Grubenwasser im Erzgebirge: Forscher entdecken Uran-Zustand, der als unmöglich galt
Im Grubenwasser der Wismut-Mine Schlema-Alberoda löst sich bis heute Uran. Forscher aus Dresden haben das Wasser mit Bakterien und einem einfachen Nährstoff behandelt – und einen Uran-Zustand gefunden, den es eigentlich nicht geben dürfte.
Schacht 371 im Erzgebirge, einst Europas tiefstes Bergwerk. In der benachbarten Wismut-Grube Schlema-Alberoda löst sich bis heute Uran im Grubenwasser – rund 1 mg/l, mehr als der sächsische Einleitgrenzwert erlaubt.
Foto: picture alliance/dpa | Jan Woitas
Tief unter dem Erzgebirge steht Wasser in einem Bergwerk, das es seit mehr als 35 Jahren nicht mehr gibt. Schlema-Alberoda war bis 1990 eine der größten Uranminen der Welt; danach hat man die Schächte geflutet. Das Uran im Gestein blieb, wo es war. Doch ein Teil davon löst sich seither im Grubenwasser. Rund 1 mg/l enthalte es noch immer, schreibt das Forschungsteam um Antonio M. Newman-Portela in „Nature Communications“. Der sächsische Einleitgrenzwert liegt bei 0,20 bis 0,50 mg/l, der WHO-Richtwert für Trinkwasser bei 0,03.
Aus diesem Grund läuft am Grubenausgang eine Wasserbehandlungsanlage. Sie belüftet, strippt Kohlendioxid ab, gibt Kalk zu, fällt die Schadstoffe aus und produziert dabei kontinuierlich Schlamm, der wiederum entsorgt werden muss. Sie arbeitet zuverlässig, aber laut Studie ohne absehbaren Endpunkt. Eine Arbeitsgruppe des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) könnte das ändern: Sie hat das Grubenwasser mit Bakterien und einem einfachen Nährstoff behandelt – und dabei einen Uran-Zustand gefunden, den es nach gängiger Lehrmeinung eigentlich gar nicht geben dürfte.
Inhaltsverzeichnis
- Ein Abfallstoff aus der Biodieselproduktion als Köder
- Wie der Versuch funktionierte
- Wohin das Uran wandert
- Uran mit fünf Händen – ein Zustand, den es nicht geben dürfte
- Fünfwertiges Uran an der Zellhülle
- Der Härtetest: vier Wochen an der Luft
- Warum der Zustand bis jetzt als unmöglich galt
- Was das für die Wismut-Sanierung heißen könnte – und was nicht
Ein Abfallstoff aus der Biodieselproduktion als Köder
Der Ansatz heißt Biostimulation und ist ein Sonderfall der Bioremediation, also der Idee, Schadstoffe von Mikroorganismen unschädlich machen zu lassen, statt sie mit Chemie und Technik aus dem Wasser zu holen. Er kommt ohne importierte Spezialbakterien aus.
Die Mikroben sind schon da. Das Grubenwasser von Schlema-Alberoda beherbergt eine eigene Lebensgemeinschaft, darunter Arten, die Uran für ihren Stoffwechsel nutzen können. Dafür brauchen sie jedoch eine bestimmte Nahrung, die als Elektronendonor fungiert und so den Prozess antreibt.
Die Wahl der Forscher fiel auf Glycerin. Der Vorteil: Rohglycerin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Biodieselproduktion an. Es ist regional verfügbar und billig. Alternative Elektronendonoren wären Acetat oder Laktat. Diese funktionieren im Labor gut, ihre dauerhafte Versorgung im Feld wäre laut Studie aber wirtschaftlich kaum darstellbar. In einer früheren Arbeit derselben Gruppe hatte Glycerin zudem Vanillinsäure und Gluconsäure geschlagen.
Wie der Versuch funktionierte
Der Versuchsaufbau war entsprechend nüchtern:
- 2-l-Flaschen, gefüllt mit frischem Grubenwasser von der Zulaufseite der Wismut-Aufbereitungsanlage
- Zugabe von 10 Millimol Glycerin pro Liter, unter Luftabschluss
- 130 Tage Inkubation im Dunkeln bei 28 Grad Celsius
- wöchentliche Messung von pH-Wert, Redoxpotenzial und den Konzentrationen von Uran, Eisen, Arsen und Sulfat
- zwei Kontrollansätze: Grubenwasser ohne Glycerin und autoklaviertes, also keimfreies Grubenwasser mit Glycerin
Der pH-Wert blieb laut Studie während des gesamten Versuchs stabil zwischen 7,5 und 8,0. Das Redoxpotenzial dagegen kippte: von plus 398 mV zu Beginn auf minus 114 mV am Ende. Die Bakterien hatten das Milieu umgebaut.
