Microorganismo de la cepa TmmRV cargado de uranio. Foto: Baselga-Cervera et al.
Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid y del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), han mejorado genéticamente unos microorganismos y conseguido que capturen y enriquezcan uranio, tanto en agua dulce como de mar, toda una proeza tecnológica de gran valor para la industria nuclear. Los resultados se publican hoy en la revista Scientific Reports.
Estos investigadores, Beatriz Baselga-Cervera, Camino García-Balboa, Victoria López-Rodas, Marta Fernández Díaz y Eduardo Costas, primero trabajaron con una comunidad microbiana, compuesta en su mayoría por microalgas y microbacterias, que habían mutado después de que la mina de uranio de Saelices, en Salamanca, contaminara las aguas que representaban su hábitat y convirtieran a estos microorganismos en resistentes al uranio.
La mejora genética de estos microorganismos les permitió obtener la cepa microalgal ChISG, que es capaz de capturar uranio mediante dos procesos diferentes.
En primer lugar por un proceso de bio-adsorción, a través del cual “pegan” el uranio a su pared celular. Se trata de un procedimiento que depende exclusivamente de procesos fisicoquímicos y que funciona incluso con microorganismos muertos, por lo que podría emplearse para descontaminar lugares contaminados por residuos de alta actividad (con elevada radiación).
En segundo lugar, esta cepa captura uranio del entorno mediante un proceso de bio-acumulación, a través del cual incorporan uranio a su interior dependiendo de procesos enzimáticos. Esto implica que el microorganismo esté vivo.
Las cantidades de uranio y otros radioisótopos que se capturan por estos procesos son muy elevadas (7.9 mg de uranio por cada g de microalgas).
Como resulta muy fácil cultivar grandes cantidades de estas microalgas (duplican su población en 48 horas) y puede conseguirse que después de capturar el uranio se agrupen formando masas para separarlas del agua (floculación), su interés en procesos de bio-remediación y captura de uranio disuelto para limpieza de aguas mineras y vertidos tóxicos resulta evidente, explica a Tendencias21 Eduardo Costas, autor principal de esta investigación.
Añade sin embargo que el mayor interés está en el proceso de bio-acumulación enzimática que emplea esta cepa mejorada genéticamente para capturar uranio.
Este proceso de bio-acumulación enzimática produce fraccionamiento isotópico de uranio y permite a la cepa ChlSG mejorada genéticamente acumular en su interior el uranio 235.
Un simple lavado con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) para eliminar el uranio bio-adsorbido a su pared celular (en el que no hay fraccionamiento isotópico), permitió a los investigadores obtener el uranio 235 enriquecido del interior de la cepa.
Y enriqueciendo uranio
Lo más sorprendente de esta cepa mejorada genéticamente es que no sólo captura uranio que puede ser recuperado para usos industriales, sino que también es especialmente eficaz enriqueciendo uranio 235 a partir de mezclas con muy baja cantidad inicial de este isótopo (consiguiendo un fraccionamiento isotópico Delta 235 = 23.6‰).
Hay que tener en cuenta al respecto que la mayoría del uranio que existe sobre la tierra es del isótopo 238. Sin embargo, es el isótopo 235 el que resulta útil para centrales nucleares (y bombas atómicas).
Como apenas un 0.7% del uranio que hay en la naturaleza es del isótopo 235, se emplean diversos procesos para separarlo del uranio 238. Pero ninguno de ellos consigue separar todo el uranio 235 de una mezcla. Siempre queda algo (aproximadamente el 0.3%).
A estos residuos se les denomina colas de uranio. Con el uso masivo del uranio en reactores nucleares de uso civil y en armas atómicas, se han generado decenas de miles de toneladas de colas de uranio que se consideran un residuo.
Sin embargo, queda mucho uranio 235 en esas colas (casi tanto como el que se ha aprovechado). Hasta ahora, su recuperación se ha realizado solo marginalmente mediante procesos físicos, explican los investigadores en su artículo.
Estos microorganismos mejorados genéticamente pueden tener también mucho interés para aprovechar estas colas de uranio que no pueden ser enriquecidas por los métodos convencionales. El aprovechamiento de estas colas haría que no fuese necesaria tanta minería convencional de uranio, añade Eduardo Costas.
Sin embargo, los investigadores advierten que la cepa ChlSG solo sirve para aguas dulces y que una cepa capaz de hacer lo mismo en agua de mar hubiese sido de gran interés por ejemplo en Fukushima.
