Microbial activity in bentonite in relevance to deep geological repository for radioactive waste
Title Alternative:Ph.D. Thesis
Loading...
Date
2024-12-17
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Bentonit je klíčovou součástí inženýrských bariér pro ukládání jaderného odpadu v hlubinných úložištích radioaktovního odpadu (HÚ RAO). Protože však aktivita přirozených mikroorganismů v bentonitu může potenciálně ohrozit dlouhodobou integritu tohoto systému, zaměřili jsme se na výzkum vlivu různých faktorů relevantních pro úložiště na tyto mikroorganismy v různých stavech bentonitu (práškový/suspenze/zhutněný). První tři experimenty se zaměřily na simulaci vlivu teploty, bobtnacího tlaku a ozařování odpovídajícího různým fázím vývoje hlubinného úložiště na mikrobiální aktivitu a schopnost přežití. Čtvrtý experiment byl zaměřen na vývoj účinných sterilizačních technik pro získání sterilního bentonitu, který je nezbytný pro pochopení mikrobiálních účinků v úložišti a pro provádění dalších experimentů.
Naše výsledky z prvního experimentu s použitím českého bentonitu Černý Vrch (BCV) ukázaly, že hydrostatický bobtnací tlak (10, 12 a 15 MPa) není klíčovým limitujícím faktorem, který by bránil mikrobiální aktivitě ve zhutněném bentonitu. Dále jsme prokázali, že vystavení bentonitové suspenze teplotám nad 70 °C znatelně ovlivňuje životaschopnost mikrobů, přičemž kritickou hranicí pro jejich přežití je 90 °C . Podobně druhý experiment prokázal, že vystavení bentonitů BCV a MX-80 kombinaci zvýšených teplot (90 °C a 150 °C ) a/nebo gama záření (0,4 Gy.h-1) po dobu až 18 měsíců způsobilo výrazné snížení životaschopnosti mikroorganismů bez ohledu na stav bentonitu (práškový, suspenzní nebo zhutněný), přičemž vliv teploty zcela zastínil účinky ozáření. Tyto výsledky naznačují možný vývoj abiotické zóny v bentonitu kolem úložného obalového souboru po jeho uložení. Výsledky třetího experimentu ukázaly, že chronické ozařování dávkovým příkonem 0,1 Gy.h-1 relevantním pro HÚ RAO má minimální vliv na mikrobiální aktivitu a složení mikrobiálních společenstev, a proto nízké dávky ionizujícího záření působící v HÚ RAO nebudou pravděpodobně představovat limitující faktor pro přežívání mikrobů v bentonitu. Na druhou stranu přítomnost živin (práškového železa) měla významnější vliv na početnost a složení mikrobů než ozáření, a to jak v bentonitové suspenzi, tak ve zhutněném bentonitu. V neposlední řadě náš výzkum pomohl vyvinout účinnou metodu sterilizace bentonitu BCV pro získání abiotických kontrol. Aplikace dávky záření nejméně 30 kGy se ukázala jako vysoce účinná pro sterilizaci bentonitového prášku. Na druhou stranu opakovaná sterilizace suchým teplem (4 hodiny při 121 °C ) nepředstavovala účinnou sterilizační techniku a ve vzorcích bentonitového prášku jsme identifikovali některé termotolerantní mikroorganismy, jako jsou Bacillus, Paenibacillus a Terribacillus. Zajímavé je, že bentonitová suspenze vyžadovala k úplné sterilizaci pouze čtyři opakované tepelné cykly, což dokazuje silný vliv vlhkosti na odolnost mikroorganismů a jejich spor vůči teplu.
Tento výzkum rozšiřuje naše chápání mikrobiální aktivity v hlubinných geologických úložištích (DGR), zejména v bentonitových bariérách. Identifikuje faktory, které ovlivňují mikrobiální aktivitu a životaschopnost, čímž zlepšuje dlouhodobé předpovědi a hodnocení bezpečnosti. Pochopení mikrobiální dynamiky je klíčové pro odhad rizik a zajištění integrity a bezpečnosti hlubinných geologických úložišť jaderného odpadu.
