Mikroben stabilisieren fünfwertiges Uran im gefluteten Bergwerk Schlema-Alberoda

Bakterien im Wasser eines gefluteten Uranbergwerks entfernten nahezu das gesamte gelöste Uran aus der Lösung und banden es in feste Partikel, die über Monate stabil blieben.

Zu Beginn enthielt das Wasser rund das 30-Fache der Konzentration, die als trinkwassersicher gilt.

Uran lässt sich nur schwer beseitigen, weil seine übliche gelöste Form sich leicht mit dem Grundwasser bewegt und die Kontamination weit vom Ursprungsort wegträgt.

Würde es in einen Feststoff überführt, der sich nicht erneut auflöst, könnte dies eine kostengünstigere Behandlung des belasteten Wassers ermöglichen, das aus alten Bergwerken austritt.

In einem gefluteten Uranbergwerk

Das Wasser stammte aus dem Bergwerk Schlema-Alberoda in Ostdeutschland, das vor seiner Schließung im Jahr 1990 zu den weltweit größten Uranbetrieben gehörte.

Seither sind die Stollen vollgelaufen. Das Wasser enthält weiterhin so viel Uran, dass es fortlaufend und kostenintensiv behandelt werden muss – ohne absehbares Ende.

Geleitet wurde das Team von Dr. Evelyn Krawczyk-Bärsch am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Deutschland.

Gemeinsam mit Forschenden der Universidad de Granada (UGR) in Spanien prüfte die Gruppe, ob die bergwerkseigenen Mikroben die Sanierung übernehmen könnten.

Mikroben immobilisieren Uran

Als Nährstoff wählten die Forschenden Glycerin, einen günstigen, unreinen Rückstand aus der Biodieselherstellung. Sie füllten unbehandeltes Wasser direkt aus dem Bergwerk in luftdicht verschlossene Flaschen.

Anschließend ließen sie die Mikroben 130 Tage lang im Dunkeln arbeiten. Durch die Versorgung mit Glycerin senkten die Bakterien die Konzentration des gelösten Urans um etwa 96%.

Die Veränderung zeigte sich durch schwarze Partikel, die sich an den Oberflächen von Bakterienzellen ablagerten.

Mithilfe intensiver Röntgenstrahlen an einer großen europäischen Forschungseinrichtung bestimmte das Team den exakten chemischen Zustand des darin gebundenen Urans.

Fünfwertiges Uran widerspricht den Erwartungen

Gelöstes Uran liegt gewöhnlich in einer wasserlöslichen Form vor, die sich mit dem Wasser vermischt und diesem überallhin folgt. Bakterien können diesem Uran Elektronen zuführen.

Dadurch wird das Metall in eine unlösliche Form überführt, die sich zum Mineral Uraninit zusammenballt und aus der Lösung ausfällt.

Zwischen diesen beiden Zuständen liegt fünfwertiges Uran: Es besitzt ein Elektron mehr als die lösliche Variante und eines weniger als die feste.

Chemiker betrachteten diesen Zustand lange als kurzlebige Zwischenstation. Meist zerfällt er innerhalb von Augenblicken und spaltet sich nahezu so rasch, wie er entsteht, in die beiden anderen Zustände auf.

Kann fünfwertiges Uran überdauern?

In reinen Laborkulturen beobachtete eine Studie diese Zwischenform während der Elektronenübertragung, bevor sie wieder zerfiel.

Ob sie sich in echtem, komplexem Bergwerkswasser halten kann, war bislang nicht belegt. Solches Wasser enthält zahlreiche konkurrierende chemische Stoffe und eine vielfältige mikrobielle Gemeinschaft.

Sie blieb erhalten. In den Proben machte die Zwischenform zwischen einem Fünftel und einem Drittel des Urans aus und war auch nach 130 Tagen noch nachweisbar.

Danach setzte das Team die empfindliche Form einer Belastung aus, die sie eigentlich nicht hätte überstehen sollen: Eine Probe blieb vier Wochen lang offen an der Luft. Statt zu verschwinden, nahm die Zwischenform mehr als die Hälfte des Urans ein.

