The microalgal isotopic partitioning of uranium

Un nuevo procedimiento para el fraccionamiento de Uranio
Eduardo Costas Costas1, Beatriz Baselga Cervera1, Francisco Tarín García2
1. Genética. Facultad de Veterinaria. Universidad Complutense. 28040. Madrid. Spain.
2. ENUSA S.A.
Resumen
Los procedimientos para el enriquecimiento de uranio implementados hoy en día se basan en
procesos físico-químicos. Por otra parte, se sabe que algunos microorganimos son capaces de
inducir fraccionamiento isotópico, gracias a la captación preferencial del átomo más ligero,
normalmente. Teniendo en cuenta esta idea, planteamos la hipótesis del fraccionamiento
isotópico de uranio a través de microalgas. Para comprobarlo, aislamos una Clorophyta
(Chlamydomonas sp.) de una charca de evaporación correspondiente a una explotación
minera en Saelices (Salamanca). Dicha cepa resultó ser altamente resistente a la toxicidad y
radiactividad del uranio. Posteriomente, sometimos la cepa a un procedimiento de mejora
genética y obtuvimos una microalga capaz de bioacumular uranio, en concreto hasta un 1,2%
de su peso.
Las medidas de recuperación de uranio y de fraccionamiento isotópico realizadas en el
CIEMAT mostraron que la microalga mejorada genéticamente es capaz de captar uranio, y
bioacumular dentro de la célula hasta 12 mg U/gramo de peso seco de alga cada 48 horas.
Simultáneamente se consigue un enriquecimiento en el isótopo fisible 235U (d 235U = +
3.983%) dentro del interior celular.
Este resultado indica que es posible plantear una alternativa biotecnológica a los procesos
convencionales de enriquecimiento de uranio basada en la actividad microalgal.
Palabras clave: Uranio, microalgas, fraccionamiento
INTRODUCCIÓN
Energía Nuclear: una fuente de controversia
A pesar de que la energía nuclear es de todas las fuentes no renovables de energía la
que menos contribuye negativamente a problemas ambientales globales como son el
calentamiento planetario o la lluvia ácida, sin embargo, las actividades nucleares todavía
encuentran hoy en día muchos detractores. Los accidentes nucleares imprevistos, la
generación de residuos radiactivos y sobre todo, la incertidumbre en relación a la estabilidad
de un legado que la humanidad deja a generaciones futuras, son razones que llevan a la
opinión pública en general a una postura de rechazo en relación a cualquier proceso
relacionado con el uranio.
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Sin embargo, a pesar de las opiniones desfavorables, es una realidad que la energía
nuclear todavía representa hoy día una de las principales fuentes de generación de energía a
nivel mundial. Por aportar unos datos: en Estados Unidos representa el 20% de energía
eléctrica; países como Francia, Japón, el Reino Unido o Rusia cuentan con 57, 5, 33 y 30
reactores nucleares, por nombrar solo a los más importantes (Czerwinski et al., 2008)).
Sin lugar a dudas, la tecnología nuclear mejoraría su imagen pública y se beneficiaría
también desde el punto de vista de la eficiencia, si alguna de las etapas del ciclo de vida del
uranio (extracción, procesamiento o enriquecimiento) pudiera disminuir su impacto
ambiental. Procesos más conservativos desde un punto de vista energético y procedimientos
que generasen menos residuos, serían objetivos deseables.
Las plantas nucleares para el enriquecimiento de uranio son blanco de particular
rechazo, incluso más que la propia minería extractiva. El proceso de fraccionamiento en las
centrales nucleares tiene un componente adicional de controversia por la percepción social de
riesgo de accidente nuclear y por la cantidad de toneladas de residuos radiactivos de alta,
media y baja actividad que deben ser confinados en un planeta de por sí ya muy deteriorado.
