Bakterien in Biofilmen halten Uran fest

Bakterien sind keine Einzelgänger, vielmehr sind 99 Prozent aller Bakterien in Biofilmen organisiert. Typische Biofilme sind Zahnbeläge oder schleimige Überzüge auf in Gewässer befindlichen Steinen. Biofilme sind allgegenwärtig und treten insbesondere an Grenzflächen zwischen fest und flüssig auf.

Ein Biofilm besteht zu 50 bis 95 % aus Wasser. Der Rest setzt sich aus Mikroorganismen und organischen Makromolekülen zusammen. In Biofilmen findet man sehr komplexe und zugleich gut aufeinander abgestimmte Lebensgemeinschaften von Mikroorganismen vor. Dabei kann es zur Ausbildung von Nischen mit unterschiedlichen geochemischen Parametern (z. B. pH-Wert, gelöste Sauerstoffkonzentration) innerhalb des Biofilms kommen.

Biofilme sind von Wasserkanälen durchzogen, auf denen den Bakterien Nährstoffe zugeführt und deren Ausscheidungen abtransportiert werden. Auf diese Weise gelangen auch toxische Schwermetalle in den Biofilm und können dort zurückgehalten werden. Somit können Biofilme einen natürlichen Filter für Wasserreinigungs-Prozesse bilden.

Uran kann über das Transportmedium Wasser zu den Biofilmen gelangen. Hierbei spielt die Oxidationsstufe des Urans eine große Rolle: das sechswertige Uran ist wasserlöslich und somit mobil (im Zentrum dieser Verbindung steht das Uranyl-Ion UO22+ – das Uranatom ist von zwei Sauerstoffatomen umgeben), das vierwertige Uran dagegen ist kaum wasserlöslich. Wird das mobile Uran(VI) in einen solchen Biofilm geleitet, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass es durch den Weg von der Oberfläche in das Innere des Biofilms chemisch in vierwertiges Uran umgewandelt wird. Bei dieser Reaktion gibt das Uran(VI) zwei Elektronen ab, allerdings war bisher der genaue Reaktionsvorgang unklar.

Die ausgefeilten Analysetechniken, die im FZD zur Verfügung stehen, ermöglichten erstmals die genaue Untersuchung des chemischen Verhaltens von Uran in lebender Umgebung. So konnte die komplexe Wechselwirkung zwischen dem Schwermetall und den Bakterien, die in einem Biofilm leben, aufgedeckt werden. Dieses Wissen könnte in Zukunft dabei helfen, Konzepte für intelligente Sanierungsmaßnahmen zu erstellen.

Den Redox-Prozess von Uran in einem Biofilm hat ein Wissenschaftler-Team um Dr. Thuro Arnold im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf in Kooperation mit Prof. Isolde Röske und Dr. Axel Wobus von der Technischen Universität Dresden nun erstmalig untersucht. Mit einem konfokalen Laser-Fluoreszenz-Mikroskop gelang es, die Reduktion von Uran(VI) zum Uran(V) zu visualisieren und spektroskopisch zu identifizieren. Die Forscher gaben zunächst einem der Natur nachempfundenen Biofilm eine wohldefinierte Lösung mit Uranyl(VI)-Ionen bei. Um Uran im Mikroskop sichtbar machen zu können, wird ausgenutzt, dass einige Uran-Verbindungen bei gezielter Laseranregung Lumineszenz zeigen, also nachleuchten.

Einmalig ist das per Mikroskop entstandene Bild, auf dem sechs- und fünfwertiges Uran gleichzeitig zu sehen sind. Da Uran(V) nur kurze Zeit stabil ist, herrscht dieser Oxidationszustand nicht lange vor. Dr. Arnold: „Wir konnten nachweisen, dass die Umwandlung in wasserunlösliches Uran in zwei Etappen vor sich geht. Während der im Biofilm ablaufenden Reaktion gibt das sechswertige Uran erst ein Elektron ab, woraus das fünfwertige Uran entsteht.

Für die weitere Umwandlung zum wasserunlöslichen Uran(IV) gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann das Uran(V) im Biofilm unter Abgabe eines zusätzlichen Elektrons weiter zu Uran (IV) reduziert oder aber in einem komplizierteren Prozess zu Uran(IV) und Uran (VI) umgewandelt werden. Da das im Biofilm entstandene vierwertige Uran quasi wasserunlöslich ist, fällt es aus und wird im Biofilm festgehalten.“

Eine besondere Leistung der Rossendorfer Wissenschaftler besteht zudem darin, dass sie gleichzeitig mit dem mikroskopischen Nachweis der Reduktion von Uran in einem Biofilm die genaue Wertigkeit der Uran-Verbindungen mit der Methode der Laser-Fluoreszenz-Spektroskopie nachweisen konnten. Dr. Arnold: „Wir wollen die von uns entdeckten Prozesse nun noch besser verstehen lernen, um dieses Wissen beispielsweise in intelligente Sanierungsprozesse einfließen zu lassen.“ Dafür werden derzeit die Untersuchungsgeräte weiter verfeinert und verbessert. Jetzt schon können Uran-Partikel und deren genaue chemische Form, in Biofilmen identifiziert werden. Bald schon sollen mit der Fluoreszenz-Spektroskopie auch zeitaufgelöste Informationen zu gelösten Uranverbindungen in Biofilmen möglich sein, so dass die Kombination der beiden Methoden dann sogar zur Untersuchung von Wechselwirkungen von Zellen mit fluoreszierenden Schwermetallen geeignet sein wird.

Veröffentlichung:
K. Großmann, T. Arnold, E. Krawczyk-Bärsch, S. Diessner, A. Wobus, G. Bernhard, R. Krawietz, „Identification of fluorescent U(V) and U(VI) Microparticles in a multispecies biofilm by Confocal Laser Scanning Microscopy and Fluorescence Spectroscopy „, in: Environmental Science & Technology, Vol. 41, No. 18: September 15, 2007.
Weitere Informationen:
Dr. Thuro Arnold
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Institut für Radiochemie
Tel.: +49 351 260 – 2432
Email: t.arnold@fzd.de
Prof. Dr. Isolde Röske
Technische Universität Dresden
Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie
Tel.: +49 351 – 46 33 29 05
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