Щелочеустойчивые бактерии могут укрепить защиту ядерных отходов под землей. Продукты их жизнедеятельности способны залечивать трещины в цементе.
Один из способов безопасно хранить ядерные отходы — закапывать их под землю в нескольких слоях защиты. Обычно их помещают в специальные контейнеры и оставляют в туннелях в сотнях метров под землей. В строительстве захоронительных сооружений используют цемент как для несущих структур, так и для заливки щелей и герметизации контейнеров.
Несмотря на прочность цемента, со временем он может разрушаться, в том числе под действием грунтовых вод. Механические и химические воздействия образуют в цементе микроскопические трещины и поры, которые могут стать причиной утечки радиоактивных отходов.
Проблему усугубляет то, что часто цемент — высокощелочное соединение. Именно высокий pH, от 10 до 12, обеспечивает этому веществу долговечность и коррозионную стойкость. Но это же свойство приводит к тому, что сам цемент ослабляет прилегающие к нему защитные слои, потенциально ставя под угрозу целостность всего хранилища.
Команда ученых из Великобритании смогла использовать предпочитающие щелочную среду бактерии для восстановления бетона. Они назвали метод микробно-индуцированным осаждением карбонатов (microbially induced carbonate precipitation, MICP). Научная статья с деталями опубликована в журнале ACS Omega.
Химики проследили, как бетон изменится со временем в присутствии бактерий. Они предполагали, что продукты жизнедеятельности бактерий помогут бетону самозалечивать трещины.
Для проверки концепции команда ученых провела шестимесячный эксперимент. Исследователи использовали плиты из низкощелочного цемента (pH 10–11), который меньше поддается коррозии, чем традиционный, и достаточно прочен, чтобы прослужить тысячелетия. Живущие в щелочной среде бактерии собрали с природного участка с высоким pH. Их поместили в созданный в лаборатории раствор, имитирующий грунтовую воду, а в него опустили цементные плиты. Количество органического материала в растворе варьировалось.
Механизм залечивания трещин выглядит так: микробы перерабатывают органику в процессе жизнедеятельности, при этом как побочный продукт образуется диоксид углерода. Этот газ реагирует с кальцием и магнием, выщелачивающимися из цемента, образуя кальцит и другие карбонатные минералы. Они и заполняют трещины.
По результатам эксперимента ученые заключили, что эффективность процесса самозалечивания зависит от количества органического материала, доступного бактериям. В системах с высоким содержанием углерода бактерии проявили высокую активность, произвели большое количество диоксида углерода, который снижал pH окружающей воды и способствовал образованию множества кристаллов кальцита. Это запечатало трещины и уменьшило пористость цемента. Также исследователи узнали, что при определенной концентрации органики может стать недостаточно для самозалечивания цемента.
Ученые считают, что хотя эксперимент и оказался успешным, необходима дальнейшая работа для испытания потенциала MICP в более длительных временных масштабах и в более сложных условиях.
Автор: Evgenia Vavilova