Scienty

Бактерии, устойчивые к щелочной среде, способны повысить защиту захоронений ядерных отходов, расположенных под землей. Вещества, образующиеся в процессе их жизнедеятельности, могут устранять трещины в цементных конструкциях.

Фото: img.freepik.com

Ядерные отходы можно безопасно хранить, помещая их под землей, где они окружены несколькими барьерами. Как правило, их помещают в специальные емкости и располагают в туннелях, расположенных на глубине сотен метров. Цемент используется при возведении объектов для захоронения отходов как для создания прочных конструкций, так и для заполнения пустот и герметизации контейнеров.

Даже цемент, обладающий высокой прочностью, со временем подвержен разрушению, в частности, из-за воздействия грунтовых вод. Механическое и химическое воздействие приводит к образованию в цементе микротрещин и пор, что может вызвать утечки радиоактивных отходов.

Проблему усугубляет тот факт, что цемент нередко является сильнощелочным веществом. Причина этого — высокий pH, благодаря содержанию от 10 до 12, это вещество обладает долговечностью и устойчивостью к коррозии. Однако, именно это свойство приводит к ослаблению защитных слоев, примыкающих к цементу, что может поставить под угрозу целостность всего хранилища.

Британские ученые разработали способ восстановления бетона, основанный на использовании бактерий, предпочитающих щелочную среду. Метод получил название микробно-индуцированное осаждение карбонатов ( microbially induced carbonate precipitation, MICP ). Научная статья с деталями опубликована в журнале ACS Omega.

Исследователи-химики изучили, как бетон претерпевает изменения под воздействием бактерий с течением времени. Они полагали, что метаболиты, образующиеся в процессе жизнедеятельности бактерий, окажут положительное влияние на бетон самозалечивать трещины.

Для оценки реализуемости задуманного, группа ученых осуществила шестимесячный эксперимент. В ходе исследования применялись плиты, изготовленные из цемента с пониженным уровнем щелочности ( pH 10–11), обладающий повышенной устойчивостью к коррозии по сравнению с обычными материалами, и достаточно прочный для эксплуатации в течение многих веков. Бактерии, обитающие в щелочной среде, были отобраны из природного участка с высоким pH. Образцы поместили в лабораторный раствор, который воспроизводит состав грунтовых вод, и опустили в него цементные плиты. Содержание органических веществ в растворе изменялось.

Процесс заживления трещин обусловлен деятельностью микроорганизмов, которые в ходе метаболизма выделяют диоксид углерода. Этот газ взаимодействует с кальцием и магнием, высвобождающимися из цемента, что приводит к образованию кальцита и других карбонатных минералов, заполняющих дефекты.

Согласно результатам эксперимента, ученые пришли к выводу, что на эффективность процесса самовосстановления влияет объем органических веществ, доступных бактериям. В средах с большим количеством углерода бактерии проявили высокую активность, произвели большое количество диоксида углерода, который снижал pH окружающей воды и способствовал образованию множества кристаллов кальцита. Это запечатало трещины и уменьшило пористость цемента. Также исследователи узнали, что при определенной концентрации органики может стать недостаточно для самозалечивания цемента.

По мнению исследователей, несмотря на успешное завершение эксперимента, требуется продолжение работы для оценки его возможностей MICP в более длительных временных масштабах и в более сложных условиях.