Estos investigadores, Beatriz Baselga-Cervera, Camino García-Balboa, Victoria López-Rodas, Marta Fernández Díaz y Eduardo Costas, primero trabajaron con una comunidad microbiana, compuesta en su mayoría por microalgas y microbacterias, que habían mutado después de que la mina de uranio de Saelices, en Salamanca, contaminara las aguas que representaban su hábitat y convirtieran a estos microorganismos en resistentes al uranio.
La mejora genética de estos microorganismos les permitió obtener la cepa microalgal ChISG, que es capaz de capturar uranio mediante dos procesos diferentes.
En primer lugar por un proceso de bio-adsorción, a través del cual “pegan” el uranio a su pared celular. Se trata de un procedimiento que depende exclusivamente de procesos fisicoquímicos y que funciona incluso con microorganismos muertos, por lo que podría emplearse para descontaminar lugares contaminados por residuos de alta actividad (con elevada radiación).
En segundo lugar, esta cepa captura uranio del entorno mediante un proceso de bio-acumulación, a través del cual incorporan uranio a su interior dependiendo de procesos enzimáticos. Esto implica que el microorganismo esté vivo.
Las cantidades de uranio y otros radioisótopos que se capturan por estos procesos son muy elevadas (7.9 mg de uranio por cada g de microalgas).
Como resulta muy fácil cultivar grandes cantidades de estas microalgas (duplican su población en 48 horas) y puede conseguirse que después de capturar el uranio se agrupen formando masas para separarlas del agua (floculación), su interés en procesos de bio-remediación y captura de uranio disuelto para limpieza de aguas mineras y vertidos tóxicos resulta evidente, explica a Tendencias21 Eduardo Costas, autor principal de esta investigación.
Añade sin embargo que el mayor interés está en el proceso de bio-acumulación enzimática que emplea esta cepa mejorada genéticamente para capturar uranio.
Este proceso de bio-acumulación enzimática produce fraccionamiento isotópico de uranio y permite a la cepa ChlSG mejorada genéticamente acumular en su interior el uranio 235.
Un simple lavado con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) para eliminar el uranio bio-adsorbido a su pared celular (en el que no hay fraccionamiento isotópico), permitió a los investigadores obtener el uranio 235 enriquecido del interior de la cepa.
Y enriqueciendo uranio
Lo más sorprendente de esta cepa mejorada genéticamente es que no sólo captura uranio que puede ser recuperado para usos industriales, sino que también es especialmente eficaz enriqueciendo uranio 235 a partir de mezclas con muy baja cantidad inicial de este isótopo (consiguiendo un fraccionamiento isotópico Delta 235 = 23.6‰).
Hay que tener en cuenta al respecto que la mayoría del uranio que existe sobre la tierra es del isótopo 238. Sin embargo, es el isótopo 235 el que resulta útil para centrales nucleares (y bombas atómicas).
Como apenas un 0.7% del uranio que hay en la naturaleza es del isótopo 235, se emplean diversos procesos para separarlo del uranio 238. Pero ninguno de ellos consigue separar todo el uranio 235 de una mezcla. Siempre queda algo (aproximadamente el 0.3%).
A estos residuos se les denomina colas de uranio. Con el uso masivo del uranio en reactores nucleares de uso civil y en armas atómicas, se han generado decenas de miles de toneladas de colas de uranio que se consideran un residuo.
Sin embargo, queda mucho uranio 235 en esas colas (casi tanto como el que se ha aprovechado). Hasta ahora, su recuperación se ha realizado solo marginalmente mediante procesos físicos, explican los investigadores en su artículo.
Estos microorganismos mejorados genéticamente pueden tener también mucho interés para aprovechar estas colas de uranio que no pueden ser enriquecidas por los métodos convencionales. El aprovechamiento de estas colas haría que no fuese necesaria tanta minería convencional de uranio, añade Eduardo Costas.
Sin embargo, los investigadores advierten que la cepa ChlSG solo sirve para aguas dulces y que una cepa capaz de hacer lo mismo en agua de mar hubiese sido de gran interés por ejemplo en Fukushima.
Imagen de microscopía de fluorescencia de los microorganismos de la cepa ChISG: Los organismos que aún no han captado uranio se ven en rojo por la fluorescencia de su clorofila (A), pero a medida que acumulan uranio en su interior van adquiriendo un tomo más azulado (B). Foto: Baselga-Cervera et al.