El punto de partida para cambiar la actual visión del fraccionamiento isotópico como
una actividad nociva es empezar a comprender que los procesos de fraccionamiento isotópico
no están tan lejos de los procesos naturales. De hecho, el fraccionamiento isotópico es un
proceso físico-químico que se puede dar en situaciones donde sea posible una separación en
función de la masa. Por ejemplo, las nubes están siempre enriquecidas en el isótopo más
ligero (16O). En los procesos fotosintéticos el CO2 que se capta está enriquecido en 12C
mientras que el oxígeno que se desprende lo está en 18O.
El fraccionamiento isotópico también ocurre en numerosos procesos biológicos, pero
normalmente los efectos son débiles, con la excepción de algún caso relacionado con el
hidrógeno o el deuterio (Bowen, 1960). Por ejemplo, se ha encontrado que existe relación
entre la presencia de un isótopo en los compuestos que forman parte de la dieta de un
organismo y la composición molecular del mismo. Y las diferencias en la composición
isotópica del azufre, nitrógeno y carbono se utilizan para realizar un trazado de estos
elementos en las cadenas alimentarias a lo largo de las generaciones, desde la época
prehistórica a la actualidad (Hoefs, 1997).
El fraccionamiento natural no ocurre como consecuencia de una “preferencia
selectiva” de los microbios por un determinado isótopo. Los procesos microbianos que
transcurren a través de mecanismos en los que hay selectividad isotópica se deben a razones
relacionadas con lo que podrían denominarse “afinidades microbianas”. Las diferencias en la
velocidad de difusión de los distintos isótopos, se relacionan con las diferencias de las
constantes de equilibrio, y también al hecho de que los isótopos más ligeros viajan más
rápidamente que los pesados a través de las rutas metabólicas (Bowen 1960).
La investigación relacionada con los isótopos y los procesos naturales se ha centrado
fundamentalmente en el empleo de marcadores para explicar distintas rutas metabólicas; así
se han utilizad análisis de las diferentes relaciones C12/C13 para determinar el origen
biogénico de rocas antiguas, y la relación S 32/S34 para estudiar la evolución de las bacterias
del azufre (Bowen, 1960). Nada se ha hecho, sin embargo, en relación a otras aplicaciones.
De hecho, la posibilidad de enriquecer uranio a través de bioprocesos es un terreno
absolutamente inexplorado.
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Enriquecimiento Microbiano de Uranio
El proceso a través del cual se consigue incrementar el porcentaje de un determinado
isótopo se conoce como “enriquecimiento”, y el material que contiene un porcentaje mayor de
un determinado isótopo del que normalmente se encuentra en la naturaleza, se dice que está
enriquecido en un isótopo en particular. Los reactores nucleares necesitan como combustible
uranio enriquecido en el isótopo 235U, en un porcentaje de entre el 3-4%.
Actualmente este enriquecimiento se consigue a través de dos métodos alternativos: la
centrifugación y mediante procesos de difusión gaseosa. (Czerwinski et al., 2008). Estas dos
alternativas tienen importantes desventajas. Por un lado, el UF6 es un compuesto tóxico que
reacciona con el agua dando lugar a otro compuesto altamente corrosivo: el fluoruro de
hidrógeno (HF). Además la centrifugación también consume una cantidad significativa de
energía (Czerwinski et al., 2008).
Un acercamiento diferente a estas opciones para el enriquecimiento isotópico del
uranio puede ser el enfoque biotecnológico. Existe un cierto número de especies microbianas
que aprovechando las diferencias en las propiedades físicas que hay entre dos isótopos, captan
selectivamente aquel que les resulta más ventajoso para sus necesidades metabólicas. Este
comportamiento selectivo de los microbios que les permite beneficiarse de un isótopo en
particular ha sido ya comprobado para algunos elementos.
Hasta el día de hoy, la investigación biotecnológica en el campo del uranio ha estado
basada en soluciones “al final de tubería”, es decir, en la implementación de métodos y
procesos encaminados a la eliminación de distintos contaminantes de las aguas residuales
derivadas de las actividades relacionadas con el uranio. “Wetlands”, bacterias, biomasa
microalgal muerta o biomasa viva (con preferencia de organismos fotosintéticos) se han
implementado en bioreactores (Dunlop et al., 2007) o cultivos (Fortin et al., 2004). En
cualquier caso, el objetivo final ha estado siempre centrado en la depuración de agua
contaminada con elementos radiactivos.