Bentonite is a crucial component of the engineered barrier system for nuclear waste within deep geological repositories (DGR). However, since the activity of indigenous microorganisms in bentonite could potentially compromise the long-term integrity of this system, this research explored the impact of various repository-relevant factors on these microorganisms in different states of bentonite (powder/suspension/compacted). The first three experiments focused on simulating the effects of temperature, swelling pressure, and irradiation corresponding to the various stages of the deep geological repository's evolution on microbial activity and survivability. The fourth experiment then focused on developing effective sterilization techniques to obtain sterile bentonite, which is essential for comprehending the microbial effects in the repository and designing further research experiments. Our key findings from the first experiment using Czech bentonite Černý Vrch (BCV) demonstrated that hydrostatic swelling pressures (10, 12, and 15 MPa) is not the key limiting factor to hinder microbial activity in compacted bentonite. We further demonstrated that exposure of bentonite suspension to temperatures above 70 °C notably affected microbial viability, with 90 °C being a critical threshold for their survivability. Similarly, the second experiment demonstrated that subjecting BCV and MX-80 bentonites to a combination of elevated temperatures (90 °C and 150 °C ) and /or gamma radiation (0.4 Gy.h-1) for up to 18 months caused a significant reduction of microbial viability regardless of bentonite state (powder, suspension or compacted), and the temperature effect completely overshadowed the effects of irradiation. These results implicate the possible development of an abiotic zone in bentonite around the nuclear waste canister after the waste deposition. The findings from the third experiment revealed that chronic gamma radiation at dose rates (0.1 Gy.h-1) relevant to DGR has minimal impact on microbial activity, and thus, low doses of ionizing radiation exerted in DGR cannot be the limiting factor for microbial survival in bentonite. On the other hand, nutrient presence (iron powder) had a more significant effect on microbial abundance and composition than irradiation both in bentonite suspension and compacted bentonite. Finally, our investigation helped to develop an efficient sterilization method for BCV bentonite to obtain abiotic controls. The application of a radiation dose of at least 30 kGy proved to be a highly effective to sterilize bentonite powder. On the other hand, repeated dry heat sterilization (4 hours at 121 °C ) was not an effective sterilization technique, and we identified several thermotolerant microorganisms such as Bacillus, Paenibacillus, and Terribacillus in bentonite powder samples. Interestingly, bentonite suspension required only four repeated heat cycles for complete sterilization, demonstrating the strong effect of humidity on microbial (spore) heat resistance. This research enhances our comprehension of microbial activity in DGR, especially within bentonite barriers. It identifies the factors that affect microbial activity and survivability, thereby improving long-term predictions and safety assessments. The study emphasizes the necessity of understanding microbial dynamics in order to manage risks and ensure the integrity and safety of deep geological repositories for nuclear waste.
Bentonite is a crucial component of the engineered barrier system for nuclear waste within deep geological repositories (DGR). However, since the activity of indigenous microorganisms in bentonite could potentially compromise the long-term integrity of this system, this research explored the impact of various repository-relevant factors on these microorganisms in different states of bentonite (powder/suspension/compacted). The first three experiments focused on simulating the effects of temperature, swelling pressure, and irradiation corresponding to the various stages of the deep geological repository's evolution on microbial activity and survivability. The fourth experiment then focused on developing effective sterilization techniques to obtain sterile bentonite, which is essential for comprehending the microbial effects in the repository and designing further research experiments. Our key findings from the first experiment using Czech bentonite Černý Vrch (BCV) demonstrated that hydrostatic swelling pressures (10, 12, and 15 MPa) is not the key limiting factor to hinder microbial activity in compacted bentonite. We further demonstrated that exposure of bentonite suspension to temperatures above 70 °C notably affected microbial viability, with 90 °C being a critical threshold for their survivability. Similarly, the second experiment demonstrated that subjecting BCV and MX-80 bentonites to a combination of elevated temperatures (90 °C and 150 °C ) and /or gamma radiation (0.4 Gy.h-1) for up to 18 months caused a significant reduction of microbial viability regardless of bentonite state (powder, suspension or compacted), and the temperature effect completely overshadowed the effects of irradiation. These results implicate the possible development of an abiotic zone in bentonite around the nuclear waste canister after the waste deposition. The findings from the third experiment revealed that chronic gamma radiation at dose rates (0.1 Gy.h-1) relevant to DGR has minimal impact on microbial activity, and thus, low doses of ionizing radiation exerted in DGR cannot be the limiting factor for microbial survival in bentonite. On the other hand, nutrient presence (iron powder) had a more significant effect on microbial abundance and composition than irradiation both in bentonite suspension and compacted bentonite. Finally, our investigation helped to develop an efficient sterilization method for BCV bentonite to obtain abiotic controls. The application of a radiation dose of at least 30 kGy proved to be a highly effective to sterilize bentonite powder. On the other hand, repeated dry heat sterilization (4 hours at 121 °C ) was not an effective sterilization technique, and we identified several thermotolerant microorganisms such as Bacillus, Paenibacillus, and Terribacillus in bentonite powder samples. Interestingly, bentonite suspension required only four repeated heat cycles for complete sterilization, demonstrating the strong effect of humidity on microbial (spore) heat resistance. This research enhances our comprehension of microbial activity in DGR, especially within bentonite barriers. It identifies the factors that affect microbial activity and survivability, thereby improving long-term predictions and safety assessments. The study emphasizes the necessity of understanding microbial dynamics in order to manage risks and ensure the integrity and safety of deep geological repositories for nuclear waste.
Description
Subject(s)
Bentonit, gama záření, geologické úložiště, mikrobiální aktivita, radioaktivní odpad, zvýšená teplota