Wohin das Uran wandert
In den ersten 20 Tagen passierte fast nichts – die Urankonzentration sank um 5 bis 20 %. Danach fiel sie steil ab. Am Ende der 130 Tage waren nach Angaben der Studie bis zu 96 % des gelösten sechswertigen Urans verschwunden, von 1 auf 0,04 Milligramm pro Liter. Parallel gingen Eisen um rund 98 %, Sulfat um 68 % und Arsen um 44 % zurück.
Diese Zahl wäre alleine allerdings irreführend, und die Studie sagt das selbst. Auch in den Kontrollflaschen sank die Urankonzentration: um etwa 25 % im Ansatz ohne Glycerin und um 36 % im autoklavierten Ansatz. Verantwortlich dafür dürften rein physikalische Prozesse sein: Uran lagert sich an Biomasse, Gefäßwände und Mineralpartikel an. Der Beitrag der stimulierten Bakterien ist also durchaus groß, aber vermutlich kleiner, als die 96 % nahelegen.
Wirklich verschwunden ist das Uran ohnehin nicht. Es hat nur die Phase gewechselt: aus dem Wasser heraus, in feste Partikel hinein, die sich als schwarzer Niederschlag an den Bakterienzellen absetzten. Und in diesem Niederschlag steckt der eigentliche Fund.
Uran mit fünf Händen – ein Zustand, den es nicht geben dürfte
Wer verstehen will, was daran ungewöhnlich ist, braucht einen Begriff: Wertigkeit. Sie beschreibt vereinfacht, mit wie vielen „Händen“ sich ein Atom in einer chemischen Verbindung festhält. Für Uran gilt dabei nach Lehrbuch:
- Sechswertiges Uran (U(VI)) ist der problematische Zustand. Es ist gut wasserlöslich, bildet mit Karbonat stabile Komplexe und wandert mit dem Grundwasser. Das ist die Form, die in Schlema-Alberoda aus dem Gestein kommt.
- Vierwertiges Uran (U(IV)) ist der gewünschte Zustand. Es ist praktisch unlöslich und fällt meist als Uraninit aus – das Zielprodukt jeder Bioremediation.
- Fünfwertiges Uran (U(V)) galt bislang als Zwischenschritt auf dem Weg von sechs nach vier: kurzlebig, instabil, in der Natur kaum fassbar. Es zerfällt normalerweise sofort wieder in eine sechs- und eine vierwertige Form.
Fünfwertiges Uran an der Zellhülle
Dieses fünfwertige Uran fand das Team in großer Menge. An der Rossendorf Beamline, die das HZDR am Europäischen Synchrotron in Grenoble betreibt, durchleuchteten die Forschenden die schwarzen Niederschläge mit hochauflösender Röntgenabsorptionsspektroskopie. In allen untersuchten Proben lagen demnach 20 bis 30 % des Urans fünfwertig vor.
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen aus Granada zeigten auch, wo genau das Uran steckt: nicht im Inneren der Bakterien, sondern außen an der Zelle. Es lagert sich demnach in Form winziger Nanopartikel von zwei bis drei Nanometern Durchmesser genau dort an, wo die Zellhülle ans Wasser grenzt . In diesen Partikeln saßen Eisen und Schwefel im Kern, das Uran verteilte sich über das ganze Gebilde.
Von 231 vermessenen Nanopartikeln entfielen laut Studie 128 auf eine Eisen-Uran-Sauerstoff-Verbindung mit der Formel FeU(V)O₄, gut 55 %. Weitere 93 waren Uraninit, zehn Pyrit.
Der Härtetest: vier Wochen an der Luft
Für die Sanierungspraxis zählt am Ende aber nicht, ob man Uran aus dem Wasser holen kann. Die Frage ist, ob es festgelegt bleibt. Biogener Uraninit hat hier eine Schwäche, denn er reagiert empfindlich auf Sauerstoff, pH-Schwankungen und Nitrat. Kommt Luft ins Spiel, löst er sich wieder auf, und das Uran wandert erneut.
Also legte das Team getrocknete Biomasse aus dem Versuch vier Wochen offen an die Raumluft und maß nach. Das Ergebnis fiel anders aus als erwartet.