Sin embargo, aún no se ha abordado bajo ningún punto de vista la posibilidad de
sustituir o complementar los procesos de enriquecimiento de uranio convencionales con
nuevos procedimientos basados en la actividad directa de microorganismos. Las pocas líneas
de investigación en enriquecimiento de uranio basadas en procesos biotecnológicos se han
centrado en promover la precipitación de un isótopo específico de algún elemento. Por
ejemplo, se ha probado la eficacia de los organismos reductores de actínidos para separar el
isótopo más pesado por precipitación (Radamacher, 2006; Czerwinski et a., 2008; Basu et al.,
2013).
El fraccionamiento isotópico del uranio sólo ha sido descrito en bacterias. Un grupo
muy especializado de bacterias reductoras de distintas especies, tanto metales como aniones
(sulfatos), son capaces de inducir fraccionamiento a través de un mecanismo de reducción
desasimilativa. Este hecho se ha comprobado en el caso del uranio, aunque en realidad el
fraccionamiento del uranio tiene lugar a través de una vía indirecta que conduce a la
precipitación de un sólo isótopo. Otros ejemplos son: el fraccionamiento de azufre durante la
reducción desasimilativa de sulfatos (Johnson, 2008); el fraccionamiento isotópico del Fe al
tiempo de la reducción desasimilativa de Fe(III) (Crosby et al., 2007) y la reducción
desasimilativa del selenio (Johnson, 2004). Los géneros bacterianos implicados son
Clostridium, Schewanella y Geobacter en relación a la reducción de Fe(III), Mn(IV) and
Cr(VI); Desulfovibrio o Desulfatomaculum acoplados a la reducción de sulfatos a azufre.
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¿Microalgas que fraccionan uranio?:
Las microalgas son un grupo de organismos muy antiguos y muy diverso, que se
caracterizan por realizar la fotosíntesis, captando el CO2 atmósferico produciendo materia
orgánica y oxigeno. Estos organismos juegan un papel crucial como productores primarios,
iniciando las cadenas tróficas en los ecosistemas acuáticos. Así mismo son responsables de la
mayoria de los ciclos biogeoquímicos, y de la mitad del oxigeno de la atmósfera.
Además las microalgas son también fuente de pigmentos, vitaminas; alternativa
energética por la riqueza en aceites. Y desde un punto de vista de la contaminación suponen
un excelente material para captar contaminantes (metales, compuestos orgánicos –pesticidas,
antibióticos. En la actualidad hay un intenso trabajo para utilizar las microalgas con fines de
bioremediación.
El bio-proceso de enriquecimiento de uranio que planteamos se basa en la actividad
metabólica de una cepa de Chlamydomonas, aislada de un ambiente acuoso altamente
contaminado con uranio (hasta 25 mg.L -1) y mejorada genéticamente para incrementar su
capacidad de captación de uranio. La cepa capta selectivamente U 235 y en consecuencia el
U238 se concentra en el medio circundante. La separación de la biomasa de la fase líquida se
puede conseguir fácilmente a través de dos etapas sucesivas de floculación y filtración. El
U235 residual queda confinado en la biomasa y se puede concentrar a través de una etapa de
secado –a temperatura ambiente-, resultando que el uranio residual ocupará mucho menos
espacio. El proceso se puede repetir tantas veces como se considere hasta alcanzar un
porcentaje de uranio 235 necesario para la reacción nuclear.
Este proceso que planteamos tiene otras posibles aplicaciones: la posibilidad de
recuperar el isótopo fisionable de las piscinas de apagamiento; y la posibilidad de
fraccionamiento de otros actínidos.
