باکتری تثبیتکننده اورانیوم میتواند نقش مهمی در تبدیل اورانیوم سمی و محلول به شکلی پایدار داشته باشد. اورانیوم، یک فلز سنگین رادیواکتیو، معمولاً درون مواد معدنی موجود در خاک محبوس است. با این حال، فعالیتهای معدنی و سایر فرایندهای محیطزیستی میتوانند اورانیوم را به شکلهایی تبدیل کنند که در آب حل میشوند. هنگامی که اورانیوم به این شکل متحرک میشود، میتواند در محیطزیست گسترش پیدا کند و به دلیل سمیت خود مشکلاتی ایجاد کند.
هنگامی که اورانیوم به این شکل متحرک میشود، میتواند در محیط زیست گسترش پیدا کند و به دلیل سمیت خود مشکلاتی ایجاد کند. پژوهشگران مرکز هلمهولتز درسدن-روسندورف (HZDR)، با همکاری شرکت Wismut GmbH و دانشمندانی از دانشگاه گرانادا، اکنون برای نخستین بار نشان دادهاند که باکتری تثبیتکننده اورانیوم میتواند در صورت وجود گلیسرول بهعنوان منبع غذایی، اورانیوم حلشده در آب را به یک ترکیب شیمیایی پایدار تبدیل کند.
در این فرایند، اورانیوم وارد یک حالت شیمیایی میشود که پیش از این تنها موقتی در نظر گرفته میشد. یافتههای این پژوهش که در مجله Nature Communications منتشر شده است، میتواند به تحقیقات آینده درباره استفاده از باکتریها برای پاکسازی محیطهای آلوده به اورانیوم کمک کند.
باکتری تثبیتکننده اورانیوم چگونه با اورانیوم تعامل میکند؟
باکتریهای موجود در خاک و آب بخش مهمی از اکوسیستمهای طبیعی هستند و برخی گونهها توانایی پردازش موادی را دارند که میتوانند برای انسان و سایر جانداران مضر باشند.
باکتریها چگونه اورانیوم سمی را مصرف میکنند؟
دکتر اولین کراویتسک-برش، دانشمند گروه میکروبیولوژی زمینی در HZDR و یکی از نویسندگان این پژوهش، میگوید: “باکتریهایی وجود دارند که میتوانند از فلز سنگین اورانیوم که برای انسان سمی است، در فرایند متابولیسم خود استفاده کنند. تحقیقات گروه ما پیشتر نشان داده بود که باکتریها در صورت دسترسی به گلیسرول بهعنوان منبع غذایی، میتوانند از اورانیوم حلشده در آب برای متابولیسم خود استفاده کنند.”
گلیسرین یکی از اجزای اصلی چربیهای گیاهی و حیوانی است. این ماده همچنین میتواند بهطور طبیعی تشکیل شود. برای مثال، زمانی که قارچها چوب را تجزیه میکنند. پژوهشگران میخواستند مشخص کنند باکتریها تا چه اندازه میتوانند مقدار اورانیوم حلشده در آب را کاهش دهند و در جریان پردازش اورانیوم توسط میکروبها، چه شکلهای شیمیایی ایجاد میشود.
تجمع اورانیوم در دیواره سلولی باکتریها
برای بررسی این موضوع، تیم پژوهشی آب معدن را از یک معدن اورانیوم غرقشده در کوههای اوره در اختیار شرکت Wismut GmbH جمعآوری کرد. پژوهشگران در آزمایشگاه مقدار کنترلشدهای گلیسرول به نمونههای آب اضافه کردند و آنها را در محیطی بدون اکسیژن نگه داشتند.
ایجاد شرایط مناسب برای فعالیت باکتریها
دکتر آنتونیو ام. نیومن-پورتلا، پژوهشگر سابق دوره دکترا در HZDR و گروه میکروبیولوژی دانشگاه گرانادا در اسپانیا و نویسنده اصلی پژوهش، توضیح میدهد: “ما میخواستیم شرایط طبیعی را برای جامعه باکتریایی موجود در آب معدن ایجاد کنیم، زیرا در عمق تقریبی ۲ هزار متری معمولاً اکسیژن بسیار کمی وجود دارد یا اصلاً اکسیژنی وجود ندارد.”
در شرایط مناسب برای رشد باکتریها، میکروارگانیسمها شروع به استفاده از گلیسرول بهعنوان منبع غذایی کردند. با گذشت زمان، مقدار اورانیوم باقیمانده در حالت محلول در آب بهشدت کاهش یافت. نیومن-پورتلا میگوید: “پس از ۱۳۰ روز، تنها حدود پنج درصد از اورانیوم حلشده در آب در نمونهها باقی مانده بود. ما گمان کردیم که باکتریها اورانیوم را در دیواره سلولی خود جذب کردهاند. از فرایندهای تجمع اورانیوم در منابع علمی نیز اطلاع داشتیم.”
پژوهشگران سپس توانستند تأیید کنند که اورانیوم واقعاً درون دیواره سلولی باکتریها تجمع پیدا کرده است.
