Bacterias logran estabilizar uranio tóxico en forma segura para el medio ambiente

El uranio, un metal pesado radiactivo, generalmente se encuentra encerrado en minerales del suelo. Sin embargo, procesos como la minería pueden transformar el uranio en formas que se disuelven en agua, facilitando su movilidad y generando problemas ambientales por su toxicidad. Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), en colaboración con Wismut GmbH y científicos de la Universidad de Granada, demostraron por primera vez que ciertas bacterias pueden convertir el uranio disuelto en agua en un compuesto químico estable cuando se les proporciona glicerol como fuente de alimento. Este proceso permite que el uranio adopte un estado químico que anteriormente se consideraba solo temporal.

Los hallazgos, publicados en la revista Nature Communications, podrían ser fundamentales para futuras investigaciones sobre el uso de bacterias en la limpieza de entornos contaminados con uranio.

Interacción de las Bacterias con el Uranio

Las bacterias presentes en el suelo y el agua son componentes esenciales de los ecosistemas naturales, y algunas especies tienen la capacidad de procesar sustancias que pueden ser perjudiciales para humanos y otros organismos. La doctora Evelyn Krawczyk-Bärsch, científica del grupo de Microbiología Terrestre del HZDR y coautora del estudio, comentó: "Existen bacterias que pueden utilizar metabólicamente el uranio, un metal pesado tóxico para los humanos". Los investigadores ya habían demostrado que las bacterias pueden usar el uranio disuelto en agua para su metabolismo si tienen acceso a glicerol.

El glicerol es un componente básico de las grasas animales y vegetales y puede formarse de manera natural, por ejemplo, cuando los hongos descomponen la madera. Los investigadores se propusieron determinar cuán eficazmente las bacterias podrían reducir la cantidad de uranio disuelto en agua y qué formas químicas se creaban durante el procesamiento del uranio.

Acumulación de Uranio en las Paredes Celulares Bacterianas

Para investigar, el equipo recolectó agua de una mina inundada de uranio en las Montañas de Erzgebirge, perteneciente a Wismut GmbH. En el laboratorio, añadieron una cantidad controlada de glicerol a muestras de agua y las mantuvieron en un entorno sin oxígeno. La doctora Antonio M. Newman-Portela, ex candidato doctoral en el HZDR y el Departamento de Microbiología de la Universidad de Granada, explicó: "Queríamos crear condiciones naturales para la comunidad bacteriana existente en el agua de la mina, ya que a una profundidad de aproximadamente 2,000 metros generalmente hay poco o ningún oxígeno". Con condiciones adecuadas para el crecimiento bacteriano, los microorganismos comenzaron a utilizar el glicerol como fuente de alimento, y con el tiempo, la cantidad de uranio disuelto en el agua disminuyó drásticamente.

"Después de 130 días, solo alrededor del cinco por ciento del uranio disuelto en el agua permaneció en las muestras", indicó Newman-Portela. Los investigadores confirmaron que el uranio se había acumulado en las paredes celulares de las bacterias.

Un Compuesto de Uranio Raro Aparece

La siguiente pregunta fue qué tipo de compuesto de uranio se había formado. Para averiguarlo, los investigadores utilizaron microscopía avanzada y espectroscopía. Su investigación incluyó experimentos en la Rossendorf Beamline (ROBL), operada por el HZDR en la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Grenoble, Francia, junto con estudios complementarios realizados en la Universidad de Granada. Los científicos examinaron la membrana bacteriana para determinar los estados químicos en los que se encontraba el uranio. Los químicos utilizan el término "valencia" para describir cuántas "manos" tiene un átomo disponibles para conectarse con otros átomos en un compuesto químico.

"El uranio generalmente se presenta con una valencia de 4 o 6. Existe uranio pentavalente, pero es raro o solo transitorio. Hasta ahora, se había visto en un estado de oxidación inestable", explica Newman-Portela. "Los hallazgos de nuestro estudio fueron extremadamente sorprendentes porque en la biomasa analizada de nuestras pruebas experimentales, una proporción inusualmente alta del uranio identificado también era uranio pentavalente". Este descubrimiento fue inesperado ya que este estado pentavalente del uranio se había considerado generalmente como inestable y de corta duración.

Un Compuesto de Uranio que Permanece Estable

Los investigadores también determinaron que el uranio pentavalente se combinó con hierro y oxígeno para formar FeU(V)O4. "Este compuesto de uranio aún no tiene nombre, ya que es relativamente nuevo. Se demostró por primera vez en un estudio en 2020 en el que se analizaron muestras de suelo de partes de Croacia contaminadas por munición de uranio", explica Krawczyk-Bärsch. "Se encontró que incluso bajo la influencia del oxígeno atmosférico, este compuesto de uranio había permanecido estable durante más de 25 años. Pero hasta ahora, no sabíamos cómo se formaba este compuesto en la naturaleza o que las bacterias desempeñaban un papel en su formación".

Experimentos adicionales produjeron otro resultado sorprendente. Cuando los investigadores expusieron biomasa bacteriana seca al oxígeno, la cantidad de FeU(V)O4 aumentó en lugar de disminuir. Este hallazgo sugiere que el compuesto puede permanecer estable incluso en presencia de oxígeno, lo que añade evidencia de que la actividad bacteriana puede ayudar a convertir el uranio móvil en una forma que es mucho menos probable que se desplace a través del agua.

Potencial para la Limpieza de Uranio

"Nuestro estudio ha revelado por primera vez que las bacterias alimentadas con glicerol como fuente de carbono pueden convertir el uranio tóxico disuelto en agua en un compuesto químico estable", afirma Krawczyk-Bärsch. "Aún debemos investigar hasta qué punto las bacterias podrían ayudar a hacer que el uranio sea inofensivo para fines de remediación". Los investigadores ahora planean estudiar las bacterias que se unen al uranio en mayor detalle e investigar los procesos bioquímicos y geoquímicos que hacen posible la transformación. Un mejor entendimiento de esos mecanismos podría eventualmente ayudar a determinar si las bacterias pueden utilizarse eficazmente en los esfuerzos por remediar entornos contaminados con uranio.