Сотрудники группы радиоэкологии и биогеотехнологии лаборатории химии технеция Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, а также лаборатории гетерогенного синтеза тугоплавких соединений ИФХЭ РАН и лаборатории физико-химических основ ингибирования коррозии металлов ИФХЭ РАН совместно с учёными из  Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН) и Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН провели оценку скорости коррозии термофильными микроорганизмами при температуре 55 градусов Цельсия в присутствии урана для углеродистой и нержавеющей стали.

Результаты показывают, что термофильные микробные сообщества гораздо больше, чем мезофильные (обитающие при температурах 10-30 градусов Цельсия), усиливают коррозионные процессы в материалах, которые используются для подземных хранилищ радиоактивных отходов.

Основная цель исследования состояла в том, чтобы промоделировать условия глубинного хранилища радиоактивных отходов, которое создаётся в скальном массиве на территории Красноярского края. В этом хранилище большую роль может играть термофильная микрофлора, поскольку из-за высокой радиоактивности температура бочек с радиоактивными отходами долго будет оставаться высокой. Термофильная микробиота по мере остывания бочек будет первой заселять хранилище и играть большую роль в происходящих в нём процессах.

В качестве источника микробиоты были использованы пробы, отобранные в горячем источнике Дикий Аржаан в Туве и в шахте Тау-Тона в ЮАР. Шахта Тау-Тона — одна из самых глубоких шахт мира (глубина — более 5 км). В ней на глубине несколько километров температура достигает 50-60 градусов Цельсия. Помимо золота, в шахте имеется уран, поэтому использование микробиоты из этой шахты было особенно ценным.

Исследователи провели серию экспериментов и выяснили, что термофильные микроорганизмы ускоряют процесс коррозии углеродистой и нержавеющей стали в присутствии урана в нейтральной и щелочной среде без доступа воздуха. Они растворяют пассивирующие (замедляющие коррозию) оксидные плёнки на поверхности материала, что даёт возможность коррозии развиваться вглубь.

Две изучаемые пробы бактерий различались по своему составу, что позволило оценить особенности протекания процесса коррозии сталей в различных условиях. Культура из Тувы, в которой доминировали бактерии с бродильным типом метаболизма, увеличила скорость коррозии стали в четыре-шесть раз. В данном случае коррозия усиливалась потому, что вырабатываемые бактериями кислоты растворяют магнетит и образуют различные комплексные соединения железа с органическими кислотами.

В бактериальной культуре из шахты Тау-Тона преобладали бактерии-восстановители металлов, которые могут активно восстанавливать соединения железа и соли урана. В их присутствии скорость коррозии для углеродистой стали значительно увеличилась — в 14 раз, и почти в четыре раза — для нержавеющей.

Присутствие в системе органических соединений (ацетата, трегалозы) также значительно (до 30 %) увеличивает скорость коррозии. Таким образом, важную роль в процессе коррозии могут играть как природные органические вещества, так и продукты микробного метаболизма.

Исследователи установили, что уранил (ион, в состав которого входит атом урана в степени окисления +6) как сильный окислитель может участвовать в коррозионном процессе. В присутствии уранила скорость коррозии всех видов стали увеличилась на 20 %. Отмечено, что микроорганизмы могут восстанавливать уранил до устойчивого соединения — диоксида урана, который не влияет на коррозию стали; более того, накопление труднорастворимых восстановленных форм урана в продуктах коррозии может, наоборот, замедлять коррозию стали. Важно отметить, что исследованные микробные сообщества были достаточно устойчивы к ионизирующему излучению и могли развиваться при концентрации урана более 50 мг/л.

По результатам экспериментов учёные предложили термодинамическую модель, описывающую процесс коррозии в абиотических и биотических условиях. Согласно разработанной модели, на первой стадии (возможно, при участии уранила) инициируется процесс окисления железа и образуется поверхностная плёнка из нерастворимого магнетита. При микробиологических процессах магнетит разрушается; при участии биогенного углерода образуется легко выветриваемый минерал сидерит. Таким образом, при оценке долговременной безопасности хранилищ радиоактивных отходов очень важно учитывать роль термофильных микроорганизмов. Необходимо принимать во внимание возможные негативные факторы, связанные с развитием микробиоты, и разрабатывать надёжные буферные материалы, предотвращающие попадание влаги к стальным контейнерам и содержащие биоцидные добавки, которые снизят риск протекания микробных процессов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проекты № 122011300078-1, № 122011300061-3, № 1220408000191-2). Результаты опубликованы в Journal of Nuclear Materials.

Текст: Алексей Сафонов.
Источник: ИФХЭ РАН.