Lanthanoide werden als Teil der sogenannten Seltenen Erden vielfach in der Elektronik und Energietechnik eingesetzt. Mit einer Ausnahme sind sie nicht radioaktiv, kommen in der Erdkruste häufig vor, und manche, wie zum Beispiel Lanthan und Neodym, sind sogar für den Stoffwechsel bestimmter Bakterien essenziell. Actinoide sind ihre schwereren, zumeist nicht natürlich vorkommenden und radioaktiven Gegenstücke mit den bekannten Vertretern Uran und Plutonium. Lena Daumann von der Ludwig-Maximilians-Universität München hat nun mit einem internationalen und interdisziplinären Forschungsteam entdeckt, dass methylotrophe Bakterien die essenziellen Lanthanoide durch Actinoide ersetzen können.
Methylotrophe Bakterien verwerten Methanol mit Hilfe eines Methanol-oxidierenden Enzyms, und dieses Enzym enthält Lanthanoid-Ionen. Die Forscher*innen beobachteten nun, dass die Bakterien anstelle von Lanthanoid-Ionen auch Actinoid-Ionen in das Enzym einbauen können und dadurch ihr Überleben sichern. Das funktionierte besonders gut, wenn der Ionenradius des Actinoid-Ions mit dem des entsprechenden Lanthanoid-Ions übereinstimmte und es ebenfalls einen stabilen Oxidationszustand +III aufwies. Die Bakterien waren sogar wählerisch und suchten sich aus einer angebotenen Elementmischung gezielt die Actinoiden Americium und Curium anstelle mancher Lanthanoiden heraus, schreiben die Wissenschaftler*innen.
Als entscheidend erwies sich der stabile Oxidationszustand +III, den Americium und Curium aufwiesen. „Als wir Plutonium einsetzten, von dem wir wissen, dass es höhere Oxidationsstufen hat, wuchsen weder unsere Bakterien, noch funktionierten die isolierten Enzyme,“ erzählt Daumann. Die Aufnahmefähigkeit der Bakterien für Actinoide könnte für künftige Anwendungen nützlich sein: Das Team möchte das Potenzial der Bakterien erforschen, Actinoide aus radioaktivem Abfall zu extrahieren oder aus Gemischen zu trennen.
Actinoide wie Plutonium, Americium und Curium werden unter anderem in Kernreaktoren erzeugt und finden vielfältige Verwendung – Americium dient sogar als Quelle ionisierender Strahlung in kommerziellen Rauchmeldern. Wegen ihrer Gefährlichkeit und Radioaktivität ist die Handhabung von Actinoiden jedoch auf speziell lizensierte Labore beschränkt, und ein unkontrollierter Eintrag in die Umgebung wäre ein großes Problem. „Diese Bakterien könnten eingesetzt werden, um radioaktive Elemente zu binden“, gibt Daumann einen Ausblick auf die Zukunft.
Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.
Originalpublikation:
Singer, H., Steudtner, R., Klein, A. S., Rulofs, C., Zeymer, C., Drobot, B., Pol, A., Cecilia Martinez-Gomez, N., Op den Camp, H. J. M., Daumann, L. J., Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202303669. https://doi.org/10.1002/ange.202303669
