生物化学研究给“核废料整治”的启示

美国核学会(ANS)网站最近在《放射性废物解决方案》专栏中说，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家和宾夕法尼亚州立大学和哈佛医学院的研究人员的新研究，对核废料如何扩散提供了新见解。他们认为，已经确定的放射性元素在环境中传播的新机制，可能对环境化学和核废物管理产生影响.....[1]

在LLNL荧光光谱实验中，蛋白质镧调素(lanmodulin)样品暴露在右侧的紫外光下时，会使放射性核素锔发光。这个示意图(左)代表了锔-蛋白质络合物的结构，每个蛋白质分子“键接”三个锔原子。

美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家，与宾夕法尼亚州立大学和哈佛医学院的研究人员合作，发现了一种新的机制，放射性核素可“借此”在环境中传播。

这项对核废物管理和环境化学有影响的研究发表在9月20日《美国化学学会杂志》上[2]。

LLNL科学家、主要作者高捷·德金兰德(Gauthier Deblonde)说，“这项研究与核材料在自然界的命运有关，我们偶然发现了以前未知的机制，某些放射性元素可借此在环境中扩散。”“我们已证实，自然界有某些以前没有考虑过的分子，特别是像镧调素(lanmodulin)这样的蛋白质，它们可能对某些放射性元素如镅、锔等产生强烈的影响，而这些元素一直是核废料管理的难题。”

新领域：含有钚、镅、锔和镍的核废料，如果释放到环境中会很难处理，而且人们对这些元素在自然界的化学形式“知之甚少”，迫使科学家和工程师使用各种模型，预测它们的长期行为和“迁移”模式。

到目前为止，这些模型几乎很少考虑与天然化合物、矿物相和胶体的相互作用，而且基本上忽略了对更复杂的络合物如蛋白质的影响。这项新的研究证实，自然界有一种非常丰富的蛋白质，在阿系元素环境迁移方面，其影响远远超过科学家以前认为最成问题的那些分子。

宾州州立大学助理教授、这篇论文的通讯作者 Joseph Cotruvo Jr.说，“最近发现，某些专门用于提取稀土元素的细菌，在锕系元素地球化学中有重要的技术应用和潜在的意义，因为稀土和锕系元素的化学相似性，开辟了生物化学的新领域。”

络合蛋白质：镧调素是许多用来吸附稀土金属的蛋白质中并不重要、但很丰富的蛋白质。2018年宾州州立大学团队的成员发现了它。虽然宾州立大学和LLNL团队详细研究了这种蛋白质的工作原理以及如何用来提取稀土金属,但此前尚未探索这种蛋白质与环境中放射性污染物的相关性。

LLNL科学家安妮·科尔斯汀(Annie Kersting)说，“我们的研究结果表明,在环境方面，镧调素与类似的络合物，在阿系元素化学中发挥的作用,比我们想象的更重要。”“我们的研究还指出,在环境方面，选择性生物分子可能在合成放射性同位素的特异迁移模式中发挥重要作用。”

LLNL科学家梅维尔克·扎瓦琳(Mavrik Zavarin)说，“这项研究还首次证实,相对其他任何金属，包括稀土元素，镧调素更倾向于锕系元素,这是个“令人关注”的特性,并非仅可用作新颖的分离工艺。”

据德金林德说，镧调素对阿系元素的亲和力更高，甚至可能意味着：自然界用来提取稀土金属的生物体“无所不在”，但可优先把某些阿系元素纳入它们的生物化学中。

结语

随着核武器的发明和广泛、持续的试验、研究，人类生活环境中的人造放射性元素、特别是“阿系元素”中的人工合成放射性核素(镅、锔)的积累越来越多，而且它们的寿命特别长，毒性特别大。

曾经的“辐射防护”工作人员，看了这篇“报道”会有点紧张。因为稀土元素与人类社会和现代化生活的关系越来越“密切”，但如这类活动带来阿系原素的“迁移”，则对人类健康的影响值得重视，值得生物医学和保健物理学界深入研究......

资料与注释

1 ANS，Biochemistry research could have implications in nuclear waste remediation，Nuclear Newswire，September 22, 2021.

2 Gauthier J.-P. Deblonde et al.,Characterization of Americium and Curium Complexes with the Protein Lanmodulin: A Potential Macromolecular Mechanism for Actinide Mobility in the Environment, JACS, September 20, 2021.