Sự bảo toàn năng lượng của các loài khử Fe(III) như Shewanella oneidensis có khả năng kiểm soát thế oxy hóa khử của các môi trường liên quan đến địa chất chất thải phóng xạ và đất bị ô nhiễm phóng xạ. Việc mô tả đặc điểm của sự thay đổi bức xạ đối với khoáng vật học và tác động lên quá trình hô hấp của vi khuẩn đối với sắt là điều cần thiết. Những thay đổi do bức xạ gây ra đối với khoáng vật học sắt có thể tác động đến quá trình hô hấp của vi khuẩn và sau đó, ảnh hưởng đến trạng thái oxy hóa của các chất phóng xạ nhạy cảm với oxy hóa khử. Trong nghiên cứu mới đây, quang phổ Mössbauer và kính hiển vi điện tử chỉ ra rằng việc chiếu xạ (1 MGy gamma) ferrihydrite 2 vạch có thể dẫn đến chuyển đổi thành pha tinh thể, pha này tương tự như akaganeite. Quang phổ Mössbauer ở nhiệt độ phòng của hematit đã chiếu xạ cho thấy sự xuất hiện của pha Fe(III) thuận từ. Xác định quang phổ Fe(II) cho thấy sự gia tăng do bức xạ về tốc độ và mức độ khử ferrihydrite và hematit của S. oneidensis khi có sự hiện diện của một electron (riboflavin). Đặc tính của chất rắn khử sinh học thông qua XRD chỉ ra rằng Fe(II) được kết hợp vào siderit và ferrous hydroxy carbonate, cùng với magnetit, trong các hệ ferrihydrite và siderit trong các hệ hematit. Nghiên cứu này cho thấy những thay đổi khoáng vật học đối với ferrihydrite và hematit do bức xạ gây ra có thể dẫn đến sự gia tăng khả dụng sinh học của Fe(III) đối với hô hấp bởi vi khuẩn khử Fe(III).
Vi khuẩn khử Fe(III) như Shewanella oneidensis kết hợp quá trình oxy hóa chất hữu cơ với quá trình khử một loạt các kim loại oxy hóa khử và các chất phóng xạ. Quá trình này có thể xảy ra trực tiếp, thông qua quá trình khử bằng enzym các chất gây ô nhiễm kim loại oxy hóa khử và các chất phóng xạ, hoặc gián tiếp thông qua quá trình khử Fe(III) có thể sinh học và quá trình chuyển electron phi sinh học tiếp theo từ Fe(II) sang các kim loại và chất phóng xạ khác. Do đó, chu trình sinh địa hóa của sắt có thể kiểm soát thế oxy hóa khử của các môi trường liên quan đến quá trình xử lý địa chất chất thải phóng xạ và đất bị ô nhiễm chất phóng xạ.
Quá trình kết tủa một số chất phóng xạ nhạy cảm với oxy hóa khử như Tc(VII) và U(VI) có thể đạt được bằng cách khử chúng thành các loài Tc(IV) và U(IV) không hòa tan. Tương tự như vậy, các chất gây ô nhiễm độc hại và di động như crom cũng có thể được loại bỏ khỏi dung dịch bằng cách khử Cr(VI) thành Cr(III) ít độc hơn. Do đó, các loài khử sắt dị hóa như Shewanella sp. và Geobacter sp. được xem xét để khắc phục chất thải phức tạp, bao gồm kim loại gây ô nhiễm và các chất phóng xạ cũng như các hợp chất hữu cơ độc hại có thể bị phân hủy bởi các sinh vật này. Việc khắc phục các môi trường như vậy đặt ra một thách thức vì các địa điểm bị ô nhiễm các chất phóng xạ có biểu hiện thông lượng lớn bức xạ ion hóa. Việc xử lý địa chất các chất thải hạt nhân cấp độ trung gian và cao (ILW/HLW) liên quan đến việc đóng gói các chất thải có tính phóng xạ cao (hoạt động vượt quá 4 GBq tấn/m alpha hoặc 12 GBq tấn/m beta/gamma), có thể cần phải che chắn để giảm liều trong quá trình vận chuyển. Dự kiến tỷ lệ liều sẽ thay đổi do phân rã phóng xạ của một loạt các sản phẩm phân hạch và các actinide tồn tại lâu hơn; tuy nhiên, liều hấp thụ trong suốt vòng đời của một kho lưu trữ có thể cao.