Eisen stabilisiert Uran

Ein Teil des Uraninits kehrte in die lösliche Form zurück – dieselbe Schwäche, die frühere Arbeiten an alternden Sedimenten gezeigt hatten. Die Zwischenform entwickelte sich dagegen entgegengesetzt und wurde vorherrschender.

Eine genauere Untersuchung ergab, dass das beständige Uran in zwei Formen vorlag. Ein Teil verband sich mit Carbonat, einer bereits im Wasser vorhandenen Verbindung.

Der größere Anteil band sich stattdessen an Eisen, und zwar in Partikeln mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern.

Mikroben verändern die Chemie im Bergwerk

Die Bakterien wirkten nicht allein. Glycerin ernährte zunächst eine erste Mikrobengruppe, die es in einfachere Säuren und Wasserstoffgas umwandelte. Diese Produkte dienten dann einer zweiten Gruppe als Nahrung, die unter Sauerstoffmangel gedeiht.

Während diese zweite Gruppe aktiv war, verringerte sie den Gehalt an gelöstem Eisen und Sulfat im Wasser. Fast das gesamte Eisen verschwand, ebenso wie etwa zwei Drittel des Sulfats. In den Flaschen herrschte zunehmend Sauerstoffmangel.

Gerade diese sauerstoffarmen Bedingungen zwingen Uran aus seiner löslichen Form heraus. Das dabei freigesetzte Eisen kann dem Metall auch selbstständig Elektronen entziehen. Zellen und Chemie wirkten in dieselbe Richtung.

Wie genau die Zwischenform entsteht, ist noch nicht abschließend geklärt. Das Team vermutet, dass die Bakterien dem Uran jeweils nur ein Elektron übertragen und nahe gelegene Minerale sowie Zelloberflächen das Zwischenprodukt anschließend festhalten, bevor es zerfallen kann.

Auf dem Weg zu einer günstigeren Bergwerkssanierung

Die Sanierung eines gefluteten Bergwerks ist normalerweise eine zeitlich unbegrenzte Verpflichtung. Die Behandlung läuft Jahr für Jahr weiter und erzeugt Schlamm, der wiederum behandelt werden muss; ein natürlicher Endpunkt fehlt.

Die Bioremediation ist attraktiv, weil sie Mikroben nutzt, die bereits im Wasser leben und mit einem Abfallprodukt versorgt werden, das Biodieselanlagen in großen Mengen erzeugen.

Können die Mikroben Uran in einer dauerhaft gebundenen Form festlegen, müsste die Behandlung eines Tages möglicherweise reduziert werden, statt unbegrenzt fortgesetzt zu werden.

Hinweise auf eine dauerhafte Uranspeicherung

An Eisen gebundenes Uran macht dieses Szenario plausibel. Material derselben Zusammensetzung wurde aus Boden eines Waffentestgeländes gewonnen. Eine unabhängige Analyse ergab, dass es mehr als 25 Jahre intakt geblieben war.

Diese Arbeit zeigt, dass die empfindliche Zwischenform des Urans unter Bedingungen, die einem tatsächlich kontaminierten Standort ähneln, über Monate stabil sein kann.

Ihre eisenhaltige Variante könnte sogar länger bestehen als das feste Mineral, auf das Sanierungsmaßnahmen gewöhnlich abzielen.

Tests über ein deutsches Uranbergwerk hinaus

Eine dauerhaft vorhandene Zwischenform könnte dennoch wie eine Bremse wirken. Falls sich ein Teil des festen Urans erneut löst, verlangsamt diese Form die Rückkehr des Metalls ins Wasser und verschafft dem umgebenden Boden Zeit.

Das untersuchte Bergwerk ist nur ein einzelner Standort. Wie sich das Uran auf diese Formen verteilt, hängt von der Chemie des jeweiligen Ortes, seinem Eisengehalt und den vorhandenen Mikroben ab.

Dennoch kommen ähnliche Bakterien in kontaminierten Gewässern auf der ganzen Welt vor. Deshalb lohnt es sich, diesen Ansatz weit über ein einzelnes deutsches Tal hinaus zu erproben.