细菌“看管”核废料

文/今 夕

 

核能是一种高效能源,在给人类带来无尽益处的同时也带来了难题。由于核废料一般具有很强的放射性,需要大约20万年才能恢复到正常水平(即自然界中天然存在的铀的放射水平)。如何安全、长期地处置核废料是一个庞大的系统工程,涉及多学科研究,目前最常用的处理方法是深层掩埋法,即寻找合适的掩埋岩层将核废料储藏起来,以远离人类活动范围。这就需要特别注意深埋于地下的放射性物质发生泄漏。
最近,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员意外发现,细菌在安全处置核废料领域扮演着“盟友”的角色。由于天然存在的细菌可以消耗核废料中的氢气,从而有效控制气体压力,防止放射性物质泄漏。
具体来说,研究人员在地下数百米的岩层中,发现了由7种细菌组成的微生物群落,而这些岩层恰恰是核废料的填埋处。储存核废料的钢罐,被一层厚厚的膨润土密封后,埋在地质稳定的硬泥岩层,以使放射性物质与周围环境隔绝。但是,钢罐不可避免地会受到腐蚀,这就导致了氢气的产生。如果不加以控制,随着气体压力的积累,将会影响主体岩石的完整性,从而造成核泄漏的隐患。研究人员进一步发现,通过调整核废料处置库的设计,这些细菌不仅不会造成威胁,而且还可以通过消耗积聚在钢罐上的氢气来增加其安全性。

细菌如何“看管”核废料
一位资深的研究人员表示,即使在地下数百米,细菌也是随处可见的,为了生存,它们将利用任何可用的能源。在瑞士的泰利山岩石实验室,研究人员发现,地下300米处的水样中存在一个有着封闭食物链的细菌群落,其中有许多细菌之前从未被观察过。在原始条件下,位于菌群食物链底部的细菌,从主体岩石中的氢气和硫酸盐中获取能量,在这基础上,底层细菌又为食物链中更高级的细菌提供了能量。以此,形成细菌群落的生存模式。
在泰利山硬泥岩层中心,研究人员对地下细菌进行了“氢气吸收水平”的测试研究。在将近2年的时间内,研究人员通过增加硬泥岩层中心区域的氢气浓度,采用生物化学途径和蛋白质监测技术,分析细菌群落的组成以及每种细菌对氢气浓度变化的响应。
研究人员监测发现,即使细菌耗光了所有可用的氧和铁,细菌的数量和新陈代谢依然会发生变化,这些都是由于细菌利用了氢气所致。其中,2种细菌能够利用氢气驱动新陈代谢。正是这2种细菌的蓬勃发展,使其他细菌的生长受到抑制。这是个好消息,因为细菌群落的增殖有助于防止氢气的积聚。毕竟累积的氢气会升高压力,使岩层产生裂缝,最终导致核泄漏。

细菌成为生物屏障
那么,如何使用这些研究发现,才能让核废料处置库变得更安全?研究人员建议,在原有的3个核废料屏障基础上增加第4个屏障——生物屏障。也就是说,可以在膨润土和主体岩石之间添加一层多孔材料,这种多孔层将为细菌提供一个理想的“栖息地”,使其可以从主体岩石中获取硫酸盐和消耗氢气。
但是,仍然有问题困扰研究人员:此细菌群落的基因组研究表明,这些细菌不仅消耗氢气,还可能将氢气转化为甲烷。这当然不是研究人员希望看到的。泰利山岩石实验室的研究人员还在继续观察这些细菌是否真的会生成甲烷,目前还没有得出确切结论。

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