- Das vierwertige Uran brach ein, nur noch 7 % waren übrig.
- Der Anteil sechswertigen, also wieder löslichen, Urans stieg auf 40 %.
- Das fünfwertige Uran hielt und machte am Ende 53 % des Gesamturans aus, mehr als vorher.
Der Uraninit, das eigentliche Ziel klassischer Bioremediation, oxidierte also erwartungsgemäß zurück. Die Verbindung, die niemand auf der Rechnung hatte, blieb liegen.
Warum der Zustand bis jetzt als unmöglich galt
Dass fünfwertiges Uran überhaupt dauerhaft bestehen kann, galt lange als ausgeschlossen; es sollte binnen Stunden zerfallen. Bekannt war die Verbindung FeU(V)O₄ trotzdem schon: 2020 wiesen Forscher sie in kroatischen Böden nach, die durch Munition aus abgereichertem Uran verseucht waren. Dort hatte sie über 25 Jahre unter freiem Himmel überdauert. Dabei handelte es sich laut dem HZDR allerdings um einen Einzelfall, für den niemand einen Entstehungsweg kannte. Ob die Verbindung ein Zufallsprodukt der Munition war oder sich unter bestimmten Bedingungen immer wieder bildet, war offen.
Diese Frage beantwortet die HZDR-Studie. Sie belegt, dass FeU(V)O₄ entsteht, sobald die richtigen Bakterien am Werk sind – und zwar bei den niedrigen Urangehalten, wie sie in echtem Grubenwasser vorkommen, nicht bei den weit höheren Konzentrationen früherer Laborversuche mit Reinkulturen. Aus einem Einzelfund wird so ein nachvollziehbarer biologischer Vorgang. Darin liegt der Bruch mit dem Lehrbuch: Fünfwertiges Uran galt als flüchtiger Durchgangszustand, der binnen Stunden zerfällt und unmöglich dauerhaft bestehen kann. Im Grubenwasser hielt es jedoch 130 Tage und überstand sogar vier Wochen an der Luft.
Was das für die Wismut-Sanierung heißen könnte – und was nicht
Bisher zielt jede Idee, Uran im Untergrund festzulegen, auf den Uraninit – und der hat eben gezeigt, dass er bei Sauerstoffkontakt wieder aufgibt. Die neue Eisen-Uran-Verbindung hält. Wenn sich das bestätigt, ließe sich das Uran womöglich unten in der Grube binden, statt es Jahr für Jahr nach oben zu pumpen und an der Oberfläche auszufällen. Das spare Schlamm, Betriebskosten und Dauerbetrieb, schreibt das Forschungsteam.
Von diesem Satz bis zu einer Anwendung ist es allerdings noch ein Stück, und die Beteiligten sagen das selbst. „Inwieweit künftig vielleicht auch Bakterien helfen könnten, Uran unschädlich zu machen und im Rahmen von Sanierungsprojekten genutzt werden könnten, muss noch weiter erforscht werden“, so Evelyn Krawczyk-Bärsch vom Institut für Ressourcenökologie des HZDR, eine Co-Autorin der Studie.
Die offenen Punkte im Überblick:
- Die Flasche ist keine Grube. Die Versuche liefen in verschlossenen Behältern, ohne Luft, bei konstant 28 Grad. Ein gefluteter Schacht lässt sich nicht auf Betriebstemperatur einstellen.
- Ein Wasser ist nicht jedes Wasser. Getestet wurde eine einzige Grube. Ob die Bakterien anderswo dieselbe Uranverbindung bilden, hängt laut Studie unter anderem vom Säuregehalt des Wassers und davon ab, wie viel Eisen im Spiel ist.
- Vom Reagenzglas zur Anlage. Wie das Glycerin in großem Maßstab dosiert in ein Grubenwassersystem käme, beschreibt die Arbeit nicht. Auch die Umweltverträglichkeit der neuen Uranverbindung müsse erst noch bestätigt werden.
Der Fund selbst ist aber auch ohne Anwendung bedeutsam. Er korrigiert ein Lehrbuchbild: In echtem Grubenwasser fällt Uran offenbar nicht sauber vom löslichen in den unlöslichen Zustand, mit einem flüchtigen Moment dazwischen. Dieser Moment bleibt stehen – und hält länger als das Ergebnis, auf das es eigentlich ankommen sollte. Und erzeugt haben ihn Bakterien, die längst in der Grube leben. Sie brauchten nichts weiter als etwas zu essen.
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