שיפור ביוהחצבה של אורניום בסביבות מלוחות-מלח via קונסורציום מיקרוביאלי בעזרת מודל ואופטימיזציה מבוססי RSM

למה מים מלוחים ועוזרים זעירים חשובים

כאשר מחצבי אורניום איכותיים נעשים נדירים ומקורות המים המתוקים הולכים ומתמעטים, חברות הכרייה מחפשות דרכים נקיות וזולות יותר לחלץ דלק קריטי זה עבור אנרגיה גרעינית. גישה מבטיחה היא לאפשר למיקרובים לעשות את העבודה: חיידקים מסוימים יכולים להמיס מתכות מפני הסלע בתהליך הנקרא ביוהחצבה. אבל יש כאן בעיה — מיקרובים אלה בדרך כלל אינם מחבבים מים מליחים או ברקיים, שלעיתים קרובות הם המים היחידים הזמינים באזורים מדבריים שבהם מתקיימת הכרייה. המחקר הזה בוחן פתרון חכם: שילוב של חיידק עמיד למלח עם שמר כך שיוכלו יחד לחלץ אורניום ממחצב בדירוג נמוך בתנאי מים ברקיים.

לאפשר למיקרובים לכרות את הסלע

במקום להשתמש בטמפרטורות גבוהות או בכימיקלים קשים, ביוהחצבה מסתמכת על מיקרואורגניזמים שמפיקים אנרגיה על ידי שינוי ברזל וגופרית במחצב. בכך הם יוצרים סביבה חומצית ומחמצנת שהופכת מינרלים מוצקים של אורניום לצורות מומסות שניתן לשחזר מהתמיסה. החוקרים עבדו עם מחצב אורניום בדירוג נמוך ממרכז איראן וגידלו חיידק הלוטראנטי למלח, Acidithiobacillus ferrooxidans זן THA4, במצע מעבדה שכלל כמויות מבוקרות של מלח, מחצב טחון ואוויר. באמצעות מדידה מדוקדקת של כמות האורניום שהגיעה לנוזל בתנאים שונים, הם יכלו להעריך עד כמה המיקרובים "כרתו" את הסלע.

בדיקת מים מלוחים ועומס מחצב

שאלה מרכזית הייתה כמה מלח וחומר מוצק החיידקים מסוגלים להתמודד איתם לפני ביצועיהם ירדו. באמצעות גישה סטטיסטית הנקראת שיטת משטח תגובה (response surface methodology), הצוות שינוי את רמת המלח, ריכוז המחצב (צפיפות העיסה), זמן המגע וכמות החיידקים ההתחלתית במספר רב של ניסויים. הם מצאו שרמות מלח גבוהות וכמות מחצב רבה הפחיתו את ההחלמה של האורניום: המלח הטיל לחץ אוסמוטי על המיקרובים, בעוד שעיסות צפופות הגבילו חמצן והקשו על התאים להגיע למשטחי המינרל. הארכת זמן ההחצבה סייעה עד לכ־עשרה ימים, נתנה לחיידקים זמן לגדול ולהפיק מחמצנים, אך לאחר מכן הביצועים ירדו, כנראה מפני שנגמרו מזונות והצטברו תוצרי פסולת.

הוספת שותף לתנאים קשים

כדי להגביר את החילוץ במים ברקיים, החוקרים הכניסו מיקרוב שני: השמר Rhodotorula toruloides זן IR-1395, שיכול לסבול חומציות ומלח. במקום להתחרות, שתי המינים ממלאים תפקידים שונים. החיידק ניזון מברזל וגופרית אנאורגניים ותלוי בדו־תחמוצת הפחמן, בעוד שהשמר משתמש בחומר אורגני ומשחרר פחמן דו־חמצני חזרה לנוזל. כששניהם נוכחים בכמויות שהותאמו בקפידה, המערכת הפכה לעמידה יותר. השילוב הממוטב של חיידק ושמר הגדיל את שחזור האורניום בכ־24 אחוזים בהשוואה לחיידק לבדו בתנאי מליחות דומים, והתמיסה הפכה להיות מחמצנת וחומצית יותר — שתי תכונות המעדיפות המסת אורניום.

צפייה במיקרובים שבונים קהילות חציבה

הצוות השתמש גם במיקרוסקופ אלקטרוני סורק בשילוב עם ניתוח יסודות כדי להסתכל ישירות כיצד האורגניזמים יישבו את המחצב. בתוך מספר ימים נצפו תאים חיידקיים בודדים המתחברים לגרגירי המינרל. לאחר 16 ימים, בדגימות עם חיידק ושמר יחד הופיעו שכבות מיקרוביאליות צפופות — ביופילמים — שמכסות את הסלע, יחד עם קרומי מינרל כגון ג'ארוסיט על פני השטח. ביופילמים אלה מסייעים להשאיר את התאים במגע קרוב עם המחצב, שם הם יכולים להפיק באופן רציף חומרים שתוקפים את המינרל ושומרים על תזוזת האורניום אל תוך התמיסה. הראיות הוויזואליות תמכו במדידות: הקונסורציום לא רק שרד אלא שינה באופן פעיל את פני הסלע בסביבה המלוחה.

מה משמעות הדבר עבור שחזור אורניום בעתיד

בסך הכל, המחקר מראה כי שותפות מתוכננת בין מיקרובים שונים יכולה להתגבר על אחד מהמכשולים העיקריים של ביוהחצבה: הרגישות למלח. על ידי שילוב חיידק עמיד למלח עם שמר תואם ושימוש בכלים סטטיסטיים כדי לכייל את רמת המלח, עומס המחצב, מינוני המיקרובים והזמן, החוקרים יצרו מערכת יעילה להחצבת אורניום שעובדת במים ברקיים ועל מחצבים בעלי דירוג נמוך. לקורא הכללי, המסקנה היא כי יצורים זעירים יכולים לפעול כמינרים אקולוגיים, ושילובם בצורה נכונה עשוי לסייע בחילוץ מתכות יקרות там שבהן אין מים נקיים ומחצבים עשירים כבר אינם זמינים.

ציטוט: Shoja, M., Mohammadi, P., Tajer-Mohammad-Ghazvini, P. et al. Improved uranium bioleaching in brackish environments via microbial consortium using RSM based modelling and optimization. Sci Rep 16, 9697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39700-3

מילות מפתח: ביוהחצבה, חילוץ אורניום, מים מלוחים, קונסורציות מיקרוביאליות, ביומיינינג