"Ученые такого не ожидали": что нашли в советской урановой шахте

МОСКВА, 22 июл — РИА Новости, Захар Андреев. Когда-то там добывали начинку для первых советских атомных бомб. Люди давно ушли, но радиоактивное загрязнение осталось. Недавно биологи выяснили, что обезопасить зараженные объекты помогают живые существа. Как природа осваивает ядерное наследие — в материале РИА Новости.

Сырье для ядерного щита

Рудные горы частично находятся в немецкой Саксонии, а частично — в чешской Богемии. Веками они известны как место добычи полезных ископаемых. На исходе войны нацисты безрезультатно искали там ключ к спасению — сырье для "супероружия". В 1945-м копи заняли военные из США. Хотя территория по Ялтинским соглашениям отходила под контроль Советов, американцы не спешили ее покидать. Для начала заокеанские ученые оценили залежи урана и сочли разработку бесперспективной. Только после этого Гарри Трумэн отвел войска и Рудные горы вошли в состав ГДР.

Как выяснилось, и немецкие, и американские геологи недоработали: после войны советские исследователи обнаружили там огромные запасы урановой руды. Именно материал из Германии в СССР использовали при создании первых атомных бомб — на территории Союза разведанных запасов в то время не было. Для добычи ядерного топлива создали совместное с ГДР предприятие, которое для конспирации назвали "Висмут" — в честь нерадиоактивного металла.

Весь процесс контролировала Москва. Управление, технологии, обеспечение безопасности — советское, работали же там исключительно немцы. Добычу вели с 1947-го по 1990-й. За это время в СССР поставили 230 тысяч тонн урана. Через рудники прошло около полумиллиона немецких рабочих. Пять с половиной тысяч из них, по некоторым данным, заболели раком легких.

Конвейерные леса шахт 1 и 2

Хотя после объединения Германии власти потратили миллиарды долларов на устранение последствий опасного производства, полностью нивелировать вред окружающей среде не удалось. Так, на заброшенном месторождении Шлема-Альберода вода, просачиваясь из затопленных шахт через породу, выносит с собой растворенный уран. Его концентрация все еще в пять-десять раз превышает допустимые нормы, а очистка стоит огромных денег и требует десятилетий.

Ученые искали способ удешевить процесс — и, похоже, нашли. Обезопасить природу помогут микроорганизмы, живущие на большой глубине, в среде, где практически нет кислорода.

Необычная форма

Исследование провели микробиологи и экологи из Дрезденско-Россендорфского центра имени Гельмгольца (HZDR) в Германии и Университета Гранады в Испании. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

"В предыдущих исследованиях наша группа выяснила, что бактерии могут использовать растворенный в воде уран для метаболизма, если у них есть доступ к глицерину в качестве источника пищи", — объясняет микробиолог Эвелин Кравчик-Берш из HZDR.

Обычно воду чистят реагентами — уран переводят из растворимой формы (U??) в нерастворимую (U??), которая выпадает в осадок. Однако есть проблема: такой осадок нестабилен. Если в воду снова попадет кислород, уран может раствориться и вместе с жидкостью попасть в окружающую среду.

В новом исследовании биологи и химики поставили эксперимент: взяли воду из шахты с бактериями и добавили туда глицерин.

"Мы хотели создать естественные условия для уже существующего бактериального сообщества, поскольку на глубине примерно 2000 метров в шахте обычно мало кислорода или его совсем нет", — говорит микробиолог HZDR Антонио Ньюман-Портела.

Шахты около Роннебурга

Результат оказался неожиданным. Выяснилось, что уран восстанавливается не напрямую до U??, а через промежуточное пятивалентное состояние (U??). Раньше считалось, что эта форма слишком нестабильна и существует лишь доли секунды. Но с помощью мощных рентгеновских лазеров ученые увидели, что U?? образует собственные наночастицы (вместе с железом) и застывает в таком виде на месяцы.

Причина — в бактериях. Анализ ДНК показал, что в воде после добавления глицерина расцвела целая империя микробов. Сначала ферментативные бактерии (вроде Propionibacteriaceae) переработали глицерин в уксусную и молочную кислоту — и это стало едой для других. Затем в дело вступили другие микроорганизмы — так называемые сульфатредукторы (Desulfobulbus и Desulfovibrio). Они восстанавливали серу и железо, создавая мощную среду.