ظهور شکلی نادر از اورانیوم
پرسش بعدی این بود که دقیقاً چه نوع ترکیب اورانیومی تشکیل شده است. برای یافتن پاسخ، پژوهشگران از میکروسکوپی و طیفسنجی پیشرفته استفاده کردند.
بررسی حالت شیمیایی اورانیوم
این بررسی شامل آزمایشهایی در خط پرتو روسندورف (ROBL) بود که توسط HZDR در تأسیسات تابش سنکروترون اروپا (ESRF) در گرونوبل فرانسه اداره میشود. همچنین مطالعات تکمیلی در دانشگاه گرانادا انجام شد. دانشمندان غشای باکتریها را بررسی کردند تا مشخص شود اورانیوم در چه حالتهای شیمیایی وجود دارد. شیمیدانان از اصطلاح «ظرفیت» برای توصیف تعداد «دستهایی» استفاده میکنند که یک اتم عملاً برای اتصال به اتمهای دیگر در یک ترکیب شیمیایی در اختیار دارد.
نیومن-پورتلا توضیح میدهد: “اورانیوم معمولاً با ظرفیت ۴ یا ۶ وجود دارد. اورانیوم پنجظرفیتی نیز وجود دارد، اما نادر یا تنها موقتی است. تا پیش از این، این نوع اورانیوم در یک حالت اکسایش ناپایدار مشاهده شده بود. او میافزاید: “بنابراین، نتایج مطالعه ما بسیار شگفتانگیز بود، زیرا در زیستتودهای که از آزمایشهای ما بررسی شد، بخش غیرمعمولاً زیادی از اورانیوم شناساییشده، اورانیوم پنجظرفیتی بود.”
این کشف غیرمنتظره بود، زیرا حالت پنجظرفیتی اورانیوم معمولاً ناپایدار و کوتاهمدت در نظر گرفته میشد.
ترکیب پایدار اورانیوم چگونه تشکیل میشود؟
پژوهشگران همچنین مشخص کردند که اورانیوم پنجظرفیتی با آهن و اکسیژن ترکیب شده و ماده FeU(V)O4 را تشکیل داده است.
نقش باکتری تثبیتکننده اورانیوم در تشکیل FeU(V)O4
کراویتسک-برش میگوید: “این ترکیب اورانیوم هنوز نامی ندارد، زیرا نسبتاً جدید است. نخستین بار در مطالعهای در سال ۲۰۲۰ شناسایی شد؛ در آن پژوهش، نمونههای خاک از مناطقی در کرواسی که به مهمات اورانیومی آلوده شده بودند، بررسی شدند.” او ادامه میدهد: “مشخص شد که این ترکیب حتی تحت تأثیر اکسیژن موجود در جو، بیش از ۲۵ سال پایدار باقی مانده است. اما تا پیش از این نمیدانستیم این ترکیب چگونه در طبیعت تشکیل میشود یا اینکه باکتریها در شکلگیری آن نقش دارند.”
آزمایشهای بیشتر نیز نتیجه شگفتانگیز دیگری به همراه داشت. هنگامی که پژوهشگران زیستتوده خشکشده باکتریایی را در معرض اکسیژن قرار دادند، مقدار FeU(V)O4 به جای کاهش، افزایش یافت. این یافته نشان میدهد که این ترکیب حتی در حضور اکسیژن نیز میتواند پایدار باقی بماند. همچنین شواهد بیشتری ارائه میکند که فعالیت باکتریایی میتواند به تبدیل اورانیوم متحرک به شکلی کمک کند که احتمال جابهجایی آن در آب بسیار کمتر است.
کاربرد باکتری تثبیتکننده اورانیوم در پاکسازی آلودگی
کراویتسک-برش میگوید: “مطالعه ما برای نخستین بار نشان داده است که باکتریهایی که گلیسرول را بهعنوان منبع کربن دریافت میکنند، میتوانند اورانیوم سمی حلشده در آب را به یک ترکیب شیمیایی پایدار تبدیل کنند.”
آیا باکتری تثبیتکننده اورانیوم میتواند به پاکسازی محیط کمک کند؟
او اضافه میکند: “ما هنوز باید بررسی کنیم که باکتریها تا چه اندازه میتوانند به بیخطر کردن اورانیوم برای اهداف پاکسازی کمک کنند.” پژوهشگران اکنون قصد دارند باکتریهای متصلشونده به اورانیوم را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند و فرایندهای بیوشیمیایی و ژئوشیمیایی مؤثر در این تبدیل را بررسی کنند.
درک بهتر این سازوکارها میتواند در آینده مشخص کند که آیا باکتری تثبیتکننده اورانیوم میتواند بهطور مؤثر در تلاشها برای پاکسازی محیطهای آلوده به اورانیوم مورد استفاده قرار گیرد یا خیر. این پژوهش همچنین میتواند مسیر مطالعات جدیدی را برای استفاده از باکتری تثبیتکننده اورانیوم در زیستپالایی و کنترل انتشار اورانیوم در محیطهای آلوده باز کند.