В отвалах австралийского рудника нашли наночастицы урана

Подробно

Что именно нашли в отвалах рудника Mount Painter?

Учёные из Университета Монаш, CSIRO, Университета Граца и Австралийской организации ядерной науки и технологий изучили старые полиметаллические отвалы Number 6 Workings в Северных хребтах Флиндерс (Южная Австралия). Руду здесь с перерывами добывали ради радия, продукта распада урана, с открытия месторождения в 1910 году до 1930-х годов. Главные рудные минералы - торбернит и метаторбернит, содержащие уран, и монацит-(Ce) с редкоземельными элементами. По словам авторов, из-за примитивного сухого обогащения в отходах осталось много торбернита, а сами отходы более 80 лет выветривались естественным путём.

Уран-содержащие наночастицы нашли во всех образцах, связанных с урановой рудой, и не нашли в фоновом образце с соседнего хребта. Их концентрация составила от 13 млн до 390 млн извлекаемых частиц на килограмм грунта. Расчётный размер частиц - 50-110 нанометров, но авторы просят относиться к этой оценке осторожно: прибор не мог одновременно определить уран и фосфор, и точный минеральный состав частиц неизвестен.

Как проводили исследование и на чём основаны выводы?

Пробы брали в трёх точках отвалов (MP1, MP3, MP4) на глубинах 0-10, 10-20, 20-30 и 30-50 см. Фоновый образец взяли на соседнем хребте, ещё два образца получили под землёй, примерно в 90 м от входа в выработку. Из каждого материала извлекли частицы раствором пирофосфата натрия и проанализировали методом масс-спектрометрии отдельных частиц (SP ICP-TOFMS). Он позволяет одновременно определять несколько металлов в одной частице. Микробные сообщества описали секвенированием участка V3-V4 гена 16S rRNA.

Главные результаты:

• в точках MP1 и MP4 больше всего частиц было в верхних 10 см, а в MP3 повышенное содержание сохранялось в верхних 30 см;
• в MP4 число частиц упало с 394 млн на килограмм в слое 0-10 см до 7,1 млн на глубине 30-50 см, то есть на 98%;
• в поверхностном слое MP4 58% частиц были составными: уран сочетался с другими элементами, часто с редкоземельными. В нижних 30 см этого профиля составных частиц не зарегистрировали;
• число частиц не повторяло общее содержание урана: в поверхностном MP1 было 8173 ppm урана, а в MP4 и подземном образце N0-6A - менее 600 ppm, но частиц там было среди наибольшего.

Какую роль в этом играют микробы?

В профиле MP4 разнообразие микробов (индекс Шеннона) совпадало с массой частиц (коэффициент корреляции около 0,96) и их числом (около 0,92). В поверхностном слое MP4 примерно 52% сообщества составляли Proteobacteria, около 20% - Firmicutes и около 10% - Actinobacteriota. Авторы связывают такие группы с возможным выделением органических кислот и других веществ, способных воздействовать на фосфатные минералы.

Проверили и способность местных микробов взаимодействовать с ураном. Консорциум из поверхностного образца MP4 на 24 часа поместили в раствор с 500 ppm растворённого U(VI) и сравнили с контролями. На клетках появились пластинчатые нано- и микрокристаллы с ураном и фосфором, в контролях осадка не было.

Это корреляция, а не доказательство причины: данные получены по одному вертикальному профилю, и одна из точек (20-30 см) выбивалась из зависимости. Лабораторный опыт начинался с растворённого урана, а не с торбернита или монацита, и не воспроизводил условия отвала. Авторы в статье пишут осторожно: в местах с наиболее сложными составными частицами было лишь указание, что это могло быть результатом более высокого микробного разнообразия.

Пресс-релиз Университета Монаш звучит категоричнее. Профессор Джоэль Бруггер заявил: «Мы традиционно предполагали, что эти токсичные металлы надёжно заперты природой в подобных засушливых условиях, но эти крошечные организмы показывают, что мы ошибались». По его словам, микробы «по сути действуют как микроскопические фабрики, разрушая стабильные минералы и мобилизуя такие элементы, как уран, в окружающую экосистему». Это интерпретация автора исследования, а не результат прямого наблюдения за переносом в природе.

Могут ли частицы попасть за пределы отвала?

Авторы считают наночастицы потенциально более подвижной формой металлов, чем исходные крупные минералы. Более мелкие частицы нашлись глубже, и это, по мнению учёных, может говорить об их большей подвижности. Средняя норма осадков в районе - около 250 мм в год, редкие сильные дожди и паводки рассматриваются как возможный механизм переноса. Но в самой работе перенос частиц дождевой водой или ветром не измеряли, а загрязнение воды и почвы за пределами отвала не проверяли.

Данные не позволяют утверждать, что микробы вынесли уран на поверхность: частиц у поверхности больше и они сложнее, но направление и механизм их перемещения остаются гипотезой.

Первый автор статьи, доктор Сантону Саньял (CSIRO), заявил: «Точное понимание того, как местные микробы взаимодействуют с отходами, совершенно необходимо, если мы хотим предотвратить незаметное долгосрочное загрязнение окружающей среды и создать устойчивую шахту будущего».

Что известно из предыдущих работ и что исследователи собираются изучать дальше?

Та же группа в марте 2024 года опубликовала работу о микробных сообществах этих отвалов. Там преобладали Actinobacteria, а лабораторный консорциум осаждал растворённый уранил в виде уранил-фосфатного минерала черниковита. Новая статья продолжает эту линию: добавлены анализ отдельных наночастиц и профиль по глубине.

Среди ограничений авторы называют корреляционный характер полевой части, возможную потерю части частиц при фильтрации, учёт только частиц выше предела обнаружения и невозможность одновременно определить уран и фосфор. Они предлагают изучить конкретные микробы и биохимические пути превращения урана и редкоземельных элементов, стабилизацию частиц, управление их подвижностью и возможное извлечение критических элементов.