Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
410
Los Alamos Science Number 26 2000
Химические взаимодействия актиноидов в окружающей среде
взаимодействия актиноидов с микроорганизмами. Во всех водоносных горизонтах и почвах существует множество микроорганизмов, и многие из них выживают в самых экстремальных условиях, таких как геотермальные выбросы на дне океана, глубокие подземные водоносные горизонты, сверхсоленость геологических соляных пластов.
Микроорганизмы могут скапливаться на поверхностях твердых тел путем образования биопленок либо находиться в подвешенном состоянии в водоносном горизонте. В этом случае они действуют как подвижные или даже самодви-жущиеся коллоиды. Дело в том, что актиноиды могут образовывать ассоциации с микробами либо путем образования поверхностных связей, либо путем метаболического поглощения и переноситься ими в окружающей среде. Однако роль микроорганизмов в процессе переноса радиоактивных загрязняющих веществ в окружающей среде, в сущности, еще неизвестна.
Известно также, что микроорганизмы, особенно бактерии, являются посредниками в окислительно-вос-становительных процессах. Они могут восстанавливать элементы из более высоких окислительных состояний и использовать энтальпию окислительновосстановительной реакции для роста и воспроизводства. В ходе метаболической деятельности микробы могут создавать восстановительные условия, меняя pH и Eh локальных вод. Хотя прямого экспериментального доказательства еще нет, но почти наверняка известно, что некоторые микробы могут катализировать переход урана, нептуния и плутония в менее растворимые формы. В литературе имеются сообщения о нескольких штаммах бактерий, которые эффективно восстанавливают высокоподвижный U(VI) с образованием намного менее растворимого и подвижного U(IV).
Микробы с такими характеристиками могли бы стать третьим естественным барьером переносу актиноидов из геологических хранилищ и способствовать очистке загрязненной актиноидами почвы, подземных вод и потоков с отходами. Наша цель - использовать микроорганизмы как “живой” материал для иммобилизации актинои-
дов посредством таких процессов, как биовосстановление, биосорбция или биоосаждение и минерализация. Однако в настоящее время бактерии редко используются в стратегиях реабилитации территорий и демонстрационных испытаниях.
В последние годы в исследованиях, проводимых в Лос-Аламосской лаборатории, связанных с ОЗИО, большое внимание уделяется изучению взаимодействия урана и плутония со стенками клеток или побочными продуктами бактерий, такими как внеклеточные биополимеры, а также токсичности и живучести микроорганизмов в присутствии актиноидов. Френсис и др. (1998) показали, что актиноиды только на нижних уровнях ассоциированы с галофильны-ми бактериями, изолированными от грязевых реакторных солей в окрестности ОЗИО. Степень ассоциации меняется в зависимости от культуры бактерий, актиноидных форм, значения pH и присутствия органических или неорганических комплексообразующих элементов. Установлено, что радиолитическое влияние на живучесть микробов незначительно.
Однако другие микроорганизмы могут в большой степени концентрировать в себе ионы металлов. Хирс-ман и др. (1993) наблюдали сильное поглощение плутония микроорганизмами pseudomonas sp. В течение первой недели эксперимента концентрация плутония в бактериях почти в 10000 раз превысила соответствующее значение в стерильном контрольном организме. Меньшее поглощение наблюдалось при продолжительности контакта две и более недель. Известно, что другой штамм этих бактерий, pseudomonas mendocina, извлекает свинец из гидроксидов/оксидов Fe(III). Исследовалась также возможность извлечения им радионуклидов из этих распространенных в окружающей среде минералов. На самом деле, Kpe-мер и др. (2000) обнаружили, что этими аэробно растущими бактериями удалено 20% сорбированного плутония примерно за четверо суток. В настоящее время экспериментальные условия оптимизированы таким образом, что большая часть сорбированного плутония удаляется, и максимально расширяются возможности применения бактерий в стра-
тегиях рекультивации почв.
Леонард и др. (1999) также исследовали подавляющее и токсичное влияние оксида магния MgO на культуры бактерий, распространенные на ОЗИО. Оксид магния представляет особый интерес, поскольку он был выбран в качестве материала засыпки в хранилище ОЗИО для поддержания значений pH между 9 и 10 с целью снижения количества инфильтрующейся воды и ограничения количества CO2, которое может накапливаться в результате разложения целлюлозы и других органических соединений в отходах. Первые исследования показывают замедление роста клеток по мере увеличения количества MgO, а также уменьшение объема вырабатываемого активными галофильны-м и микробами газа (N2O). В конечном счете токсичный эффект MgO проявляется в замедлении роста бактерий, а, следовательно, микроорганизмы могут оказаться неспособными создавать восстановительную среду в хранилище, которая стабилизировала бы актиноиды.
Более подробное исследование механизма микробной ассоциации проводилось с использованием результатов анализа поглощения урана и плутония изолирующими агентами и внеклеточными полимерами (экзополимерами). Например, некоторые экзополимеры, образуемые штаммом bacillus Iichenifor-mis, состоят из периодической у-поли-глутаминовой кислоты (у-ПГК). Hey и др. наблюдали осаждение гидроксида актиноида при отношениях металла к глу-тамату более чем 1:20, но ионы U(VI) и Pu(IV) образовывали растворимые комплексы при отношениях соответственно 1:100 и 1:200. Предположительно при более высоких концентрациях ПГК ион актиноида заключен в оболочку и изолирован от гидроксо-коллоидного образования. Прочность связи в случае U(VI) и Pu(IV) меньше, чем для других сильных лигандов и хелаторов, таких как тирон и НТК, но она того же порядка, что и для других экзополимеров и гуминовых кислот.
