Uran-immobiliserende bakterier i lersten:Udforskning af, hvordan mikroorganismer kan påvirke adfærden af ​​radioaktivt affald

Ved design af depoter til højaktivt radioaktivt affald i dybe geologiske lag skal forskellige faktorer nøje overvejes for at sikre deres langsigtede sikkerhed. Blandt andet kan naturlige fællesskaber af mikroorganismer påvirke affaldets adfærd, især når det kommer i kontakt med vand. Mikroorganismerne interagerer med frigivne radionuklider og påvirker deres mobilitet.

Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har set nærmere på en mikroorganisme, der forekommer i nærheden af ​​et potentielt depot. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Science of The Total Environment .

I Tyskland er bjergarter, der er egnede til permanent sikker opbevaring af højradioaktivt affald i et depot - såkaldte værtsbjergarter - visse lerstensformationer foruden stensalt og krystallinsk sten. Der foretrækkes et multibarrieresystem bestående af affaldsbeholderen som teknisk barriere, opfyldningsmaterialet som geoteknisk barriere og værtsbjergarten som geologisk barriere. Dette system er beregnet til at isolere det radioaktive affald fra miljøet.

"Kombinationen af ​​lerformationer med opfyldningsmaterialet bentonit, der består af forskellige lermineraler, er et eksempel på et sådant system. Vi ved, at såkaldte sulfatreducerende mikroorganismer forekommer både i værtsbjergarten og i opfyldningsmaterialet. vores arbejde undersøgte vi en repræsentant for slægten Desulfosporosinus mere detaljeret. Vi var især interesserede i dens indflydelse på uran, der findes i bentonit-lersystemet," forklarer Dr. Stephan Hilpmann fra HZDR Institute of Resource Ecology.

Uran kan forekomme i en række forskellige forbindelser og kan antage forskellige oxidationstilstande. I naturlige aflejringer findes uran hovedsageligt i tetravalent og hexavalent form. Under normale forhold er tetravalente uranforbindelser - i modsætning til hexavalente forbindelser - næsten uopløselige i vand. Uranforbindelser er giftige, hvorved toksiciteten hovedsageligt afhænger af deres opløselighed. Denne distinkte adfærd af forbindelserne med forskellige oxidationstilstande er af stor betydning for forståelsen af ​​processerne i depotet.

Mikrobielt forsvar fjerner uran fra vand

Desulfosporosinus lever under anaerobe forhold:Den vokser kun i fravær af luft. Dette gjorde det muligt for forskerne at studere mikroorganismen under realistiske forhold, som dem der findes i dybe klippelag. For at gøre dette bragte de bakteriekulturerne i kontakt med uransaltopløsninger i naturligt porevand i lerklippen, dækket af en nitrogenatmosfære, der beskytter dem mod atmosfærisk ilt.

De observerede, at bakterierne omdanner det let vandopløselige hexavalente uran til svært opløseligt tetravalent uran. Bakterierne kan deponere dette tungtopløselige uran i membranvesikler på deres celleoverflade i form af inkrustationer.

Holdet antager, at dette er en defensiv reaktion af mikroorganismerne - en adfærd, der tidligere er blevet observeret hos andre typer bakterier.

"Efter en uge har bakterierne omdannet omkring 40 procent af det oprindeligt opløste uran til den dårligt opløselige variant," rapporterer Hilpmann.

Holdet observerede også et yderligere oxidationstrin med pentavalent uran, om hvis dannelse i denne proces ikke tidligere var kendt. Dette skyldes hovedsageligt dens typiske ustabilitet. Forskerne formoder, at de kun var i stand til at påvise pentavalent uran, fordi bakterierne stabiliserer det til en vis grad i opløsning. De var i stand til at detektere denne oxidationstilstand selv efter en uge.

Multispektral udsigt til forurenet undergrund

For at observere de forskellige uranforbindelser brugte holdet en række moderne spektroskopi- og mikroskopimetoder. HZDR-forskerne har adgang til højt specialiserede teknikker på Institute of Ion Beam Physics and Materials Research og ved Rossendorf Beamline (ROBL), som HZDR driver ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble. På det franske sted kan de for eksempel undersøge radiokemiske processer spektroskopisk. Her har de også observeret dannelsen af ​​pentavalent uran i processen ved hjælp af en metode kaldet HERFD-XANES.

HERFD-XANES står for fluorescensdetektion med højenergiopløsning, som er koblet med røntgen-nær-kant-absorptionsspektroskopi. Dette er en røntgenabsorptionsspektroskopisk metode, der kan bruges til at studere elektronernes adfærd. Holdet var i stand til at visualisere de uranholdige aggregater på celleoverfladen af ​​Desulfosporosinus ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi kombineret med energidispersiv røntgenspektroskopi.

"Vores resultater uddyber vores forståelse af de komplekse processer i et potentielt slutdepot. De kan også være relevante for fjernelse af radioaktive forurenende stoffer fra forurenet vand og dermed for deres oprydning," siger Hilpmann.

Flere oplysninger: Stephan Hilpmann et al., Tilstedeværelse af uran(V) under uran(VI)-reduktion ved Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Science of The Total Environment (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.162593

Journaloplysninger: Science of the Total Environment

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres