Микроорганизмы, любящие щелочь, могут защитить ядерные отходы под землёй

Миллиарды микроорганизмов, предпочитающих щелочную среду, могут предложить новый способ защиты ядерных отходов, захороненных глубоко под землёй. Этот подход преодолевает ограничения традиционных цементных барьеров, которые со временем могут трескаться или разрушаться.

Одним из лучших способов изолировать ядерные отходы является их захоронение в геологических хранилищах — специальных контейнерах в туннелях и камерах на глубине сотен метров. Цемент используется для структурной поддержки, герметизации зазоров и инкапсуляции контейнеров с отходами. Хотя цемент — прочный материал, грунтовые воды со временем вступают с ним в реакцию, образуя микроскопические трещины и поры, через которые может просочиться радиация.

Проблема усугубляется тем, что традиционный цемент обладает высокой щёлочностью (pH более 12) и коррозионной активностью, что может ослабить соседние защитные слои, например, глиняные барьеры, и поставить под угрозу безопасность всего хранилища.

На помощь приходят микробы

Группа учёных из Великобритании разработала новое решение, основанное на микробиологически индуцированном осаждении карбонатов (МИОК). Это механизм самовосстановления в низкощелочном цементе. Процесс запускается, когда микроорганизмы потребляют органический материал и производят углекислый газ. CO₂ затем реагирует с кальцием и магнием, выщелачиваемыми из цемента, с образованием кальцита и других карбонатных минералов. Эти минералы запечатывают трещины, создавая самовосстанавливающийся барьер.

Аннотация. Автор: ACS Omega (2025). DOI: 10.1021/acsomega.5c04312

«Микробный метаболизм в этих условиях приводит к микробиологически индуцированному осаждению карбонатов (МИОК), что может быть полезно для стабильности хранилища», — написали учёные в статье, опубликованной в журнале ACS Omega.

Шестимесячный эксперимент

Для проверки гипотезы команда провела шестимесячный эксперимент. Они использовали плиты из низкощелочного цемента (pH 10–11), который менее агрессивен, чем традиционный, и достаточно прочен, чтобы прослужить тысячелетия. Учёные также собрали бактерии, любящие щелочь, с естественного участка с высоким pH и поместили их в синтетическую грунтовую воду вокруг цемента. Чтобы смоделировать разные уровни разлагающихся отходов под землёй, они варьировали количество органического материала (например, лактата), доступного бактериям. Затем оставалось только ждать результатов.

СЭМ и РФА-анализ цементных таблеток из системы с высоким содержанием углерода. Автор: ACS Omega (2025). DOI: 10.1021/acsomega.5c04312

Через шесть месяцев учёные обнаружили, что эффективность процесса самовосстановления полностью зависела от количества органического материала, доступного бактериям. Когда пищи было много (системы с высоким содержанием углерода), микробы были очень активны, производя большое количество углекислого газа, что снижало pH окружающей воды и приводило к образованию большого количества кальцита. Это запечатывало трещины и снижало пористость цемента.

Однако, когда органики было мало (в системах с низким содержанием углерода), кальцита образовывалось очень мало, так как бактерии не могли производить достаточно CO₂.

Хотя эксперимент был успешным, необходима дальнейшая работа, чтобы проверить потенциал МИОК на более длительных временных промежутках и в более сложных условиях.

Интересный факт: Технологии биоминерализации, подобные МИОК, находят применение не только в ядерной безопасности. Например, их исследуют для самовосстановления бетонных конструкций, укрепления грунтов, очистки воды от тяжёлых металлов и даже для создания строительных материалов на других планетах в будущем.