Quando si progettano depositi per rifiuti ad alta attività radioattiva in strati geologici profondi, è necessario considerare attentamente vari fattori per garantirne la sicurezza a lungo termine. Tra l'altro, le comunità naturali di microrganismi possono influenzare il comportamento dei rifiuti, soprattutto quando entrano in contatto con l'acqua. I microrganismi interagiscono con i radionuclidi rilasciati e ne influenzano la mobilità.
I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno esaminato più da vicino un microrganismo che si trova nelle vicinanze di un potenziale deposito. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Science of The Total Environment .
In Germania, le rocce adatte allo stoccaggio permanente e sicuro di rifiuti altamente radioattivi in un deposito, le cosiddette rocce ospiti, sono determinate formazioni rocciose argillose oltre al salgemma e alla roccia cristallina. È preferibile un sistema multi-barriera, costituito dal contenitore dei rifiuti come barriera tecnica, dal materiale di riempimento come barriera geotecnica e dalla roccia ospite come barriera geologica. Questo sistema ha lo scopo di isolare i rifiuti radioattivi dall'ambiente.
"La combinazione di formazioni di argilla con il materiale di riempimento bentonite, costituito da vari minerali argillosi, è un esempio di un tale sistema. Sappiamo che i cosiddetti microrganismi che riducono i solfati sono presenti sia nella roccia ospite che nel materiale di riempimento. In Nel nostro lavoro abbiamo studiato più dettagliatamente un rappresentante del genere Desulfosporosinus. Eravamo particolarmente interessati alla sua influenza sull'uranio presente nel sistema bentonite-argilla", spiega il Dr. Stephan Hilpmann dell'HZDR Institute of Resource Ecology.
L'uranio può presentarsi in una varietà di composti e può assumere diversi stati di ossidazione. Nei depositi naturali, l'uranio si trova principalmente nella forma tetravalente ed esavalente. In condizioni normali, i composti dell’uranio tetravalente, a differenza dei composti esavalenti, sono quasi insolubili in acqua. I composti dell'uranio sono tossici, per cui la tossicità dipende principalmente dalla loro solubilità. Questo comportamento distinto dei composti con diversi stati di ossidazione è di grande importanza per comprendere i processi nel deposito.
Il Desulfosporosinus vive in condizioni anaerobiche:cresce solo in assenza di aria. Ciò ha permesso ai ricercatori di studiare il microrganismo in condizioni realistiche, come quelle che si trovano negli strati profondi della roccia. Per fare ciò, hanno portato le colture batteriche a contatto con soluzioni di sali di uranio nell'acqua interstiziale naturale della roccia argillosa, ricoperte da un'atmosfera di azoto che le protegge dall'ossigeno atmosferico.
Hanno osservato che i batteri convertono l’uranio esavalente facilmente solubile in acqua in uranio tetravalente scarsamente solubile. I batteri possono depositare questo uranio scarsamente solubile in vescicole di membrana sulla superficie cellulare sotto forma di incrostazioni.
Il team presuppone che si tratti di una reazione difensiva dei microrganismi, un comportamento già osservato in altri tipi di batteri.
"Dopo una settimana, i batteri hanno convertito circa il 40% dell'uranio originariamente disciolto nella variante scarsamente solubile", riferisce Hilpmann.
Il team ha anche osservato un'ulteriore fase di ossidazione con uranio pentavalente, sulla cui formazione in questo processo non si sapeva prima. Ciò è dovuto principalmente alla sua tipica instabilità. I ricercatori sospettano di essere riusciti a rilevare l'uranio pentavalente solo perché i batteri lo stabilizzano in una certa misura in soluzione. Sono stati in grado di rilevare questo stato di ossidazione anche dopo una settimana.
Per osservare i vari composti dell'uranio, il team ha utilizzato una serie di moderni metodi di spettroscopia e microscopia. I ricercatori dell'HZDR hanno accesso a tecniche altamente specializzate presso l'Istituto di fisica dei fasci ionici e di ricerca sui materiali e presso la Rossendorf Beamline (ROBL), che l'HZDR gestisce presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble. Nella sede francese, ad esempio, possono studiare i processi radiochimici mediante spettroscopia. Qui hanno anche osservato la formazione di uranio pentavalente nel processo utilizzando un metodo chiamato HERFD-XANES.
HERFD-XANES sta per rilevamento della fluorescenza con risoluzione ad alta energia, che è accoppiato con la spettroscopia di assorbimento dei raggi X vicino al bordo. Questo è un metodo spettroscopico di assorbimento dei raggi X che può essere utilizzato per studiare il comportamento degli elettroni. Il team è stato in grado di visualizzare gli aggregati contenenti uranio sulla superficie cellulare di Desulfosporosinus utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione accoppiata con la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia.
"I nostri risultati approfondiscono la nostra comprensione dei complessi processi in un potenziale deposito finale. Potrebbero anche essere rilevanti per la rimozione di inquinanti radioattivi dalle acque contaminate e quindi per la loro bonifica", afferma Hilpmann.
Ulteriori informazioni: Stephan Hilpmann et al, Presenza di uranio (V) durante la riduzione dell'uranio (VI) da parte di Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Scienza dell'ambiente totale (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.162593
Informazioni sul giornale: Scienza dell'ambiente totale
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