Uranium en Diatomeën: Impact op de Voedselketen

Uranium komt voor in mineralen in de bodem, lost op in mijnwater en belandt samen met fosfaatmeststoffen op de velden. In Duitsland is het zware metaal uranium vooral aanwezig in Saksen en Thüringen, maar ook in Zuid-Duitsland.

In een recente studie hebben experts van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en het CNRS verduidelijkt hoe uranium chemisch interacteert met diatomeën. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports. Aangezien algen het startpunt kunnen zijn voor de accumulatie van schadelijke stoffen in de voedselketen, helpen de resultaten beter te begrijpen wat de impact is van de vrijgave van uranium op natuurlijke cycli.

“Natuurlijk uranium heeft een lange halveringstijd en is daardoor niet alleen radiotoxisch, maar ook chemotoxisch,” zegt chemicus Dr. Susanne Sachs van het Instituut voor Hulpbronnenecologie bij HZDR. “De mate waarin uranium door organismen kan worden opgenomen, hangt af van de chemische vorm: wanneer het opgelost is, kunnen bacteriën, planten, dieren en mensen het gemakkelijker opnemen dan wanneer dat niet het geval is.”

Het is al geruime tijd bekend dat uranium kan worden doorgegeven in de voedselketen. Tot nu toe zijn er echter geen fundamentele inzichten in hoe deze processen precies werken en wat de gevolgen zijn voor mensen en het milieu. “Zijn er bijvoorbeeld gewassen die meer uranium accumuleren dan andere, en vormen zij dan een bijzonder hoog risico?” vraagt microbioloog Dr. Johannes Raff. “Hierover weten we nog veel te weinig. Daarom proberen we bij HZDR te begrijpen hoe uranium zich gedraagt in het milieu en hoe het interactie heeft met verschillende organismen.”

Recentelijk heeft een doctoraalscriptie, begeleid door de wetenschappers in samenwerking met onderzoekers van het Subatech-laboratorium bij het Franse Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), nieuwe kennis onthuld. Om te verkennen hoe hexavalent uranium chemisch interacteert met de zoetwaterdiatomee Achnanthidium saprophilum, voerde een Franse promovendus een reeks experimenten uit bij HZDR. Een grote uitdaging was dat deze algen in de natuur geassocieerd zijn met verschillende bacteriesoorten. Potentieel interageren beide levensvormen gelijktijdig met uranium wanneer het in een waterlichaam komt.

Uranium Gebonden aan de Algen

“De eerste vraag die beantwoord moest worden, was of uranium alleen extern aan de algen gebonden is of ook in de algen doordringt. We wilden ook ontdekken welke chemische bindingen worden gevormd en de onderliggende processen op moleculair niveau begrijpen,” legt Sachs uit. Aanvankelijk kweekten de onderzoekers de algen in een kweekmedium en verplaatsten ze vervolgens naar een oplossing verrijkt met uranium.

“Op bepaalde intervallen—varierend van enkele uren tot weken—verwijderde onze promovendus de algen weer uit de oplossing en meet hoeveel uranium in de oplossing achterbleef,” zegt Sachs. “Zo konden we zien hoeveel zwaar metaal de algen in totaal hadden opgenomen en of de opname in de loop van de tijd was veranderd.”

Het team bereidde vervolgens diatomee monsters voor om deze te bestuderen met behulp van elektronenmicroscopie en röntgenspectroscopie. Ze wilden ontdekken waar precies het uranium zich had opgehoopt.

Rol van Carboxylgroepen

“Hier konden we observeren dat uranium daadwerkelijk interactie heeft met de algen. Het komt zowel op het oppervlak als binnenin de algen voor—op de plekken waar fosforverbindingen aanwezig zijn,” rapporteert Sachs. Wat betreft de interactie van uranium met fosforhoudende functionele groepen op het oppervlak van de algen, was aanvankelijk onduidelijk op welke substructuren het uranium zich had gehecht.

Raff legt uit: “De eenheden van fosfaat waaraan het uranium is gebonden, kunnen deel uitmaken van een suiker, een eiwit of zelfs een anorganische stof op het oppervlak van de algen. We kunnen niet met zekerheid zeggen hoe stabiel deze verbindingen zijn.” Met behulp van fluorescentiespectroscopie controleerden de onderzoekers of er in de loop van de tijd verschillende chemische bindingen werden aangemaakt. En inderdaad, hun analyses gaven aan dat er twee verschillende uraniumsoorten aanwezig waren in de monsters, waarvan de verhoudingen in de loop van de tijd veranderden. Het team vermoedde dat uranium aanvankelijk voornamelijk aan het oppervlak van de algen bindt.

Na verloop van tijd dringt het steeds meer door in het interieur van de algen waar een tweede type binding wordt gevormd. Infraroodspectroscopietests onthulden dat het uranium enerzijds was gebonden via zogenaamde carboxylerende functionele groepen, dat zijn molecuuldelen die zuurstof bevatten en gemakkelijk binden met metalen, en anderzijds via fosfaathoudende groepen.

Langetermijnperspectief op Bedreigingen voor Ecosystemen

“Onze studie toont aan dat diatomeën niet alleen in staat zijn om uranium te binden, maar het ook in het celinterieur op te nemen,” vat Sachs samen. “Bovendien hebben we enkele eerste inzichten verworven in de chemische bindingen die worden gevormd.” Het is echter nog onzeker in hoeverre de bijbehorende bacteriën hebben bijgedragen aan de binding—en of de chemische bindingen in de loop van de tijd significant zouden veranderen. Om dit te ontdekken, zouden de algenmonsters die in contact waren met uranium gedurende een langere periode—bijvoorbeeld zes maanden of een heel jaar—regelmatig getest moeten worden.

“Het zou belangrijk zijn om te kunnen differentiëren zodat effecten niet worden overschat of onderschat.” Naast andere fytoplankton zijn diatomeën de eerste schakel in de voedselketen die de basis vormen voor het voeden van hogere organismen zoals copepoden, die op hun beurt voedsel zijn voor vissen.

Op dit punt worden de algen de toegangspoort voor uranium: als het in water komt, rijst de vraag in hoeverre het zware metaal aan andere soorten wordt doorgegeven via diatomeën en zich ophoopt in de voedselketen—bijvoorbeeld in vissen, vogels en amfibieën. De onderzoekers hopen in vervolgexperimenten meer kennis hierover te verwerven. Kennis van deze aard zou niet alleen relevant zijn in de context van de nalatenschap van uraniumertswinning of de langetermijnveiligheid van eindopslagplaatsen.

“Volgens het Federaal Agrarisch Onderzoekscentrum wordt elk jaar 167 ton uranium samen met fosfaatmeststoffen op velden in Duitsland gedeponeerd,” zegt Raff. “En zeldzame aardmetalen en andere nuttige metalen zijn vaak geassocieerd met radionucliden. Er is een risico dat deze gevaarlijke stoffen in het ecosysteem komen en schade aanrichten. Dit kan worden verminderd door zorgvuldige acties, passende risico-evaluaties en beschermende maatregelen.”