Mikrobielle Lösungen für die biologische Sanierung radioaktiver Abfälle

Über Radioaktivität und ihre möglichen Gefahren haben wir im letzten Artikel mit dem Titel Radioaktive Verschmutzung: eine nie endende Gefahr.

Wir erfuhren auch etwas über das Bakterium Deinococcus radiodurans und seine Fähigkeit, hochintensive Strahlung zu überleben, die ansonsten für alle Lebensformen tödlich ist.

In diesem Artikel werden die Anwendungen des Stammes bei der biologischen Sanierung radioaktiver Abfälle sowie an Standorten beschrieben.

Im Jahr 1956 stellte sich heraus, dass eine Dose Fleisch, die mit hohen Dosen Röntgenstrahlen sterilisiert worden war, verdorben war.

Bei der Kultivierung stellte sich heraus, dass es sich bei dem Schadstoff um ein rot pigmentiertes Bakterium handelte, das den Namen Deinococcus radiodurans erhielt.

Dies ist derzeit die strahlenresistenteste Lebensform, die auf der Erde bekannt ist.

Es verfügt über eine enorme Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Strahlendosen und wird daher für eine vom US-Energieministerium (DOE) finanzierte Initiative zur Beseitigung radioaktiver Abfälle eingesetzt.

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Da D. radiodurans nicht über die Fähigkeit verfügt, toxische Verbindungen abzubauen, die aus radioaktiven Quellen ausgewaschen werden, können gentechnisch veränderte Varianten der Stämme diese Funktion übernehmen.

In diesen Stamm könnten problemlos abbauende Gene von Pseudomonas eingebracht werden, was ihn bei der Bioremediation robuster machen würde.

Nachfolgend sind die Mechanismen aufgeführt, mit denen Mikroben bei der Sanierung solcher radioaktiver Abfälle eingesetzt werden können:

• Indirekte enzymatische Reduktion von Radionukliden: Bei diesem Prozess reduzieren Bakterien die in der Umgebung vorhandenen Metalle und die entstehenden Nebenprodukte helfen bei der chemischen Reduktion der Radionuklide.
• Direkte enzymatische Reduktion von Radionukliden: Lösliche Radionuklide werden durch die Wirkung von Reduktasen und Hydrogenasen (zwei verschiedenen Enzymklassen) in unlösliche Niederschläge umgewandelt. Dies trägt dazu bei, die Kontamination von Wasser und anderen Quellen zu verhindern.
• Biomineralisation von Radionukliden: Chelatbildner, die zur Ausfällung von Atommüll verwendet werden, werden von einigen Bakterien auf natürliche Weise gebildet. Citrobacter ist bekannt dafür, Zitronensäure zu produzieren, die als Chelatbildner bei der Dekontamination von Atommüll wirkt.
• Genetisch veränderte Mikroorganismen: Durch Genmodifikationen werden rekombinante Stämme mit herausragender Fähigkeit zum Abbau von Umweltschadstoffen geschaffen. Diese Stämme sind in der Lage, unter gefährlichen Bedingungen und an Bioremediate-Standorten zu überleben.
• Biosorption und Bioakkumulation: Positiv geladene Metalle und Radionuklide werden von negativ geladenen Oberflächenrezeptoren und Zellorganellen der Bakterien angezogen. Die gebundenen Radionuklide werden durch Schleim, Kapseln und EPS, die von den Mikroorganismen produziert werden, ausgefällt.
• Biostimulation: In stark mit Schwermetallen und Radionukliden belasteten Gebieten beschleunigt die Einführung synergistisch wirkender Mikroben den Sanierungsprozess. Ebenso steigert die Einführung vielfältiger Mikroflora im System die Kapazität der Mikroben durch natürliche Transformation und trägt so zur Akklimatisierung des Sanierungsgebiets bei.

Da die oben genannten Techniken zur Sanierung nützlich sind, können durch die Kombination mehrerer Techniken neue Technologien entwickelt werden. Das US-Energieministerium hat bereits rekombinante Stämme von D. radiodurans an nuklear kontaminierten Standorten eingesetzt und positive Ergebnisse erzielt.

Und schließlich wird die Nutzung dieser mikroskopisch kleinen Lebewesen ein Segen für die Rückgewinnung der Umwelt sein.

Quellen:

• http://large.stanford.edu/courses/2016/ph241/chang2/
• K. Pollmann et al., „Metallbindung durch Bakterien aus Uranbergbau-Abfallhalden und ihre technologischen Anwendungen“, Biotechnol. Adv. 24, 58 (2006).
• SK Kazy, SFDSouza und P. Sar, „Uran- und Thorium-Sequestrierung durch eine Pseudomonas-Art: Mechanismus und chemische Charakterisierung“, J. Hazard. Mater. 163, 65 (2009).
• EJP Phillips, ER Landa und DR Lovley, „Sanierung von mit Uran kontaminierten Böden durch Bikarbonatextraktion und eikrobielle U(VI)-Reduktion“, J. Ind. Microbiol. 14, 203 (1995).
• H. Brim et al., „Engineering Deinococcus radiodurans für die Metallsanierung in Umgebungen mit radioaktiven Mischabfällen“, Nat. Biotechnol. 18, 85 (2000).