También en agua de mar
Esta limitación no detuvo a los investigadores en su propósito de utilizar microorganismos para obtener y enriquecer uranio. Se valieron de una población de otra microalga llamada Tetraselmis mediterránea, que vive en aguas prístinas de Cerdeña, para mejorarla también genéticamente y obtener una nueva cepa (TmmRV).
Esta cepa, antes de la mejora genética, era muy poco tolerante al uranio. Pero después de la mejora, TmmRV terminó resistiendo grandes concentraciones de uranio. Y los investigadores también lograron que capturase uranio por bio-adsorción y bio-acumulación, tal como ocurría con la cepa de la mina salmantina de agua dulce.
Al igual que en el caso anterior, esta cepa TmmRV captura preferentemente uranio 235 mediante bio-acumulación y lo hace más eficazmente (Delta 235 = 370‰). Y también puede utilizarse para enriquecer uranio.
Con una ventaja adicional respecto a las las Chlamydomonas en la mina de Saelices: los procedimientos de mejora genética con esta cepa marina de Tetraselmis consiguieron acortar considerablemente el tiempo de adaptación al uranio.
Alternativa biológica potencial
Estos resultados abren nuevas perspectivas sobre el re-enriquecimiento de los relaves del uranio empobrecido, señalan los investigadores, y ofrecen una alternativa biológica potencial para obtener uranio natural equivalente al reprocesado.
Esta oportunidad es importante porque la energía nuclear está llamada a convertirse en puente para el abandono de los combustibles fósiles, principales causantes del calentamiento global.
El principal recurso de la energía nuclear es el uranio, cuyo consumo ha aumentado rápidamente, impulsado por la creciente demanda, señalan los investigadores en su artículo.
Aclaran sin embargo que las reservas de uranio no son infinitas y que pueden durar 90 años, por lo que se están buscando nuevas fuentes viables de uranio. Los microorganismos mejorados genéticamente por este equipo de investigadores pueden desempeñar un papel determinante para el futuro de la energía nuclear.
Esta limitación no detuvo a los investigadores en su propósito de utilizar microorganismos para obtener y enriquecer uranio. Se valieron de una población de otra microalga llamada Tetraselmis mediterránea, que vive en aguas prístinas de Cerdeña, para mejorarla también genéticamente y obtener una nueva cepa (TmmRV).
Esta cepa, antes de la mejora genética, era muy poco tolerante al uranio. Pero después de la mejora, TmmRV terminó resistiendo grandes concentraciones de uranio. Y los investigadores también lograron que capturase uranio por bio-adsorción y bio-acumulación, tal como ocurría con la cepa de la mina salmantina de agua dulce.
Al igual que en el caso anterior, esta cepa TmmRV captura preferentemente uranio 235 mediante bio-acumulación y lo hace más eficazmente (Delta 235 = 370‰). Y también puede utilizarse para enriquecer uranio.
Con una ventaja adicional respecto a las las Chlamydomonas en la mina de Saelices: los procedimientos de mejora genética con esta cepa marina de Tetraselmis consiguieron acortar considerablemente el tiempo de adaptación al uranio.
Alternativa biológica potencial
Estos resultados abren nuevas perspectivas sobre el re-enriquecimiento de los relaves del uranio empobrecido, señalan los investigadores, y ofrecen una alternativa biológica potencial para obtener uranio natural equivalente al reprocesado.
Esta oportunidad es importante porque la energía nuclear está llamada a convertirse en puente para el abandono de los combustibles fósiles, principales causantes del calentamiento global.
El principal recurso de la energía nuclear es el uranio, cuyo consumo ha aumentado rápidamente, impulsado por la creciente demanda, señalan los investigadores en su artículo.
Aclaran sin embargo que las reservas de uranio no son infinitas y que pueden durar 90 años, por lo que se están buscando nuevas fuentes viables de uranio. Los microorganismos mejorados genéticamente por este equipo de investigadores pueden desempeñar un papel determinante para el futuro de la energía nuclear.
Referencia
Evidence of microalgal isotopic fractionation through enrichment of depleted uranium. Beatriz Baselga-Cervera, Camino García-Balboa, Victoria López-Rodas, Marta Fernández Díaz & Eduardo Costas. www.nature.com/scientificreports. https://doi.org/10.1038/s41598-019-38740-2
Evidence of microalgal isotopic fractionation through enrichment of depleted uranium. Beatriz Baselga-Cervera, Camino García-Balboa, Victoria López-Rodas, Marta Fernández Díaz & Eduardo Costas. www.nature.com/scientificreports. https://doi.org/10.1038/s41598-019-38740-2