Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben een micro-organisme dat voorkomt in de buurt van een potentiële opslagplaats onder de loep genomen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science of The Total Environment .

In Duitsland zijn gesteenten die geschikt zijn voor de permanent veilige opslag van hoogradioactief afval in een bergingsplaats – de zogenaamde gastgesteenten – naast steenzout en kristallijn gesteente ook bepaalde kleirotsformaties. De voorkeur gaat uit naar een systeem met meerdere barrières, bestaande uit de afvalcontainer als technische barrière, het opvulmateriaal als geotechnische barrière en het gastgesteente als geologische barrière. Dit systeem is bedoeld om het radioactieve afval te isoleren van de omgeving.

“De combinatie van kleiformaties met het opvulmateriaal bentoniet, dat bestaat uit verschillende kleimineralen, is een voorbeeld van zo’n systeem. We weten dat zowel in het gastgesteente als in het opvulmateriaal zogenaamde sulfaatreducerende micro-organismen voorkomen. Voor ons werk hebben we een vertegenwoordiger van het geslacht Desulfosporosinus in meer detail onderzocht. We waren vooral geïnteresseerd in de invloed ervan op uranium dat aanwezig is in het bentoniet-kleisysteem", legt Dr. Stephan Hilpmann van het HZDR Institute of Resource Ecology uit.

Uranium kan in verschillende verbindingen voorkomen en kan verschillende oxidatietoestanden aannemen. In natuurlijke afzettingen wordt uranium voornamelijk aangetroffen in vierwaardige en zeswaardige vorm. Onder normale omstandigheden zijn tetravalente uraniumverbindingen – in tegenstelling tot zeswaardige verbindingen – vrijwel onoplosbaar in water. Uraniumverbindingen zijn giftig, waarbij de toxiciteit vooral afhangt van hun oplosbaarheid. Dit onderscheidende gedrag van de verbindingen met verschillende oxidatietoestanden is van groot belang voor het begrijpen van de processen in de bergingsinstallatie.

Microbiële verdediging verwijdert uranium uit water

Desulfosporosinus leeft onder anaërobe omstandigheden:hij groeit alleen in afwezigheid van lucht. Hierdoor konden de onderzoekers het micro-organisme onder realistische omstandigheden bestuderen, zoals die gevonden worden in diepe rotslagen. Om dit te doen, brachten ze de bacterieculturen in contact met uraniumzoutoplossingen in natuurlijk poriënwater van het kleigesteente, bedekt met een stikstofatmosfeer die hen beschermt tegen zuurstof uit de lucht.

Ze merkten op dat de bacteriën het gemakkelijk in water oplosbare zeswaardig uranium omzetten in matig oplosbaar vierwaardig uranium. De bacteriën kunnen dit slecht oplosbare uranium in membraanblaasjes op hun celoppervlak afzetten in de vorm van korstjes.

Het team gaat ervan uit dat dit een defensieve reactie van de micro-organismen is – een gedrag dat eerder bij andere soorten bacteriën is waargenomen.

“Na een week heeft de bacterie zo’n 40 procent van het oorspronkelijk opgeloste uranium omgezet in de slecht oplosbare variant”, meldt Hilpmann.

Het team observeerde ook een verdere oxidatiefase met vijfwaardig uranium, waarvan voorheen niet veel bekend was over de vorming ervan in dit proces. Dit komt vooral door de typische instabiliteit ervan. De onderzoekers vermoeden dat ze vijfwaardig uranium alleen konden detecteren omdat de bacteriën het in oplossing enigszins stabiliseren. Ze konden deze oxidatietoestand zelfs na één week detecteren.

Multispectraal zicht op verontreinigde ondergrond

Om de verschillende uraniumverbindingen te observeren, gebruikte het team een ​​reeks moderne spectroscopie- en microscopiemethoden. De HZDR-onderzoekers hebben toegang tot zeer gespecialiseerde technieken bij het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research en bij de Rossendorf Beamline (ROBL), die de HZDR exploiteert bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. Op de Franse locatie kunnen ze bijvoorbeeld radiochemische processen spectroscopisch onderzoeken. Hier hebben ze ook de vorming van vijfwaardig uranium waargenomen tijdens het proces met behulp van een methode genaamd HERFD-XANES.

HERFD-XANES staat voor fluorescentiedetectie met hoge energieresolutie, gekoppeld aan röntgenstralingsabsorptiespectroscopie. Dit is een spectroscopische methode voor röntgenabsorptie die kan worden gebruikt om het gedrag van elektronen te bestuderen. Het team kon de uraniumhoudende aggregaten op het celoppervlak van Desulfosporosinus visualiseren met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie in combinatie met energiedispersieve röntgenspectroscopie.

"Onze bevindingen verdiepen ons begrip van de complexe processen in een potentiële definitieve opslagplaats. Ze kunnen ook relevant zijn voor de verwijdering van radioactieve verontreinigende stoffen uit vervuilde wateren en dus voor de sanering ervan", zegt Hilpmann.

Meer informatie: Stephan Hilpmann et al, Aanwezigheid van uranium(V) tijdens uranium(VI)-reductie door Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Wetenschap van het totale milieu (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.162593

Journaalinformatie: Wetenschap van het totale milieu

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra