Microbiology in relation to nuclear waste repository safety

Mgr. Rojina Shrestha

Doctoral thesis

Abstract:

The globally accepted strategy for the management and treatment of high level and long-lived radioactive waste is to dispose the waste in a deep and stable geological formation. The physicochemical aspects have been carefully studied to ensure the long-term safety of the repository, while the influence of microorganisms was until recently rather underestimated, although it is well known that microorganisms can survive and propagate under environmental conditions expected in nuclear waste repositories. Anaerobic microorganisms with diverse types of metabolism present in the groundwater or buffer material may influence and compromise the long-term safety performance of the repository. This thesis, therefore, intends to improve the knowledge about the influence of microbial processes on radioactive waste disposal. Particularly microbial activity and survivability under different repository relevant conditions were studied with a focus on the effect of variable doses of irradiation on the microorganisms, the evolution of anaerobic microbial ecosystem with and without added nutrients, and microbial interactions with cementitious material. Moreover, microbially influenced corrosion of carbon steel was studied under anaerobic conditions. All the experiments except the radiation one were carried out under a strictly anaerobic atmosphere in an argon-purged glove box with gaseous oxygen concentration lower than 1 ppm. The results were obtained employing a multidisciplinary approach combining advanced microscopy methods such as electron microscopy or electrochemical impedance spectroscopy analysis with molecular biology-based methods such as NGS and qPCR. Chemical analyses were performed using ion-chromatography or spectroscopy methods. Anaerobic microorganisms including sulfate, iron, and nitrate-reducing bacteria were mostly detected in the samples. Application of 19,656 Gy total absorbed dose of Gama radiation at the constant dose rate of 13 Gy/hr did not completely eradicate bacteria present in bentonite. Bacteria also strongly influenced the corrosion rate of carbon steel comparing to samples in sterile conditions. Particularly, abundance of Methyloversatilis population positively correlated with corrosion rates. The presence of mackinawite, a corrosion product usually attributed to the activity of sulfate-reducing bacteria, was confirmed by Raman spectroscopy. Furthermore, the presence of concrete, although rich in specific indigenous microflora, strongly reduced the relative abundance of bentonite bacteria in studied samples and especially the growth of SRB was limited in the concrete environment. All these effects might have a negative impact on repository safety and should be further studied in following laboratory experiments and in-situ conditions in underground research laboratories.

Abstract:

V současnosti je všeobecně přijímaná strategie managementu a ukládání radioaktivního odpadu v úložišti hluboko v geologickém masivu. Zatímco fyzikálně-chemické aspekty úložiště jsou již desetiletí pečlivě studované s cílem zajistit jeho dlouhodobou bezpečnost, vliv mikroorganizmů byl ještě nedávno podceňovaný, i když je známo, že mikroorganizmy dokáží přežít a rozmnožovat se i v podmínkách úložiště. Metabolicky různorodé anaerobní mikroorganizmy, které jsou přítomné v podzemní vodě i bentonitech, mohou negativně ovlivňovat dlouhodobou bezpečnost úložiště. Tato disertace je proto zaměřená na studium vlivu mikrobiálních procesů v úložišti radioaktivních odpadů. Konkrétně je zaměřená na mikrobiální aktivitu a životaschopnost v simulovaných podmínkám, které mohou nastat v úložišti. Byl studován vliv různých dávek radioaktivního záření, vývoj mikrobiálního společenstva při různých koncentracích živin a interakce mikroorganizmů s bentonitem a betonem. Dále byla studovaná mikrobiálně ovlivněná koroze uhlíkové oceli v anaerobních podmínkách. Všechny experimenty, s výjimkou ozařovacího, byly provedené v anaerobním boxu s koncentrací plynného kyslíku do 1 ppm. Výsledky byly získány pomocí multidisciplinárního přístupu kombinujícího elektronovou mikroskopii, elektrochemickou impedanční spektroskopii s molekulárně biologickými metodami NGS sekvenování a kvantitativní PCR. Chemické analýzy byly provedené pomocí iontové chromatografie a spektroskopie. Nejčastěji byly detekovány anaerobní mikroorganizmy zahrnující sírany, železo a dusičnany redukující bakterie. Gama záření o celkové dávce 19656 Gy a konstantním dávkovém příkonu 13 Gy/h, nedokázalo úplně zničit bakterie v bentonitu. Bakterie také značně ovlivnily rychlost koroze uhlíkové oceli v porovnání se vzorky, které byly inkubované ve sterilních podmínkách. Například hustota populace bakterie rodu Methyloversatilis pozitivně korelovala s rychlostí koroze. Byla také potvrzena přítomnost mackinawitu, pravděpodobného produktu koroze indukované síran redukujícími bakteriemi. Dále bylo ukázáno, že přítomnost betonu, ačkoli obsahuje bohatou přirozenou mikroflóru, významným způsobem snižovala celkové početnosti přirozených bentonitových bakterií ve studovaných vzorcích a obzvláště potlačovala růst síran redukujících bakterií. Všechny tyto jevy mohou mít negativní efekt na bezpečnost úložiště a měly by proto být dále studovány in-situ v podzemních výzkumných laboratořích.

Keywords

mikrobiální aktivita, mikrobiálně ovlivněná koroze, radioaktivní odpad, geologické úložiště, podzemní voda, bentonit, beton

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 10. 2020

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Alena Ševců, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Sciences in Engineering / Applied Sciences in Engineering