Mikroben binden Uran im gefluteten Bergwerk Schlema-Alberoda dauerhaft

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

Zu Beginn enthielt das Wasser rund das 30-Fache der noch als trinkbar geltenden Urankonzentration.

Uran lässt sich nur schwer beseitigen, weil seine gewöhnliche gelöste Form leicht mit dem Grundwasser wandert und die Belastung weit über ihren Ursprung hinaus transportiert.

Gelingt es, das Metall in eine feste Form zu überführen, die sich nicht wieder leicht auflöst, könnte dies eine kostengünstigere Behandlung des belasteten Wassers aus stillgelegten Bergwerken ermöglichen.

Im Inneren eines gefluteten Uranbergwerks

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

Seither sind die Stollen vollgelaufen. Das Grubenwasser enthält weiterhin so viel Uran, dass es dauerhaft und kostenintensiv aufbereitet werden muss – ein Ende ist nicht absehbar.

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

Gemeinsam mit Forschenden der Universität Granada (UGR) in Spanien untersuchte die Gruppe, ob die natürlichen Mikroben des Bergwerks die Sanierung selbst übernehmen könnten.

Mikroben immobilisieren Uran

Als Nährstoff nutzten die Forschenden Glycerin, ein günstiges und verunreinigtes Nebenprodukt 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. Mit Glycerin als Nahrung senkten die Bakterien die Konzentration des gelösten Urans um etwa 96 %.

Die Umwandlung zeigte sich durch schwarze Partikel, die sich auf den Oberflächen der 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 dessen Fließweg folgt. Bakterien können ihm Elektronen zuführen.

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

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

Chemiker betrachteten diesen Zustand lange als äußerst kurzlebige Zwischenstufe. In der Regel zerfällt er innerhalb von Augenblicken und spaltet sich fast ebenso schnell in die beiden anderen Zustände auf, wie er entsteht.

Kann fünfwertiges Uran überdauern?

In reinen Laborkulturen beobachtete eine Studie diese Zwischenform während der Elektronenübertragung, sah sie jedoch kurz darauf wieder zerfallen.

Ob sie in echtem, chemisch komplexem Grubenwasser bestehen kann, war bislang nicht nachgewiesen. Dieses Wasser enthält zahlreiche konkurrierende chemische Stoffe sowie 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 vorhanden.

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

Eisen stabilisiert Uran

Ein Teil des Uraninits kehrte in die lösliche Form zurück – dieselbe Schwachstelle, die frühere Arbeiten zu alternden Sedimenten gezeigt hatten. Die Zwischenform verhielt sich dagegen umgekehrt und gewann weiter an Anteil.

Bei genauerer Analyse zeigte sich, dass das beständige Uran in zwei Varianten vorlag. Ein Teil verband sich mit Carbonat, einer Verbindung, die bereits im Wasser vorhanden war.

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

Mikroben verändern die Chemie des Bergwerks

Die Bakterien wirkten nicht allein. Glycerin ernährte zunächst eine Gruppe von Mikroben, die es in einfachere Säuren und Wasserstoffgas zerlegte. Diese Stoffe dienten wiederum einer zweiten Gruppe als Nahrung, die unter sauerstoffarmen Bedingungen gedeiht.

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

Genau solche sauerstoffarmen Bedingungen drängen Uran aus seiner löslichen Form. Das dabei freigesetzte Eisen kann dem Metall auch selbst Elektronen entziehen. Zellen und chemische Prozesse wirkten somit in dieselbe Richtung.

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

Auf dem Weg zu einer günstigeren Bergwerkssanierung

Die Sanierung eines gefluteten Bergwerks ist normalerweise eine Verpflichtung ohne klaren Endpunkt. Die Behandlung läuft Jahr für Jahr weiter und erzeugt Schlamm, der ebenfalls entsorgt oder verwaltet werden muss; einen natürlichen Abschluss gibt es nicht.

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

Können diese Mikroben Uran dauerhaft in einer ortsfesten Form binden, ließe sich die Behandlung möglicherweise eines Tages reduzieren, statt sie auf Dauer fortzuführen.

Hinweise auf langfristige Uranspeicherung

Die Bindung von Uran an Eisen macht dieses Szenario plausibel. Material mit derselben Zusammensetzung wurde in Böden eines Waffenversuchsgeländes gefunden. Eine separate Untersuchung ergab, dass es dort mehr als 25 Jahre lang intakt geblieben war.

Diese Arbeit zeigt, dass die fragile Zwischenform des Urans unter Bedingungen, die einem realen kontaminierten Standort nahekommen, über Monate stabil bleiben kann.

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

Tests über ein deutsches Uranbergwerk hinaus

Eine dauerhaft vorhandene Zwischenform könnte dennoch bremsend wirken. Sollte sich ein Teil des festen Urans erneut lösen, verlangsamt diese Form die Rückkehr des Metalls ins Wasser und verschafft dem umgebenden Boden Zeit.

Das untersuchte Bergwerk stellt nur einen möglichen Standort dar. Wie sich Uran auf die einzelnen Formen verteilt, hängt von der Chemie des jeweiligen Ortes, seinem Eisengehalt und den vorhandenen Mikroben ab.

Ähnliche Bakterienarten kommen jedoch in belasteten Gewässern weltweit vor. Deshalb lohnt es sich, den Ansatz weit über ein einzelnes deutsches Tal hinaus zu erproben.