Vật liệu chứa để đóng gói chất thải ở mức trung gian bao gồm các vật liệu giàu sắt, chẳng hạn như thép không gỉ và thép cacbon, có khả năng nhận được liều lượng bức xạ ion hóa cao. Các tương tác tiếp theo giữa các sản phẩm phân hủy phóng xạ và thép có thể tạo ra một loạt các oxit sắt, bao gồm maghemite (γ-Fe2O3), goethite (α-FeOOH) và lepidocrocite (γ-FeOOH). Ngoài ra, một số dạng chất thải có thể chứa một lượng lớn thép và các sản phẩm ăn mòn của chúng và cũng có thể bao gồm bông hydroxit Fe từ quá trình xử lý nước thải. Các thành phần này cũng sẽ phải chịu liều bức xạ. Do độ nhạy oxy hóa khử của sắt, có thể quan sát thấy một loạt các phản ứng oxy hóa và khử do bức xạ gây ra tùy thuộc vào trạng thái oxy hóa ban đầu và hóa học phối hợp của sắt. Ví dụ, Ladrière, cả quá trình oxy hóa và khử của sắt đều có thể nhìn thấy trong quang phổ Mössbauer của các hợp chất chứa sắt được chiếu xạ gamma. Trong trường hợp này, sự hình thành các gốc trong phạm vi phối hợp đầu tiên của sắt gây ra bất kỳ quá trình khử/oxy hóa nào. Tuy nhiên, trong các hệ thống nước, các loài oxy hóa và khử được tạo ra bởi quá trình phân hủy gamma của nước, chẳng hạn như •OH, e–aq, H•, HO2•, H2, H2O2, H+aq có khả năng chi phối thế oxy hóa khử ở bề mặt của các hợp chất chứa sắt và do đó, tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn của chúng.
Trạng thái oxy hóa của sắt một phần chi phối cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt và khả năng phản ứng và các thông số này đóng vai trò như những ràng buộc đối với nhiệt động lực học của quá trình khử sắt do vi khuẩn. Do đó, sự thay đổi do bức xạ của oxit sắt, bao gồm bất kỳ thay đổi tiềm ẩn nào trong cấu trúc tinh thể và trạng thái oxy hóa đều có thể ảnh hưởng đến quá trình hô hấp của vi khuẩn trong các pha chứa Fe(III). Sự nhiễu loạn đối với chu trình sinh địa hóa của loại sắt này sau đó có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan và tính di động của các chất phóng xạ. Do đó, việc mô tả đặc điểm của sự thay đổi do bức xạ của một loạt các oxit sắt có liên quan đến môi trường và tác động kết quả đến quá trình hô hấp của vi khuẩn đối với sắt có thể rất quan trọng trong việc hiểu được hành vi của các chất phóng xạ nhạy cảm với quá trình oxy hóa khử và cách xử lý chúng trong các trường hợp an toàn, phải được xây dựng như một phần của quy trình quản lý hỗ trợ các cơ sở xử lý địa chất đối với chất thải phóng xạ.
Các nhà khoa học đã tiến hành chiếu xạ huyền phù ferrihydrite và hematit bằng 1 MGy bức xạ gamma để đánh giá tác động của bức xạ đối với các khoáng chất này và xác định những thay đổi tiếp theo về tính khả dụng của Fe(III) đối với quá trình hô hấp của vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu trước đây đã đề xuất liều hấp thụ gamma và neutron gần bề mặt thùng chứa chất thải ở mức cao có thể ở mức 0,7 MGy sau 104 năm. Đối với đất sét, có thể được sử dụng làm vật liệu lấp đầy, tổng liều hấp thụ theo thứ tự từ MGy đến GGy cũng đã được đưa ra. Mặc dù khó có thể dự đoán tổng liều hấp thụ đối với các pha khoáng chất sắt trong phạm vi gần của cơ sở xử lý địa chất, nhưng gamma 1 MGy đã được chọn để cho phép điều tra hiện tượng học hơn là mô phỏng chính xác các điều kiện dự kiến trong cơ sở xử lý địa chất. Xét nghiệm ferrozine được sử dụng để đánh giá tính khả dụng sau khi chiếu xạ của các khoáng chất Fe(III) khử bởi S. oneidensis. Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong đó nỗ lực ghi lại quá trình khử Fe(III) của vi khuẩn tăng cường do sự biến đổi oxit sắt do bức xạ gây ra.
