Al diseñar depósitos para desechos radiactivos de alto nivel en capas geológicas profundas, se deben considerar cuidadosamente varios factores para garantizar su seguridad a largo plazo. Entre otras cosas, las comunidades naturales de microorganismos pueden influir en el comportamiento de los residuos, especialmente cuando entran en contacto con el agua. Los microorganismos interactúan con los radionucleidos liberados e influyen en su movilidad.
Los investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han observado más de cerca un microorganismo que se encuentra en las proximidades de un posible depósito. Sus hallazgos se publican en la revista Science of The Total Environment. .
En Alemania, además de la sal gema y la roca cristalina, las rocas adecuadas para el almacenamiento permanente y seguro de residuos altamente radiactivos en un depósito, las llamadas rocas hospedantes, son determinadas formaciones rocosas arcillosas. Se prefiere un sistema multibarrera, compuesto por el contenedor de residuos como barrera técnica, el material de relleno como barrera geotécnica y la roca huésped como barrera geológica. Este sistema tiene como objetivo aislar los residuos radiactivos del medio ambiente.
"Un ejemplo de este tipo de sistema es la combinación de formaciones arcillosas con el material de relleno bentonita, que se compone de diversos minerales arcillosos. Sabemos que tanto en la roca huésped como en el material de relleno se encuentran los llamados microorganismos reductores de sulfato. En nuestro trabajo investigamos con más detalle un representante del género Desulfosporosinus. Nos interesó especialmente su influencia sobre el uranio presente en el sistema bentonita-arcilla", explica el Dr. Stephan Hilpmann del Instituto de Ecología de Recursos HZDR.
El uranio puede presentarse en una variedad de compuestos y puede asumir diferentes estados de oxidación. En los depósitos naturales, el uranio se encuentra principalmente en forma tetravalente y hexavalente. En condiciones normales, los compuestos de uranio tetravalentes, a diferencia de los compuestos hexavalentes, son casi insolubles en agua. Los compuestos de uranio son tóxicos, aunque la toxicidad depende principalmente de su solubilidad. Este comportamiento distinto de los compuestos con diferentes estados de oxidación es de gran importancia para comprender los procesos en el depósito.
Desulfosporosinus vive en condiciones anaeróbicas:sólo crece en ausencia de aire. Esto permitió a los investigadores estudiar el microorganismo en condiciones realistas, como las que se encuentran en capas profundas de roca. Para ello, pusieron en contacto los cultivos bacterianos con soluciones de sales de uranio en agua porosa natural de la roca arcillosa, cubiertos por una atmósfera de nitrógeno que los protege del oxígeno atmosférico.
Observaron que las bacterias convierten el uranio hexavalente fácilmente soluble en agua en uranio tetravalente escasamente soluble. Las bacterias pueden depositar este uranio poco soluble en vesículas de membrana en la superficie celular en forma de incrustaciones.
El equipo supone que se trata de una reacción defensiva de los microorganismos, un comportamiento que se ha observado previamente en otros tipos de bacterias.
"Después de una semana, las bacterias han convertido alrededor del 40 por ciento del uranio originalmente disuelto en la variante poco soluble", informa Hilpmann.
El equipo también observó una nueva etapa de oxidación con uranio pentavalente, sobre cuya formación en este proceso no se sabía mucho hasta ahora. Esto se debe principalmente a su inestabilidad típica. Los investigadores sospechan que sólo pudieron detectar el uranio pentavalente porque las bacterias lo estabilizan hasta cierto punto en solución. Pudieron detectar este estado de oxidación incluso después de una semana.
Para observar los distintos compuestos de uranio, el equipo utilizó diversos métodos modernos de espectroscopia y microscopía. Los investigadores del HZDR tienen acceso a técnicas altamente especializadas en el Instituto de Investigación de Materiales y Física de Haces de Iones y en Rossendorf Beamline (ROBL), que el HZDR opera en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble. En la sede francesa, por ejemplo, se pueden investigar espectroscópicamente procesos radioquímicos. Aquí también han observado la formación de uranio pentavalente en el proceso utilizando un método llamado HERFD-XANES.
HERFD-XANES significa detección de fluorescencia con resolución de alta energía, que se combina con espectroscopia de absorción cercana al borde de rayos X. Este es un método espectroscópico de absorción de rayos X que se puede utilizar para estudiar el comportamiento de los electrones. El equipo pudo visualizar los agregados que contienen uranio en la superficie celular de Desulfosporosinus utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido junto con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva.
"Nuestros hallazgos profundizan nuestra comprensión de los complejos procesos en un potencial depósito final. También pueden ser relevantes para la eliminación de contaminantes radiactivos de aguas contaminadas y, por tanto, para su remediación", afirma Hilpmann.
Más información: Stephan Hilpmann et al, Presencia de uranio (V) durante la reducción de uranio (VI) por Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Ciencia del medio ambiente total (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.162593
Información de la revista: Ciencia del Medio Ambiente Total
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
