا مُحفَّزة بالجليسرول في مياه المناجم

لماذا يهم اليورانيوم الموجود تحت الأرض في حياتنا اليومية

في أنحاء العالم، لا تزال المناجم القديمة لليورانيوم تتسرب منها آثار من هذا المعدن المشع إلى مياه الجوف. حتى عند مستويات منخفضة، يمكن أن يهدد اليورانيوم إمدادات مياه الشرب والنُّظم البيئية، وإزالته مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. تبحث هذه الدراسة في بديل مثير للاهتمام: السماح للميكروبات الطبيعية الموجودة في مياه المناجم، بمساعدة منتج ثانوي صناعي يُسمى الجليسرول، بأن تحبس اليورانيوم في جزيئات صغيرة ومستقرة بحيث لا يمكنها التحرك بحرية في البيئة.

تحويل منتج نفاية إلى مساعد في التنظيف

عمل الباحثون بمياه من منجم يورانيوم سابق في ألمانيا لا يزال يحتوي على يورانيوم أكثر من الحدود المسموح بها. بدلاً من الاعتماد على المعالجة الكيميائية وحدها، أعدوا قوارير اختبار معقمة مملوءة بمياه المنجم وأضافوا الجليسرول، وهو منتج ثانوي رخيص ومتوافر بكثرة من صناعة الديزل الحيوي. يعمل الجليسرول كغذاء لبعض الميكروبات. بينما تكسر هذه الميكروبات الجليسرول، تغيّر التوازن الكيميائي للمياه، دافعةً إياها من حالة غنية بالأكسجين إلى ظروف ناقصة أكسجين بقوة. على مدار 130 يومًا، سمح هذا التحول للمجتمع الميكروبي بإزالة ما يصل إلى 96% من اليورانيوم المذاب من المياه.

الميكروبات تُعيد تشكيل اليورانيوم في الظلام

في ظل هذه الظروف الفقيرة بالأكسجين، ازدهرت عدة مجموعات من البكتيريا. استغلت الميكروبات المخمرة الجليسرول لإنتاج جزيئات عضوية صغيرة وغاز الهيدروجين، الذي غذّى بدوره بكتيريا مختزلة للكبريت والكتل المختزلة للمعادن. تُعرف هذه المجموعات الأخيرة بأنها تستخدم معادن مثل اليورانيوم كجزء من أيضها الطاقي. وأثناء فعل ذلك، تحول اليورانيوم المذاب في صورته شديدة الحركة إلى جسيمات صلبة التزمت بسطوح الخلايا وغَرَقت نحو القاع. وفي الوقت نفسه، انخفضت أيضًا مواد مذابة أخرى مثل الحديد والكبريتات والزرنيخ، مما كشف عن إعادة تشكيل واسعة لكيمياء مياه المنجم مدفوعة بنشاط الميكروبات.

بلورات دقيقة وحالة وسطى مفاجئة

للتعرف بدقة على الأشكال التي اتخذها اليورانيوم، لجأ الفريق إلى تقنيات أشعة سينية قوية في مرفق سينكروترون والمجهر الإلكتروني عالي الدقة. اكتشفوا أن معظم اليورانيوم قد اختزل إلى شكل أقل ذائبية تجمع في بلورات نانوية من معدن يعرف باسم الأورانينيت. كانت هذه البلورات بعرض بضعة مليارات من الأمتار وتميل إلى التكتل على السطوح الخارجية للخلايا البكتيرية. والأكثر دهشة أن جزءًا كبيرًا من اليورانيوم وُجد في حالة كيميائية وسطية، بين الشكلين المعتادين «العالي» و«المنخفض». بدت هذه الحالة الوسطى على شكل مركبات مذابة مرتبطة بالكربونات في الماء وعلى شكل جسيمات صلبة حيث كان اليورانيوم مرتبطًا بإحكام مع الحديد في معدن مختلط يعرف FeUO₄.

الثبات في مواجهة عودة الأكسجين

يجب أن تتحمل أي استراتيجية تنظيف واقعية ظروفًا متغيرة، بما في ذلك عودة الأكسجين التي قد تعيد تحريك المعادن. لذلك عرض الباحثون بعض الجسيمات الحاملة لليورانيوم للهواء لمدة أربعة أسابيع. كما كان متوقعًا، أكسدت جزء من بلورات الأورانينيت عائدةً نحو أشكال أكثر حركة لليورانيوم. ومع ذلك، بقيت جسيمات الحديد–اليورانيوم المختلطة والحالة الوسطى لليورانيوم مستقرة إلى حد مفاجئ، وفي العينات المؤكسدة أصبح هذا الوضع الوسطي حتى الشكل السائد. هذا يوحي بأن المعادن الحديدية–اليورانيومية التي تبنيها الميكروبات يمكن أن تعمل كعازل: حتى إذا أعيد أكسدة بعض اليورانيوم الأكثر اختزالًا، فإن جزءًا كبيرًا منه يبقى محبوسًا في شكل وسطٍ أقل حركة بدلاً من العودة بالكامل إلى المياه.

ماذا يعني هذا لتنظيف المناجم القديمة

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الفعل البسيط المتمثل في تغذية ميكروبات مياه المناجم بمنتج نفاية رخيص يمكن أن يطلق سلسلة من العمليات الطبيعية التي تحبس اليورانيوم في مواد صلبة صغيرة ومستقرة. والأهم من ذلك أن الدراسة تُظهر أن اليورانيوم لا يتحول ببساطة من حالة متحركة إلى حالة غير متحركة، بل يمكن أن يستقر في وسط مفاجئ ومقاوم يظل يمنعه من الانتشار. من خلال إظهار كيف تتفاعل المجتمعات الميكробية والمعادن الحديدية واليورانيوم على مدى شهور في ظروف مياه منجم واقعية، يشير هذا العمل إلى استراتيجيات أكثر استدامة لإدارة المواقع الملوثة وقد يساعد في تقصير الفترة التي تُحتاج فيها إلى معالجة المياه النشطة المكلفة.

الاستشهاد: Newman-Portela, A.M., Kvashnina, K.O., Bazarkina, E.F. et al. Pentavalent and tetravalent uranium formation via glycerol-stimulated bacteria in mine water. Nat Commun 17, 4030 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72560-z

الكلمات المفتاحية: تنظيف اليورانيوم بيولوجياً, مياه المناجم, اختزال المعادن بواسطة الميكروبات, تحفيز بالجليسرول, تنظيف النويدات الإشعاعية البيئي