Именно в этом коктейле из бактериальных ферментов и химических реакций уран не просто выпал в осадок, а законсервировался в двух формах: классический уранинит U?? и стабильный "железо-урановый" минерал с U??.

Этот необычный пятивалентный уран оказался устойчив к кислороду. Когда исследователи специально открыли пробирки с осадком и подержали их на воздухе месяц, большая часть U?? не окислилась снова. Это означает, что микробиологическая очистка может давать долговременный результат. Вместо того чтобы бороться с радиоактивным веществом, ученые предлагают "законсервировать" его в этой промежуточной форме. Открытие дает надежду на то, что когда-нибудь дорогостоящие насосы на шахтах удастся выключить, оставив всю грязную работу бактериям.

"Хотя эти процессы были получены на основе одного геохимического сценария, они в целом применимы и к другим загрязненным водам", — заключают авторы.

На что способны микробы

Российские эксперты подтверждают: биологические методы очистки подобных объектов рентабельнее, чем обычные физико-химические.

"Осадок, полученный стандартной процедурой восстановления урана, неустойчив и требует расходов на безопасное захоронение. С биокомплексами урана таких проблем не будет, нужный вид бактерий легко культивировать в природных условиях. Кормить их, оказывается, можно отходами производства биотоплива из органических остатков", — поясняет ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Воропаев.

Однако микробы не справятся с радиоактивными отходами, которые образуются при переработке отработанного ядерного топлива: помимо урана, там много других элементов с высокой радиоактивностью.

"Для этого требуется атомный реактор, "пережигающий" радиоактивные отходы, — его создает "Росатом" в настоящее время. Но локализация опасных и токсичных оксидов урана из старых хвостохранилищ (сооружений для хранения радиоактивных отходов. — Прим. ред.), построение биогеохимических барьеров на их пути в природные воды — эта задача для бактерий вполне под силу. Думаю, надо развивать это направление в биотехнологии", — продолжает специалист.

Зона отчуждения Чернобыльской АЭС в Гомельской области

Работа международной группы ученых скорее фундаментальная, нежели прикладная, считает, в свою очередь, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии РАН Алексей Сафонов.

"Подобные комплексы — скорее экзотика, поэтому, на мой взгляд, не могут играть значимой роли в биотехнологии переработки урансодержащих отходов. Однако процесс микробного восстановления шестивалентного урана до диоксида четырехвалентного урана явно имеет перспективы в дальнейшем применении на практике. В первую очередь речь идет о создании биогеохимических барьеров на территориях, загрязненных ураном, при его добыче и переработке", — уточняет ученый в беседе с РИА Новости.

Он отмечает, что в России подобный подход был испытан на территории Сибирского химического комбината, а также Чепецкого механического завода — там вместо глицерина использовали отходы молочного производства: смесь сахара и молочной сыворотки.

Питаются радиацией?

Это не единственный пример того, как природа адаптируется к радиоактивному загрязнению, оставленному человеком. Так, ранее стало известно, что внутри разрушенной Чернобыльской АЭС процветает грибок Cladosporium sphaerospermum. Причем чем выше ионизирующее излучение, тем лучше себя чувствует микроорганизм.

В 2000-х ученые выдвинули теорию, что темный пигмент грибка — меланин — позволяет ему использовать ионизирующее излучение так же, как растения — свет для фотосинтеза. Предполагаемый механизм даже называют радиосинтезом. Впрочем, пока эта гипотеза относится к разряду спорных.

Более убедительная версия — особые защитные свойства меланина. В ходе исследования, опубликованного в 2022-м, C. sphaerospermum доставили в космос и прикрепили к внешней обшивке МКС, подвергнув его воздействию всей мощи космического излучения. Датчики, размещенные под чашкой Петри, показали, что через грибы проникало меньшее количество излучения, чем через контрольный образец, содержащий только пигмент агар. Впрочем, возможность радиосинтеза в этой работе не учитывалась.

Эти открытия показывают: жизнь — удивительно устойчивая штука, которая способна адаптироваться к самым сложным вызовам. Возможно, необычные организмы так или иначе "переварят" и ядерное наследие, оставленное человеком. Вопрос — сколько времени для этого понадобится, ведь эволюция никуда не спешит.