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Irene Cardaio

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Promotionsarbeiten

Interactions between anaerobic microorganisms and technetium for its immobilization through a microbial-induced reduction of the soluble TcVII to TcIV

Promotionsstudent:

Irene Cardaio

Betreuer:

Prof. Dr. Thorsten Stumpf, Dr. Natalia Mayordomo Herranz, Dr. Andrea Cherkouk (HZDR)

Abteilung:

Grenzflächenprozesse

Zeitraum:

09/2022–08/2025

Geologische Tiefenlager für nukleare Abfälle basieren auf einem Konzept mit mehreren Barrieren, das das natürliche Wirtsgestein, ein pufferndes Dichtungsmaterial, z. B. Bentonit, und einen Metallbehälter für die radioaktiven Abfälle umfasst, um die Abfälle von der Biosphäre zu isolieren. Bei der Langzeitlagerung nuklearer Abfälle wird Bentonit jedoch durch verschiedene Prozesse beeinflusst, z. B. durch mikrobielle Aktivität, die im Laufe der Zeit seine physikalisch-chemischen Eigenschaften und damit seine Leistung im Endlager beeinträchtigen können1, 2. Die metabolische Produktion von H2S und FeS2 kann zum Beispiel die Korrosion des Behälters und die Integrität des Tons beeinflussen. Mikrobielle Stoffwechselreaktionen, wie die Sulfatreduktion, sind sowohl für die Mobilisierung als auch für die Immobilisierung von toxischen Verbindungen und Radionukliden verantwortlich3, 4.

Nukleare Abfälle stellen eine der Hauptquellen für gefährliche Stoffe dar, unter denen Technetium (Tc) eine entscheidende Rolle spielt. Die wichtigsten Oxidationsstufen von Tc in Abwesenheit von organischen Molekülen sind TcIV und TcVII, und ihre Spezies sind für das Schicksal von Tc in der Umwelt verantwortlich. Unter aeroben oder oxidativen Bedingungen bildet Tc das gut lösliche Anion Pertechnetat TcVIIO4−, während unter anaeroben oder reduzierenden Bedingungen eher schwerlösliche TcIV-Verbindungen wie Tc-Oxide, z. B. TcIVO2, -Sulfide oder TcIV-mineralische sorbierte Spezies (Pyrit5, FeS2; Magnetit6, [FeIIFeIII2O4]; Chukanovit7, [Fe2(OH)2(CO3)]) zu finden sind. Sulfat- und eisenreduzierende Bakterien können zu reduzierten S- oder Fe-Spezies8, 9 führen, die die Reduktion von TcVII zu TcIV fördern können. So können Bakterien als Ergebnis ihrer Stoffwechselreaktionen Mineralien bilden, z. B. Pyrit10 (FeIIS2) und "Green rust"11 (FeII-FeIII-Schichtdoppelhydroxid), die Tc12 immobilisieren können.

Ziel dieses Promotionsprojekts ist eine umfassende Beschreibung und Bewertung des Verhaltens von Bakterien gegenüber Tc-Spezies und ihrer Rolle bei der Immobilisierung von Technetium. Es wurden zwei anaerobe Bakterien ausgewählt: Desulfitobacterium sp. G1-213 und Pseudodesulfovibrio äspoeensis14, die aus FEBEX-Bentonit bzw. aus Grundwasserproben des unterirdischen Forschungslabors Äspo (Schweden) isoliert wurden. Diese Bakterien könnten unter Endlagerbedingungen vorkommen, aber ihre Wechselwirkung mit Tc wurde noch nicht untersucht. Diese beiden Bakterienarten dürften vielversprechende Kandidaten für die TcVII-Reduktion über indirekte (Desulfitobacterium sp. G1-2) oder direkte (Pseudodesulfovibrio äspoeensis) Wege sein. Eine fundierte Charakterisierung der Reaktionsmechanismen, die mikroskopische, spektroskopische und elektrochemische Methoden kombiniert, soll durchgeführt werden. Das Promotionsvorhaben wird im Rahmen der NukSiFutur-Nachwuchsgruppe TecRad (02NUK072) durchgeführt, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird.

Foto: Desulfitobacterium sp. G1-2 ©Copyright: Irene Cardaio

a) Desulfitobacterium sp. G1-2 in DSMZ 579 nach 3 Tagen, 30 °C, Vergrößerung: 40×; b) Desulfitobacterium sp. G1-2 in DSMZ 579, Nahaufnahme von Niederschlagsstruktureinheiten, beobachtet nach 10 Tagen an der Luft, Vergrößerung: 100×

Referenzen

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  2. Ruiz-Fresneda, M. A., Martinez-Moreno, M. F., Povedano-Priego, C., Morales-Hidalgo, M., Jroundi, F., Merroun, M. L. (2023). Impact of microbial processes on the safety of deep geological repositories for radioactive waste. Frontiers in Microbiology, 14:1134078. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1134078.
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  13. J. Drozdowski, et al. Institute of Resource Ecology 2018 annual report. HZDR-096 (2019) p. 40, Hyperlink.
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