Verhalten vierwertigen Urans unter reduzierenden Bedingungen

Die Simulation von mikrobieller Reduktion von hexavalenten Uran zu schlecht löslichem tetravalenten Uran wird als in situ Strategie der Uran-Immobilisierung in kontaminierten Aquiferen untersucht. Der Erfolg einer solchen Strategie hängt davon ab, dass die U(IV) Phasen, die sich durch die mikrobielle Reduktion bilden, eine niedrige Löslichkeit haben. Aktuelle Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass die Reduktionsprodukte nicht nur aus schwerlöslichen kristallinen Mineralphasen, wie z.B. Uraninit bestehen, sondern auch als nicht-kristallines U(IV) an die Biomasse assoziiert sind. Die thermodynamischen Eigenschaften, sowie die Mechanismen und Raten für die Mobilisierung von an die Biomasse assoziierten U(IV) Spezies sind unbekannt. Experimentelle Befunde deuten jedoch an, dass sie mobiler als kristallines U sind und die Effektivität von biologischer Uransanierung beeinträchtigen könnten. Außerdem zeigt die Identifizierung von U(IV)-haltigen Kolloiden, welche aus organischer Materie und Eisen bestehen, an, dass organische Liganden für die Mobilisierung von U(IV) bedeutend sind. Schließlich haben frühere Untersuchungen gezeigt, dass biogene Liganden auch das Auflösen von kristallinem Uraninit fördern oder beschleunigen können und wir vermuten, dass sie auch die Mobilisierung von Nicht-kristallinen U unterstützen. In diesem Zusammenhang strebt die beantragte Studie an, die Mechanismen und die Kinetik der Mobilisierung von nicht-kristallinem U(IV) durch biogene Liganden und reduzierte Huminstoffe zu erforschen und mit denen von Uraninit zu vergleichen. Wir werden außerdem den Einfluss von Liganden auf die potentielle Umwandlung von nicht-kristallinem U(IV) in kristallines U(IV) testen, was vermutlich die Stabilität von U(IV) beeinflusst. Als potentielles Werkzeug zur Identifikation dieser Prozesse in komplexen natürlichen Systemen erforschen wir die U Isotopenfraktionierung als Proxy für die Mechanismen der U Reduktion, der Mobilisierung von Nicht-kristallinem U, z.B durch Komplexierung mit organischen Liganden, sowie bei der potentiellen Transformation von Nicht- kristallinen zu kristallinem U. Die Quantifizierung der U Isotopenfraktionierung könnte auch zur Identifikation der Mechanismen der Uranreduktion und Phasenumwandlung auf molekularer Ebene beitragen. Schließlich werden wir quantitative reactive transport Modelle einschließlich der thermodynamischen und kinetischen Prozesse entwickeln, die gegen Säulenexperimente getestet werden, um damit die Komplexität von Uranreduktion und Mobilisierung im Feldmaßstab abzuschätzen. Die Ergebnisse dieser Studie werden neue Einblicke in die Prozesse liefern, die zur Mobilität tetravalenten Urans in U-kontaminierten Gebieten, wie z.B. in Uranabbaugebieten oder durch Waffenuran in Böden, führen. Außerdem erwarten wir, dass sie wichtige Informationen für die Entwicklung von nachhaltigen Sanierungsstrategien liefern werden.

In der vorliegenden Studie wurde die Mobilisierung von Uran in Grundwasser durch Substanzen untersucht, die Uran binden und in Lösung bringen können - sogenannte organische Liganden. Die Studie liefert grundlegende Informationen für die Charakterisierung und Sanierung kontaminierter Standorte. Aufgrund der chemischen und radiologischen Toxizität des Urans sind Urankontaminationen in Grundwässern problematisch. Eine bekannte biologische Sanierungsmaßnahme ist die Immobilisierung des Urans durch Zugaben leicht abbaubarer und nicht-giftiger organischer Substanz (z. B. Glukose), die die mikrobielle Reduktion und Ausfällung des Urans ermöglicht. Es wird davon ausgegangen, dass das so stabilisierte Uran unlöslich bleibt, jedenfalls so lange kein Sauerstoff in das System eindringt und zu einer Änderung der Redoxbedingungen führt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Frage gestellt, ob es in biologisch-sanierten Grundwasserleitern durch die Anwesenheit organischer Liganden zu einer teilweisen Mobilisierung des Urans kommen kann, trotz dauerhafter Abwesenheit von Sauerstoff. Solche Liganden können natürlichen Ursprungs oder synthetisch hergestellt worden sein. Beispiele sind Zitronensäure aus biologischen Prozessen in Böden oder aus Nahrungs- oder Reinigungsmitteln, der synthetische Ligand N,N'-di(2-hydroxybenzyl)ethylene-diamine-N,N'-diacetic acid (HBED), der in landwirtschaftlich genutzten Düngemitteln enthalten sein kann, oder natürliche Humin- und Fulvosäuren aus der Bodenbildung. Es konnte gezeigt werden, dass biologisch ausgefälltes Uran tatsächlich durch organische Liganden signifikant mobilisiert werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Bindungsform des gefällten Urans und von den Eigenschaften der Liganden. Es zeigte sich, dass die Auflösung kristalliner Uranoxide langsamer abläuft und zu niedrigeren Konzentrationen in Lösung führt als die Mobilisierung von Uran, das an zellulärer Substanz gebunden ist. Humin- und Fulvosäuren führten zu ähnlicher Mobilisierung wie andere natürliche oder synthetische Liganden. Diese Prozesse werden allerdings von der Tendenz organischer Liganden beeinflusst, auch andere Metalle konkurrenzierend zu binden. So wird die Uranmobilisierung geringer, wenn Eisen, Kalzium, Zink oder Aluminium um Bindungsplätze an den organischen Liganden bzw. an den Humin- und Fulvosäuren, mit dem Uran konkurrenzieren. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass organische Liganden zur re-mobilisierung von Uran unter reduzierenden Bedingungen, die z. B. in biologischen Sanierungsmassnahmen genutzt werden, führen können.