METODOLOGÍA
La capacidad para la captación y el fraccionamiento de uranio se midió en cultivos de una
cepa de Chlamydomonas (ChlSPGI), aislada de una muestra de agua natural en Saelices
(Salamanca) y mejorada genéticamente. Las células de ChlSP GI se cultivaron en agua de
Saelices con una concentración de uranio de 25 mg.L -1. Cuando el cultivo alcanzó su fase
exponencial, se tomaron dos muestras de 100 mL cada una, con una densidad celular de
694.000 cells.mL-1. Ambas muestras se centrifugaron (3.500 rpm) durante 10 minutos y se
recogieron los pellets de ambas. Uno de los pellets se acidificó con HNO3 2% (vol/vol) y se
preservó en estas condiciones hasta su posterior análisis (medida de la cantidad total de uranio
contenida en la célula y relación isotópica del mismo). Esta medida proporciona información
tanto de la fracción de uranio adsorbida a la superficie celular como del porcentaje acumulado
dentro de la célula. El otro pellet se re-disolvió en 4 mL de medio de cultivo BG-11 y se trató
con 1 mL de EDTA al 0.05% durante 15 minutos. El pellet resultante de una nueva
centrifugación se lavó dos veces con agua bi-destilada para eliminar la fracción de uranio
retenida en la superficie celular. Nuevamente el pellet obtenido se acidificó (HNO 3 2%
vol/vol) y se preservó para su posterior análisis de uranio. Los resultados de los análisis
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realizados a este segundo pellet permiten estimar la fracción de uranio que eventualmente
podrían haber acumulado las células.
El uranio total se analizó a través de un equipo de Espectrometría de Masas- Plasma
con Acoplamiento Inducido (ICP-MS VARIAN RedTop). Para la medida de las relaciones
isotópicas se utilizó un espectrómetro de masas con fuente de plasma THERMO ELEMENT
XR con sistema analizador compuesto por un sector magnético y un sector electrostático (HRICP-MS). Las disoluciones obtenidas en el proceso anterior se llevaron por dilución en HNO3
2% (v/v) a una concentración similar a la del patrón utilizado para medir el factor de
discriminación instrumental. Como patrón isotópico de uranio se utilizó un material de
composición isotópica certificada IRMM-053 (Institute for Reference Materials and
Measurements.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Medida de las Relaciones Isotópicas
Las relaciones isotópicas 235U/238U medidas en el agua natural de referencia, y en los
pellets obtenidos tras la centrifugación, lavados con agua y con EDTA respectivamente se
muestran en la figura 1. La actividad microalgal alteró de forma significativa las relaciones
isotópicas, como puede observarse en los valores de δ obtenidos (Tabla 1), que fueron
calculados aplicando la ecuación 1 y tomando como referencia la relación isotópica del agua
de Saelices. Las microalgas, por tanto, inducen un fraccionamiento isotópico positivo (δ >
0), lo que conduce a un enriquecimiento del isótopo 235U en el interior de las células.
δ235U =
ec. 1
Tabla 1
235
U/238U
sd
Saelices
Pellets -H2O
Pellets -EDTA
0,0072645
0,007287
0,007293
0,0000073
0,000019
0,000019
3,086
3,983
δ235U
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Figura 1: Relaciones isotópicas de uranio en muestra natural y en pellets
El uranio que capta la microalga se distribuye en la célula de ChlSP GI tanto dentro
como unido a la pared externa. El fraccionamiento del uranio debe está por tanto
necesariamente acoplado a un proceso enzimático de transporte que da como resultado una
internalización preferencial de 235U dentro de la célula, quedando el medio circundante más
empobrecido en 238U.
El fraccionamiento isotópico en Saelices y en ChlSPGI
Las relaciones isotópicas U238/U235 que se midieron tanto en el agua natural tomada en
Saelices como en el interior de la célula de Chlamydomonas fonticola (135.58±0.24) tienen
un valor muy alejado del que se encuentra normalmente en el uranio natural, donde alcanza
un valor del orden de 137.8 ± 0.28. Por tanto, tanto el agua de Saelices como las células de
ChlSPGI se encuentran enriquecidas en 235U. Asimismo, se observaron diferencias evidentes
(figura 1) en las reaciones isotópicas medidas en las microalgas y el agua de Saelices
(utilizada para el crecimiento de las mismas).
