Khi thiết kế các kho lưu trữ chất thải phóng xạ nồng độ cao ở các tầng địa chất sâu, các nhà quản lý phải xem xét tới nhiều yếu tố khác nhau để đảm bảo an toàn bức xạ trong thời gian dài. Trong đó, cộng đồng vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến hoạt động của chất thải, đặc biệt là khi tiếp xúc với nước. Khi phát tán, các vi sinh vật tương tác với các hạt nhân phóng xạ và ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của chúng.
Các nhà khoa học tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) đã và đang nghiên cứu về vi sinh vật xuất hiện ở vùng lân cận của một kho lưu trữ chất thải phóng xạ. Phát hiện của họ được công bố trên Tạp chí Khoa học về Môi trường. Ở Đức, có các dạng đá thích hợp nằm trong các kho lưu trữ lâu dài chất thải có tính phóng xạ cao, còn được gọi là đá chủ. Đây là một dạng thành tạo đá sét ngoài đá muối và đá kết tinh. Trong các kho lưu trữ như vậy, họ ưu tiên sử dụng hệ thống an toàn gồm nhiều rào cản, như thùng chứa chất thải (rào cản kỹ thuật), vật liệu san lấp (rào cản địa kỹ thuật) và đá chủ (rào cản địa chất). Hệ thống này nhằm mục đích cách ly chất thải phóng xạ với môi trường.
Tế bào Desulfosporosinus trên bề mặt uranium (Nguồn: B. Schröder/HZDR).
Sự kết hợp của các thành tạo đất sét với bentonite của vật liệu san lấp, bao gồm nhiều loại khoáng sét khác nhau, là một ví dụ về hệ thống đa an toàn. Các nhà nghiên cứu biết rằng vi sinh vật khử sunfat xuất hiện trong đá chủ và trong vật liệu san lấp. Họ đã xem xét chi tiết hơn một đại diện của chi Desulfosporosinus, đặc biệt quan tâm đến ảnh hưởng của nó đối với urani có trong hệ thống đất sét bentonite. Urani có thể tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau và có các trạng thái oxy hóa khác nhau. Trong các mỏ tự nhiên, urani chủ yếu được tìm thấy ở dạng hóa trị bốn và hóa trị sáu. Trong điều kiện bình thường, các hợp chất urani hóa trị bốn (ngược với các hợp chất hóa trị sáu) hầu như không tan trong nước. Các hợp chất của urani rất độc, độc tính phụ thuộc chủ yếu vào độ hòa tan của chúng. Sự biến đổi khác biệt của các hợp chất có trạng thái oxy hóa khác nhau có tầm quan trọng lớn trong việc đánh giá các quá trình vật lý xảy ra trong kho lưu trữ.
Desulfosporosinus sống trong điều kiện yếm khí: Nó chỉ phát triển khi không có không khí. Điều này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu vi sinh vật trong điều kiện thực tế, như điều kiện trong các lớp đá sâu. Họ cho vi khuẩn nuôi cấy tiếp xúc với dung dịch muối urani trong nước của lỗ rỗng tự nhiên của đá sét, được phủ bởi nitơ để bảo vệ chúng khỏi oxy trong khí quyển. Họ quan sát thấy vi khuẩn chuyển đổi urani hóa trị sáu dễ tan trong nước thành urani hóa trị bốn ít tan. Vi khuẩn có thể kết tinh urani ít hòa tan này trong các túi màng trên bề mặt tế bào của chúng dưới dạng các lớp vỏ cứng. Nhóm nghiên cứu cho rằng đây là phản ứng phòng thủ của vi sinh vật – một hành vi trước đây đã được khám phá ở các loại vi khuẩn khác. Sau một tuần, vi khuẩn chuyển đổi khoảng 40% urani hòa tan ban đầu thành biến thể kém hòa tan. Nhóm nghiên cứu còn quan sát thấy một giai đoạn oxy hóa tiếp theo với urani hóa trị năm mà trước đây chưa biết nhiều về sự hình thành của nó trong quá trình này. Điều này chủ yếu là do tính không ổn định điển hình của nó. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng họ chỉ có thể phát hiện ra urani hóa trị năm vì vi khuẩn làm ổn định ở một mức độ nào đó trong dung dịch. Họ phát hiện trạng thái oxy hóa này sau một tuần.
Để quan sát các hợp chất urani khác nhau, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loạt phương pháp kính hiển vi và quang phổ hiện đại. HZDR có quyền truy cập vào các kỹ thuật chuyên môn cao tại Viện nghiên cứu vật lý và vật liệu chùm tia ion và tại Rossendorf Beamline (ROBL) mà HZDR vận hành tại Cơ sở bức xạ Synchrotron châu Âu (ESRF) ở Grenoble. Tại Pháp, HZDR nghiên cứu các quá trình hóa phóng xạ bằng phương pháp quang phổ. Họ cũng đã quan sát thấy sự hình thành urani hóa trị năm trong quá trình sử dụng phương pháp có tên HERFD-XANES. HERFD-XANES là viết tắt của phát hiện huỳnh quang với độ phân giải năng lượng cao, kết hợp với quang phổ hấp thụ gần biên tia X. Đây là phương pháp quang phổ hấp thụ tia X có thể được sử dụng để nghiên cứu hành vi của các điện tử. Nhóm nghiên cứu đã có thể hình dung các tập hợp chứa urani trên bề mặt tế bào của Desulfosporosinus bằng kính hiển vi điện tử truyền qua kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng. Phát hiện này giúp hiểu sâu hơn về các quá trình phức tạp trong kho lưu trữ chất thải phóng xạ. Chúng cũng có thể được sử dụng khi nghiên cứu loại bỏ các chất ô nhiễm phóng xạ khỏi vùng nước bị ô nhiễm và từ đó khắc phục chúng.
Từ khóa: bức xạ; tia X; Desulfosporosinus; vi sinh vật; chất thải phóng xạ;
– CMD&DND –
