Образование пента- и тетравалентного урана под действием глицерол‑стимулированных бактерий в шахтной воде

Почему подземный уран важен для повседневной жизни

По всему миру старые урановые шахты продолжают выделять следы этого радиоактивного металла в грунтовые воды. Даже при низких концентрациях уран угрожает питьевым источникам и экосистемам, а его удаление дорого и требует длительного времени. В этом исследовании рассматривается интересная альтернатива: позволить естественно присутствующим в шахтной воде микробам, которым помогают промышленный побочный продукт — глицерол, запереть уран в крошечных стабильных частицах, чтобы он больше не мог свободно перемещаться по окружающей среде.

Преобразование отхода в помощника по очистке

Исследователи работали с водой из бывшей урановой шахты в Германии, где концентрация урана всё ещё превышает допустимые нормы. Вместо того чтобы полагаться только на химическую обработку, они поместили воду в герметичные пробирки и добавили глицерол — дешёвый и широко доступный побочный продукт производства биодизеля. Глицерол служит пищей для определённых микробов. По мере его разложения микроорганизмы изменяли химический баланс воды, переводя её из кислородсодержащего в сильно бескислородное состояние. В течение 130 дней такое изменение условий позволило микробному сообществу удалить до 96% растворённого урана из воды.

Микробы, переоформляющие уран во тьме

В условиях низкого содержания кислорода размножились несколько групп бактерий. Ферментативные микроорганизмы использовали глицерол для продукции малых органических молекул и водорода, которые, в свою очередь, питали сульфатредуцирующие и металлордуцирующие бактерии. Эти последние группы известны тем, что используют металлы, такие как уран, в своей энергетической метаболизме. В процессе этот растворённый и сильно подвижный уран преобразовывался в твёрдые частицы, прилипавшие к поверхностям клеток и оседающие на дно. Одновременно снижались концентрации других растворённых веществ — железа, сульфата и мышьяка — что свидетельствует о широком перераспределении химии шахтной воды под влиянием микробной активности.

Крошечные кристаллы и удивительное промежуточное состояние

Чтобы точно установить, какие формы урана образовались, команда использовала мощные рентгеновские методы на синхротрононе и высокоразрешающую электронную микроскопию. Они обнаружили, что большая часть урана была восстановлена до менее растворимой формы, которая сформировала нанометровые кристаллы минерала, известного как уранинит. Эти кристаллы имели размеры в несколько миллиардных долей метра и обычно группировались на внешних поверхностях бактериальных клеток. Ещё более неожиданно, значительная доля урана находилась в промежуточном химическом состоянии, между обычными «высокими» и «низкими» валентностями. Это промежуточное состояние проявлялось как растворённые комплексы, связанные с карбонатом в воде, так и в виде твёрдых частиц, где уран был плотно связан с железом в смешанном минерале, известном как FeUO₄.

Стабильность при возвращении кислорода

Любая реальная стратегия очистки должна выдерживать изменяющиеся условия, включая возвращение кислорода, которое может вновь мобилизовать металлы. Поэтому исследователи подвергли часть урансодержащих частиц воздействию воздуха в течение четырёх недель. Как и ожидалось, часть кристаллов уранинита окислилась обратно в более подвижные формы урана. Тем не менее смешанные железо‑урановые частицы и промежуточное состояние урана оказались удивительно стабильными, и в окисленных образцах это промежуточное состояние даже стало доминировать. Это указывает на то, что микрооргнанически созданные железо‑урановые минералы могут действовать как буфер: даже если часть наиболее восстановленного урана окисляется, большая его доля остаётся связанной в менее подвижной промежуточной форме, а не полностью возвращается в раствор.

Что это значит для очистки старых шахт

Для неспециалистов главный вывод таков: простое подкармливание микробов шахтной воды недорогим отходом может запустить цепочку природных процессов, которые запирают уран в крошечных стабильных твёрдых частицах. Важно, что исследование показывает — уран не просто переключается из мобильного состояния в немобильное, он может закрепиться в удивительно стойком промежуточном состоянии, которое также препятствует его распространению. Показав, как микробные сообщества, железные минералы и уран взаимодействуют в течение месяцев в реалистичных условиях шахтной воды, эта работа указывает на более устойчивые стратегии управления загрязнёнными участками и может помочь сократить период, в течение которого требуется дорогостоящая активная очистка воды.

Цитирование: 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

Ключевые слова: биотехника очистки урана, шахтная вода, микробное восстановление металлов, стимуляция глицеролом, очистка радионуклидов в окружающей среде