Les bactéries transforment l'uranium en un composé chimique stable

Les bactéries présentes dans l’environnement, que ce soit dans le sol ou dans l’eau, jouent un rôle important dans les écosystèmes. Certaines d’entre elles sont spécialisées dans la dégradation de substances nocives. « Il existe des bactéries capables d’utiliser métaboliquement l’uranium, un métal lourd toxique pour l’homme », explique le Dr Evelyn Krawczyk-Bärsch, chercheuse au sein du groupe de recherche en microbiologie terrestre du HZDR et co-auteure de l’étude. « Les recherches de notre groupe avaient déjà révélé que les bactéries peuvent utiliser l’uranium dissous dans l’eau pour leur métabolisme lorsqu’elles ont accès au glycérol comme source de nourriture. » Le glycérol est un composant de base des graisses végétales et animales. Dans la nature, par exemple, il se forme lors de la décomposition du bois par des champignons. Mais dans quelle mesure les bactéries peuvent-elles réduire la quantité d’uranium dissous dans l’eau ? Et sous quelles formes chimiques l’uranium libre est-il transformé par les processus métaboliques bactériens ? Telles sont les questions auxquelles les chercheurs ont cherché à répondre dans cette nouvelle étude.

L’uranium dans les parois cellulaires

Pour leurs expériences, ils ont utilisé de l’eau provenant d’une mine d’uranium inondée dans les monts Métallifères, appartenant à la société Wismut GmbH. Lors d’expériences en laboratoire menées dans un environnement dépourvu d’oxygène, l’équipe de recherche a ajouté une quantité spécifique de glycérol aux échantillons d’eau. « Nous voulions recréer les conditions naturelles de la communauté bactérienne déjà présente dans l’eau de mine, car à une profondeur d’environ 2 000 mètres, il y a généralement peu ou pas d’oxygène dans la mine », explique le Dr Antonio M. Newman-Portela, ancien doctorant à la fois au HZDR et au département de microbiologie de l’université de Grenade (Espagne), et auteur principal de l’étude. Dans des conditions favorables à la croissance bactérienne, les bactéries ont utilisé le glycérol comme source de nourriture. « Au bout de 130 jours, il ne restait plus qu’environ 5 % de l’uranium dissous dans l’eau dans les échantillons », précise Newman-Portela. « Nous soupçonnions que les bactéries avaient incorporé l’uranium dans leurs parois cellulaires. Nous connaissions déjà les processus d’accumulation grâce à la littérature scientifique. » Et, en effet, les chercheurs ont pu prouver la présence d’uranium dans les parois cellulaires des bactéries.

Un état chimique inhabituel

Mais de quels composés chimiques s’agissait-il exactement ? Pour le déterminer, l’équipe a eu recours à des méthodes microscopiques et spectroscopiques de pointe. Les études comprenaient des expériences menées à la ligne de lumière de Rossendorf (ROBL), exploitée par le HZDR à l’Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France, ainsi que des études complémentaires menées à l’université de Grenade.

Dans un premier temps, les scientifiques ont examiné la membrane bactérienne afin de déterminer sous quels états chimiques l’uranium était présent. En terminologie chimique, le terme « valence » désigne le nombre de « mains » dont dispose un atome pour se lier à d’autres atomes au sein d’un composé chimique. « L’uranium se présente généralement avec une valence de 4 ou de 6. L’uranium pentavalent existe bel et bien, mais il est rare ou n’est que transitoire. Jusqu’à présent, il n’avait été observé que dans un état d’oxydation instable », explique Newman-Portela. « Les résultats de notre étude ont donc été extrêmement surprenants, car dans la biomasse analysée lors de nos essais expérimentaux, une proportion inhabituellement élevée de l’uranium identifié était également de l’uranium pentavalent. »

Stable – même sous l’influence de l’oxygène

De plus, les chercheurs ont découvert que l’uranium pentavalent formait le composé FeU(V)_O₄ avec le fer et l’oxygène. « Ce composé d’uranium n’a pas encore de nom, car il est relativement nouveau. Il a été mis en évidence pour la première fois dans une étude de 2020, au cours de laquelle des échantillons de sol provenant de régions de Croatie contaminées par des munitions à l’uranium ont été analysés », explique Krawczyk-Bärsch. « On a constaté que même sous l’influence de l’oxygène atmosphérique, ce composé d’uranium était resté stable pendant plus de 25 ans. Mais jusqu’à présent, nous ne savions pas comment ce composé se formait dans la nature, ni que des bactéries jouaient un rôle dans sa formation. » Lors d’expériences complémentaires, l’équipe de recherche du HZDR a observé que la quantité de FeU(V)_O₄ augmentait effectivement lorsque la biomasse séchée était exposée à l’oxygène.

« Notre étude a révélé pour la première fois que des bactéries alimentées en glycérol comme source de carbone peuvent transformer l’uranium toxique dissous dans l’eau en un composé chimique stable », déclare Krawczyk-Bärsch. « Il nous reste encore à déterminer dans quelle mesure les bactéries pourraient contribuer à rendre l’uranium inoffensif à des fins d’assainissement. » Dans le cadre de ses travaux futurs, l’équipe du HZDR vise à approfondir ses connaissances sur les bactéries fixatrices d’uranium ainsi qu’à mieux comprendre les processus biochimiques et géochimiques sous-jacents.