Studie bestätigt, dass Nitrat Uran ins Grundwasser ziehen kann

Jul 13, 2023

22. März 2023 · 5 Minuten Lesezeit

Vor acht Jahren waren die Daten fundiert, aber nur suggestiv, die Beweise stark, aber indizienhaft.

Jetzt haben Karrie Weber und Kollegen von der University of Nebraska-Lincoln experimentell bestätigt, dass Nitrat, eine in Düngemitteln und tierischen Abfällen häufig vorkommende Verbindung, dabei helfen kann, natürlich vorkommendes Uran aus dem Untergrund ins Grundwasser zu transportieren.

Die neue Forschung stützt eine von Weber durchgeführte Studie aus dem Jahr 2015, die zeigt, dass Grundwasserleiter, die mit hohem Nitratgehalt kontaminiert sind – einschließlich des High Plains Aquifer unterhalb von Nebraska – Urankonzentrationen enthalten, die weit über einem von der Environmental Protection Agency festgelegten Grenzwert liegen. Es hat sich gezeigt, dass Urankonzentrationen oberhalb des EPA-Grenzwerts beim Menschen zu Nierenschäden führen, insbesondere bei regelmäßiger Aufnahme über das Trinkwasser.

„Die meisten Nebraskaner sind auf Grundwasser als Trinkwasser angewiesen“, sagte Weber, außerordentlicher Professor an der School of Biological Sciences und der Abteilung für Erd- und Atmosphärenwissenschaften. „In Lincoln sind wir darauf angewiesen. Viele ländliche Gemeinden sind auf Grundwasser angewiesen.“

„Wenn man also hohe Konzentrationen (von Uran) hat, wird das zu einem potenziellen Problem.“

Untersuchungen hatten bereits ergeben, dass gelöster anorganischer Kohlenstoff chemisch Spuren von Uran aus unterirdischen Sedimenten lösen und diese letztlich für den Transport ins Grundwasser vorbereiten kann. Aber die Studie aus dem Jahr 2015, in der festgestellt wurde, dass bestimmte Gebiete des High Plains Aquifer Uranwerte bis zum 89-fachen des EPA-Grenzwerts enthielten, hatte Weber davon überzeugt, dass auch Nitrat dazu beitrug.

Also machte sich Weber mit Hilfe von 12 Kollegen daran, die Hypothese zu testen. Dazu entnahm das Team zwei zylindrische Sedimentkerne – jeder etwa 5 cm breit und 18 m tief – aus einer Grundwasserleiterstelle in der Nähe von Alda, Nebraska. Die Forscher wussten, dass dieser Standort nicht nur natürliche Spuren von Uran enthält, sondern auch dafür sorgt, dass Grundwasser nach Osten in den angrenzenden Platte River fließt.

Ihr Ziel? Stellen Sie diesen Fluss in den Sedimentproben nach und bestimmen Sie dann, ob die Zugabe von etwas Nitrat zum Wasser die Menge an mitgerissenem Uran erhöhen würde.

„Wir wollten unter anderem sicherstellen, dass wir den Zustand des Urans, der Sedimente oder der (mikrobiellen) Gemeinschaft nicht veränderten, als wir die Proben sammelten“, sagte Weber. „Wir haben alles getan, um die natürlichen Bedingungen zu erhalten.“

„Alles“ bedeutete, die extrahierten Kerne sofort zu verschließen und mit Wachs zu versiegeln, sie in luftdichte Röhren zu schieben, diese Röhren mit Argongas zu spülen, um jeglichen Sauerstoff zu vertreiben, und sie auf Eis zu legen. Zurück im Labor würden Weber und Kollegen schließlich 15-Zoll-Segmente von jedem der beiden Kerne entfernen. Diese Segmente bestanden aus Sand und Schlick, die relativ viel Uran enthielten.

Später füllte das Team mehrere Säulen mit diesem Schlick, bevor es simuliertes Grundwasser mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit durchpumpte, mit der es unter der Erde geflossen wäre. In einigen Fällen enthielt dieses Wasser keine Extras. In anderen Fällen fügten die Forscher Nitrat hinzu. In wieder anderen Fällen fügten sie sowohl Nitrat als auch einen Inhibitor hinzu, der die biochemische Aktivität der im Sediment lebenden Mikroorganismen stoppen sollte.

Das Wasser, das Nitrat enthielt, dem jedoch der mikrobielle Hemmstoff fehlte, schaffte es, etwa 85 % des Urans abzutransportieren – verglichen mit nur 55 % bei Wasser ohne Nitrat und 60 % bei Nitrat plus Hemmstoff. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl das Nitrat als auch die Mikroben an der weiteren Mobilisierung des Urans beteiligt sind.

Sie unterstützten auch die Hypothese, dass eine Reihe biochemischer Ereignisse, ausgelöst durch die Mikroben, das ansonsten feste Uran in eine Form umwandelte, die leicht in Wasser gelöst werden konnte. Erstens geben im Sediment lebende Bakterien Elektronen an das Nitrat ab und katalysieren so dessen Umwandlung in eine Verbindung namens Nitrit. Dieses Nitrit oxidiert dann das benachbarte Uran – entzieht ihm Elektronen – und verwandelt es schließlich von einem festen Mineral in ein wässriges Mineral, das bereit ist, auf dem Rinnsal des Wassers zu surfen, das durch den Schlick sickert.

Nach der Analyse der in seinen Sedimentproben vorhandenen DNA-Sequenzen identifizierte das Team mehrere Mikrobenarten, die Nitrat zu Nitrit umwandeln können. Obwohl bekannt ist, dass sich diese uranmobilisierende Biochemie in stark kontaminierten Gebieten abspielt – Uranminen, Standorte, an denen Atommüll verarbeitet wird –, sagte Weber, die neue Studie sei die erste, die belege, dass der gleiche Mobilisierungsprozess auch in natürlichen Sedimenten stattfindet.

„Als wir dieses Projekt zum ersten Mal finanziert bekamen und darüber nachdachten, handelte es sich um eine Primärverunreinigung, die zu einer Sekundärverunreinigung führte“, sagte sie über Nitrat und Uran. „Diese Forschung bestätigt, dass das passieren kann.“

Dennoch, wie Weber sagte: „Nitrat ist nicht immer eine schlechte Sache.“ Sowohl ihre frühere Forschung als auch einige zukünftige Studien legen nahe, dass Nitrat Uran nur dann mobilisiert, wenn sich die Verbindung ihrem eigenen EPA-Schwellenwert von 10 Teilen pro Million nähert.

„Wenn wir darüber nachdenken, was wir zuvor veröffentlicht haben, deuten diese Daten darauf hin, dass es einen Wendepunkt gibt. Das Wichtigste“, sagte sie, „ist, nicht zu viel zu haben.“

Das Team berichtete über seine Ergebnisse in der Zeitschrift Environmental Science & Technology. Weber verfasste die Studie zusammen mit Jeff Westrop, Pooja Yadav, Alicia Chan, Anthony Kohtz, Olivia Healy, Daniel Snow, PJ Nolan und Donald Pan aus Nebraska; Kate Campbell vom US Geological Survey; Rajesh Singh vom indischen National Institute of Hydrology; zusammen mit Sharon Bone und John Bargar vom SLAC National Accelerator Laboratory.