Estos resultados podrían estar relacionados con los fenómenos conocidos como
“reactores nucleares naturales”, de los cuales el caso de Oklo es el más conocido y el mejor
descrito. Un proceso de fisión natural espontánea que aconteció en 1972 Oklo (Gabón) en una
situación muy particular en la que se dieron una confluencia de factores.
Se ha discutido mucho acerca de las condiciones que permitieron que se diera el
fenómeno de Oklo. La existencia de un moderador eficaz como el agua; un espesor suficiente
en la mena capaz de mantener la reacción en cadena y la ausencia de moléculas secuestrantes
(compuestos venenosos que absorben neutrones y atenúan la reacción en cadena), son factores
probados y analizados en profundidad. Sin embargo, queda sin explicar por qué se encontró
una proporción del isótopo fisionable superior al que se encuentra en otras zonas de la tierra.
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En la investigación que hemos realizado hemos encontrado un fenómeno que podría
explicar el por qué pudo darse en lugares muy concretos una relación isotópica anormal desde
el punto de vista de los valores que se encuentran en la Naturaleza. La posibilidad de que
existan poblaciones de microalgas que por sus características de ubicuidad, resistencia y
tolerancia a ambientes extremos hayan desarrollado la capacidad de fraccionar uranio puede
ser una posibilidad plausible, máxime teniendo en cuenta que las algas llevan en el planeta
Tierra desde hace mas de dos mil millones de años.
La alternativa al fraccionamiento isotópico de uranio por métodos convencionales que
presentamos tiene como principal factor diferencial que el fraccionamiento se consigue a
través de la actividad enzimática directa de un cultivo microalgal. Todas las ventajas
relacionadas con el empleo de microalgas: poco exigentes en el consumo de recursos; utilizan
una fuente inagotable de energía como es la luz solar; extremadamente resistentes y
tolerantes a ambientes extremos (pH, temperatura, presencia de toxinas), podrán aprovecharse
a la hora de implementar un desarrollo a escala.
El prometedor resultado obtenido abre la posibilidad de enriquecer uranio a través de
la actividad microalgal, de tal manera que resulta factible plantearse una “bio-planta de
enriquecimiento de uranio. Una visión especulativa podría ser la siguiente: si se considera que
la masa crítica para iniciar una reacción nuclear es de 1.5 Kg de 235U, se necesitarían 7,5 x 104
gramos (peso seco). Esta cantidad se podría obtener en piscinas o lagunas abiertas en las que
podrían cultivarse las microalgas sin gran consumo de recursos y en las que los residuos ya
quedan simultáneamente confinados.
Conclusiones
La cepa del género Chlamydomonas, ChlSPGI que fue aislada de un agua altamente
contaminada por U (al menos 25 mg.l-1) y mejorada genéticamente para incrementar su
capacidad para captar uranio, es capaz además de fraccionar el uranio e incorporar con
preferencia el isótopo más ligero 235U en el interior celular. Este resultado abre la posibilidad
a una nueva alternativa a los métodos físico-químicos actuales para enriquecimiento de
uranio. Ahora que este resultado ya ha sido ampliamente confirmado, con las técnicas más
exactas de análisis isotópico queda profundizar a nivel molecular en los mecanismos que
utilizan las microalgas para llevar a cabo este fraccionamiento. Ello permitirá controlar la
reacción y optimizar los parámetros cinéticos y terrmodinámicos para llevarla a escala
industrial. Sin lugar a dudas, la aplicación de las técnicas de mejora genética a ésta y otras
especies microalgales permitirá mejorar los resultados.
Referencias
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Cr(VI) reduction and microbial U(VI) reduction. Tesis Doctoral, 2103
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