Щелочестойкие бактерии способны повысить надежность подземных хранилищ ядерных отходов. Продукты их жизнедеятельности могут заделывать трещины в цементе, что помогает сохранять целостность защитных конструкций.

Проблема долговечности цементных барьеров

Один из наиболее безопасных способов хранения ядерных отходов — захоронение их под землей в специальных контейнерах, размещённых в тоннелях на глубине сотен метров. Для строительства таких хранилищ широко используется цемент: он служит как для создания несущих конструкций, так и для герметизации контейнеров и заполнения щелей.

Однако со временем даже прочный цемент может разрушаться под воздействием грунтовых вод, механических и химических факторов. В результате в материале образуются микротрещины и поры, которые могут привести к утечке радиоактивных веществ. Дополнительную сложность создает высокая щелочность цемента (pH 10–12): это свойство обеспечивает материалу долговечность и устойчивость к коррозии, но одновременно может ослаблять прилегающие защитные слои, что ставит под угрозу целостность всего хранилища.

Биотехнологический подход к восстановлению цемента

Группа британских ученых предложила использовать бактерии, предпочитающие щелочную среду, для восстановления бетона. Этот метод получил название микробно-индуцированное осаждение карбонатов (microbially induced carbonate precipitation, MICP). Подробности исследования опубликованы в журнале ACS Omega.

Химики изучили, как бетон изменяется со временем в присутствии таких бактерий. Они предположили, что продукты жизнедеятельности микроорганизмов помогут бетону самостоятельно заделывать трещины.

Эксперимент и его результаты

В течение шести месяцев исследователи проводили эксперимент с плитами из низкощелочного цемента (pH 10–11), который менее подвержен коррозии и достаточно прочен для долговременного использования. Бактерии, способные жить в щелочной среде, были собраны с природного участка с высоким pH и помещены в лабораторный раствор, имитирующий грунтовую воду. В этот раствор опускались цементные плиты, а количество органического материала в растворе варьировалось.

Механизм заделывания трещин следующий: бактерии перерабатывают органику, выделяя в процессе жизнедеятельности диоксид углерода. Этот газ реагирует с кальцием и магнием, вымываемыми из цемента, образуя кальцит и другие карбонатные минералы, которые заполняют трещины.

Эксперимент показал, что эффективность самозалечивания зависит от количества органического материала, доступного бактериям. В средах с высоким содержанием углерода бактерии проявляли высокую активность, производили больше диоксида углерода, что снижало pH окружающей воды и способствовало образованию большого количества кристаллов кальцита. Это позволяло эффективно запечатывать трещины и уменьшать пористость цемента. Однако при недостаточной концентрации органики процесс самозалечивания становился менее эффективным.

Перспективы применения

Ученые отмечают, что несмотря на успешные результаты эксперимента, необходимы дальнейшие исследования для проверки потенциала технологии MICP в более длительных временных масштабах и в сложных реальных условиях эксплуатации хранилищ ядерных отходов.