Водорості перспективні для очищення радіаційно забруднених матеріалів

Claude Nuridsany & Marie Perennou
/Science Photo Library

Здатність мікроорганізмів розрізняти стронцій від кальцію може допомогти у вирішенні певних проблем радіоактивних відходів.

29 березня 2011 року на засіданні Американського хімічного товариства в Анахаймі, штат Каліфорнія вчені заявили, що звичайні прісноводні водорості можуть зіграти ключову роль в дезактивації радіаційно забруднених матеріалів після такого лиха як ядерна аварія на АЕС Фукусіма в Японії.

Водорості, звані Closterium moniliferum, належать до одноклітинних прісноводних зелених водоростей і добре відомі мікробіологам за їх характерну місяцеподібну форму, каже Мінна Крейчі (Minna Krejci), вчений з Північно-Західного університету в Еванстоні (Evanston), штат Іллінойс, США. Але не форма півмісяця C. moniliferum затримала погляд Крейчі, а через свою незвичайну здатність видаляти стронцій з води, депонуючи його в кристали, які утворюються в субклітинних структурах, відомих як вакуолі - ця властивість може включати також радіоактивний ізотоп стронцій-90.

Стронцій дуже близький за своїми властивостями і атомним розміром до кальцію, так що біологічні процеси не можуть легко розділити ці два елементи. Це робить стронцій-90 особливо небезпечним ізотопом: він може проникнути у молоко, кістки, кістковий мозок, кров та інші тканини, де випромінення, що він випускає, в кінцевому результаті може викликати рак.

"Ось що робить стронцій-90 одним з домінуючих факторів ризику для здоров'я від відпрацьованого палива для перших 100 або близько того років після його виходу з реактора", говорить Крейчі. Радіоізотоп має період напіврозпаду близько 30 років.

На жаль, відходи з реактору і аварійні скиди можуть містити до десяти мільярдів разів більше кальцію, ніж стронцію, що робить дуже важким очистку від стронцію, без того щоб не накопичити гору нешкідливого кальцію. "Нам потрібні високоефективні і селективні методи його виділення", говорить Крейчі.

Організм C. moniliferum не має особливого інтересу до стронцію: в основному він збирає барій. Але стронцій на півдорозі між кальцієм і барієм за розміром і властивостями, тому будь-що, що трапляється між ними, кристалізується також. Тим часом, незважаючи на те кальцію набагато більше, ніж будь-чого з двох інших елементів, він відрізняється достатньо від барію.

В результаті отримуємо кристал, що в основному складається з барію, але сильно збагаченого стронцієм.

Як вони це роблять?

Велика частина досліджень Крейчі до цих пір була зосереджена на тому, щоб відпрацювати як водорості створюють кристали, пам'ятаючи, щоб зробити цей процес ще більше стронцій-селективним. На даний момент, вона знає, що організм водорості нецілеспрямовано добирає надлишок барію і стронцію через стінки своєї клітини. Скоріше кристали з'являються, тому що вакуолі, в яких вони збираються багаті на сульфат. Барій і стронцій мають відносно низьку розчинність у розчині сульфату, тому барій і стронцій, які потрапляють у ці вакуолі легко кристалізуються.

Мікробіологи не знають, чи мають ці кристали будь-які функції в організмі. Можливо, вони є просто відходами життєдіяльності, утворюючись випадково у вакуолях, які служать у якості депо для сульфатів.

Чому б не слугували кристали, дослідження Крейчі має виявити, чи можна посилити поглинання стронцію, додаючи певну кількість барію в середовище водоростей. Це, за її словами, означає, що вона може виявитися можливим додавати у радіоактивні відходи, або радіоактивно забруднені плями, барій для того, щоб заохочувати водорості до захоплювати стронцій - це легко зробити, говорить вона, тому що це буде лише невелика кількість барію.

Також це може поліпшити процес за допомогою рівнів сульфатів у навколишньому середовищі, змінюючи цим кількість сульфату в вакуолі. "Як тільки ми дізнаємося про те, як клітини реагують на умови, ми можемо думати про більш елегантний спосіб маніпулювати ними", говорить Крейчі.

Після виділення на водорості, стронцій може бути ізольований у сховищі для високоактивних радіоактивних відходів, у той час як інші відходи могли б бути розміщені в менш дорогі нижчого рівня сховища, економлячи і місце і гроші. В даний час Крейчі каже, Є сотні мільйонів літрів ядерних відходів в одних лише Сполучених Штатах, велика частина яких містить стронцій. "Таким чином, ми знаємо, що це велика проблема", говорить вона.

Радіаційне опромінення

Крейчі і її колеги ще не перевірили, наскільки добре водорості виживатимуть в присутності радіоактивності. Але навіть якщо організми будуть реагувати погано, каже вона, вони, ймовірно, витриватимуть достатньо довго, щоб почати видалення стронцію, тому що процес починається швидко. "Клітини висаджають кристали протягом від 30 хвилин до години", говорить вона. І якщо їх потрібно більше, вони просто культивуються".

Гія Геме (Gija Geme), хімік з Університету Центрального Міссурі у Варенсбурзі (Warrensburg), організувала симпозіум, на якому Крейчі представила свою роботу. Гія, яка виросла в області Росії, недалеко від Чорнобиля і має особисту зацікавленість в ядерній очищенню, була одним з небагатьох людей на зустрічі, хто уявляла значення презентації Крейчі заздалегідь: це при тому, що назва доповіді була присвячена біомінералізаціі, не було згадки про Японію, радіоактивність і або ядерні аварії.

«Це актуальна тема на сьогодні", каже Геме. "Але коли я почала організацію цього симпозіуму, ще не було жодної трагедії [в Японії]. Я шукала будь-які дослідження про перехопленню металів, які мали б значення для суспільства."

Geme закликає команду Крейчі не витрачати занадто багато часу, намагаючись виявити саме чому водорості роблять те, що вони роблять, і вже почати тестування процесу з радіоактивними матеріалами.

Джерела:

http://www.nature.com/news/2011/110330/full/news.2011.195.html

Посилання на оригінальну роботу:
Krejci, M. R., Finney, L., Vogt, S. & Joester, D. ChemSusChem doi:10.1002/cssc.201000448 (2011).