Số phận của sắt khử do vi khuẩn trong các phương pháp xử lý Fe(II) tăng lên do chiếu xạ đã được thăm dò bằng cách sử dụng bột XRD và quang phổ Mössbauer. Phân tích nhiễu xạ XRD của chất rắn khử sinh học từ các thí nghiệm có chứa S. oneidensis, riboflavin vận chuyển điện tử và ferrihydrite không chiếu xạ chỉ ra rằng quá trình khử sinh học dẫn đến sự kết hợp Fe2+ trong magnetite và siderite. Tinh chỉnh định lượng của phép khớp cho thấy magnetite là sản phẩm chiếm ưu thế (khoảng 82 ± 2%), với siderite chiếm ∼18 ± 2% còn lại. Magnetite thường được quan sát thấy là sản phẩm khoáng hóa sinh học của quá trình khử oxit sắt kém tinh thể và siderite cũng có thể được mong đợi, đặc biệt là vì tỷ lệ Fe(II)/(III) quan sát được cao hơn magnetite tỷ lệ thành phần, có khả năng dẫn đến kết tủa thêm Fe2+ với CO32– từ đệm bicacbonat được sử dụng trong các thí nghiệm này. Trong các hệ thống chứa ferrihydrite được chiếu xạ, XRD và tinh chỉnh định lượng các khớp nối cho thấy rằng quá trình khử Fe(III) tăng cường dẫn đến việc kết hợp Fe2+ vào magnetite (khoảng 45 ± 3%), siderite (∼23 ± 2%) và hydroxy carbonate sắt (Fe2(OH)2CO3) (∼23 ± 2%). Sự hình thành các cacbonat sắt, ví dụ như siderite, trong quá trình khử sinh học các oxit Fe(III) tinh thể kém trước đây đã được liên kết với tổng nồng độ và tốc độ cung cấp Fe(II), với tốc độ nhanh hơn dẫn đến việc kết hợp Fe2+ vào các pha cacbonat được tăng cường. Ngoài ra, sắt (II) hydroxy cacbonat đã được quan sát trước đây như một sản phẩm chuyển đổi ổn định của magnetite sinh học, kết quả từ quá trình khử sinh học của hỗn hợp ferrihydrite và chất nền akaganeite bởi S. putrefaciens. Do đó, những quan sát này phù hợp với quá trình chuyển đổi ferrihydrite thành akaganeite do chiếu xạ gây ra và tốc độ cũng như mức độ khử sinh học tăng lên sau đó, tiếp theo là sự kết hợp tăng cường của Fe2+ vào siderit và sắt (II) hydroxy cacbonat.
Khoáng chất Fe(III) dễ bị biến đổi bức xạ, có thể làm thay đổi khả dụng sinh học của chúng để khử vi khuẩn. Hiện tại, các trường hợp an toàn đối với các cơ sở xử lý địa chất chất thải phóng xạ thiếu thông tin về các quá trình vi khuẩn. Các vật liệu gốc sắt sẽ phổ biến trong các dạng chất thải, thùng chứa và cấu trúc trong nhiều thiết kế kho lưu trữ, nghĩa là đối với chất thải ở mức trung gian và sau một thời gian bị ăn mòn, có khả năng ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa sinh địa hóa của cơ sở. Quá trình khử vi khuẩn của Fe(III) có thể được tăng cường thông qua biến đổi bức xạ và có thể được thúc đẩy hơn nữa bằng cách sản xuất các chất cho electron như hydro và các hợp chất hữu cơ được hình thành do quá trình phân hủy phóng xạ của nước và polyme. Kích thích quá trình khử Fe(III) dị hóa có thể thúc đẩy quá trình khử trực tiếp bằng enzym hoặc gián tiếp (ví dụ, thông qua Fe(II)) sinh học của các chất phóng xạ nhạy cảm với quá trình oxy hóa khử quan trọng, chẳng hạn như U(VI) và Tc(VII), và do đó, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình di chuyển của chất phóng xạ. Do đó, đầu vào bức xạ tăng cường có thể cung cấp cơ sở cho một hệ sinh thái mới có khả năng tác động quan trọng đến quá trình tiến hóa sinh địa hóa của một cơ sở xử lý địa chất chất thải phóng xạ.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
