Ulepszone biołużenie uranu w środowiskach zasolonych dzięki konsorcjum mikroorganizmów z wykorzystaniem modelowania i optymalizacji w oparciu o RSM

Dlaczego słona woda i mali pomocnicy mają znaczenie

W miarę jak wysokiej jakości ruda uranu staje się coraz trudniejsza do znalezienia, a zasoby słodkiej wody maleją, firmy wydobywcze poszukują czystszych i tańszych metod pozyskiwania tego kluczowego paliwa do elektrowni jądrowych. Obiecującym podejściem jest wykorzystanie mikroorganizmów: niektóre bakterie potrafią stopniowo rozpuszczać metale z skał w procesie zwanym biołużeniem. Jest jednak problem — te mikroby zwykle źle znoszą słoną, zasoloną wodę, która często jest jedyną dostępną wodą w suchych regionach wydobywczych. Badanie opisuje sprytne rozwiązanie: połączenie bakterii tolerującej sól z drożdżami, tak by wspólnie wyciągały uran z niskogatunkowej rudy w warunkach zasolonych.

Umożliwienie mikrobom wydobywania ze skały

Zamiast stosować wysokie temperatury lub ostre chemikalia, biołużenie polega na mikroorganizmach, które uzyskują energię, przekształcając żelazo i siarkę w rudzie. W ten sposób tworzą kwaśne, utleniające środowisko, które przekształca stałe minerały uranu w rozpuszczalne formy, możliwe do odzyskania z roztworu. Badacze pracowali z niskogatunkową rudą uranu z centralnego Iranu i hodowali halotolerancyjną bakterię Acidithiobacillus ferrooxidans szczep THA4 w pożywce laboratoryjnej z kontrolowaną zawartością soli, zmielonej rudy i powietrza. Poprzez staranne mierzenie, ile uranu trafia do cieczy w różnych warunkach, oceniali efektywność “wydobycia” przez mikroby.

Testowanie słonej wody i obciążenia rudy

Kluczowe pytanie dotyczyło tego, ile soli i materiału stałego bakterie są w stanie znieść, zanim ich wydajność spadnie. Zastosowano metodę statystyczną zwaną metodologią powierzchni odpowiedzi (RSM) — zespół zmieniał poziom soli, stężenie rudy (gęstość pulpy), czas kontaktu i początkową ilość bakterii w dziesiątkach eksperymentów. Stwierdzono, że większa zawartość soli i większa ilość stałej rudy obniżają odzysk uranu: sól wywołuje stres osmotyczny u mikroorganizmów, natomiast gęste zawiesiny ograniczają dostęp tlenu i utrudniają komórkom dotarcie do powierzchni minerałów. Wydłużenie czasu ługowania pomagało do około dziesięciu dni, dając bakteriom czas na wzrost i produkcję czynników utleniających, ale po tym okresie wydajność malała, prawdopodobnie z powodu wyczerpania składników odżywczych i nagromadzenia produktów przemiany.

Dodanie partnera na trudne warunki

Aby zwiększyć ekstrakcję w wodzie zasolonej, badacze wprowadzili drugi mikroorganizm: drożdże Rhodotorula toruloides szczep IR-1395, które tolerują kwaśne i zasolone środowiska. Zamiast konkurować, oba gatunki pełniły różne role. Bakteria wykorzystuje nieorganiczne formy żelaza i siarki i polega na dwutlenku węgla, podczas gdy drożdże korzystają z materiału organicznego i wydzielają dwutlenek węgla z powrotem do roztworu. Gdy obecne były obie szczepy w starannie dobranych proporcjach, system stał się bardziej odporny. Optymalna kombinacja bakterii i drożdży zwiększyła odzysk uranu o około 24 procent w porównaniu z samą bakterią w podobnych warunkach zasolonych, a roztwór stał się bardziej utleniający i bardziej kwaśny — obie cechy sprzyjające rozpuszczaniu uranu.

Obserwowanie, jak mikroby budują „kopalniane” społeczności

Zespół wykorzystał także skaningową mikroskopię elektronową sprzężoną z analizą pierwiastkową, by bezpośrednio zobaczyć, jak organizmy kolonizują rudę. W ciągu kilku dni zaobserwowano pojedyncze komórki bakterii przylegające do ziaren minerału. Po 16 dniach próbki z oboma mikroorganizmami wykazywały gęste warstwy mikrobiologiczne — biofilmy — pokrywające skałę, wraz z mineralnymi nalotami, takimi jak jarosyt na powierzchni. Te biofilmy utrzymują komórki blisko rudy, gdzie mogą nieustannie wytwarzać związki atakujące minerał i utrzymywać przepływ uranu do roztworu. Dowód wizualny potwierdził pomiary: konsorcjum nie tylko przeżywało, lecz aktywnie przekształcało powierzchnię skały w zasolonym środowisku.

Co to oznacza dla przyszłego odzysku uranu

Podsumowując, badanie pokazuje, że przemyślane partnerstwo różnych mikroorganizmów może przezwyciężyć jedną z głównych przeszkód biołużenia: wrażliwość na sól. Poprzez sparowanie bakterii tolerującej sól z kompatybilnymi drożdżami i użycie narzędzi statystycznych do dopracowania poziomu soli, obciążenia rudy, dawek mikroorganizmów i czasu, badacze stworzyli wydajny system ługowania uranu działający w wodzie zasolonej i na niskogatunkowej rudzie. Dla czytelników popularnonaukowych wniosek jest prosty: drobne organizmy mogą działać jak ekologiczni górnicy, a ich odpowiednie zespolenie może pomóc odzyskiwać cenne metale tam, gdzie brak jest czystej wody i bogatych złóż.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: biołużenie, ekstrakcja uranu, woda zasolona, konsorcja mikroorganizmów, biomining