低pH值水泥中由微生物诱导的碳酸盐沉淀作用；在放射性废物地质处置系统中的自修复潜力

《ACS Omega》：Microbially-Induced Carbonate Precipitation in Low pH Cement; Potential for Self-Healing in Radioactive Waste Geodisposal Systems

微生物与低pH水泥在地质处置库中的相互作用研究表明，高有机碳（如乳酸盐）环境可促进微生物代谢，驱动硝酸盐还原和碳酸沉淀，有效减少水泥孔隙率和裂纹，增强结构稳定性。低碳或无碳条件下微生物活性受限，沉淀量少，离子泄漏显著。该研究揭示了碳源和电子受体对生物矿化过程的关键调控作用，为地质处置库中水泥屏障的长效性优化提供了依据。

　　本研究探讨了低pH水泥在模拟地质处置设施（GDF）条件下的微生物相互作用，特别是有机碳和电子受体的可用性对微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）过程的影响。这些发现对于理解低pH水泥在放射性废物地质处置设施中的长期行为具有重要意义，因为它们揭示了微生物活动可能对水泥结构和其作为屏障功能的双重影响。通过一系列微宇宙实验，研究团队评估了在不同碳负荷和电子受体存在情况下的水泥变化情况，从而提供了关于微生物如何在极端化学环境中影响水泥性能的宝贵信息。

在地质处置设施中，地下水与工程水泥屏障相互作用，这些屏障用于废物封装、填充材料以及建筑结构。随着放射性废物数量的增加，特别是英国预计未来百年内将增加至少450万吨的废物库存，其中约440万吨属于低级和中级放射性废物（LLW和ILW），传统的存储方式已不再适用。因此，国际原子能机构提出了新的指导方针，以确保放射性废物的安全隔离。低pH水泥作为一种新的替代材料，旨在减少对周围材料的化学干扰，同时保持其作为化学屏障的功能，并维持设施的结构完整性。这种水泥通常通过减少普通波特兰水泥（OPC）的使用，并添加其他材料如粉煤灰、高炉矿渣、硅灰或非火山灰粉，以降低其碱性并提高其机械稳定性。

研究发现，微生物在低pH水泥系统中的活动对水泥的微结构变化具有显著影响。在高碳系统中，乳酸作为电子供体，与硝酸盐作为电子受体结合，促进了硝酸盐的还原和碳酸盐的沉淀，这导致了pH值的显著下降（从10.0降至8.8）以及钙离子浓度的减少（从9.2 mM降至4.7 mM）。这种变化可能与碳酸的生成有关，碳酸与钙和镁离子反应，形成碳酸钙和碳酸镁沉淀，从而修复了水泥中的裂缝并减少了孔隙率。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析进一步确认了这些沉淀物的成分，显示出钙和镁的富集，以及碳酸盐矿物的形成。此外，微CT（μ-XCT）分析显示，高碳系统中的水泥表面形成了更广泛的碳酸盐沉积层，并且大孔径（200-400 μm）的孔隙数量显著减少，这表明裂缝和孔隙被碳酸盐填充，从而提高了水泥的密实度。

相比之下，低碳系统中的微生物活动较为有限，导致pH变化较小（从10.0降至9.4），并且钙和镁的淋出更为显著。这表明在缺乏足够有机碳的情况下，碳酸盐的生成受到抑制，裂缝修复和孔隙填充的效果不明显。同时，16S rRNA基因测序结果显示，高碳系统中碱嗜性硝酸盐还原菌（如*Anaerobacillus*属）的丰度显著增加，这些微生物在高pH条件下更活跃，并且在高碳系统中表现出更强的代谢能力。而在低碳系统中，尽管氢气作为电子供体被引入，但微生物活动仍然受限，这可能与有机碳的供应不足有关。

研究还发现，虽然在无硝酸盐的对照系统中观察到了微生物活动的痕迹，但其程度远低于高碳系统。这表明，硝酸盐的存在对于促进碳酸盐沉淀和裂缝修复至关重要。此外，一些微生物（如*Desulfitobacteriia*类）能够在低碳系统中利用氢气作为电子供体，但其代谢能力不足以显著促进碳酸盐的生成。因此，研究结果强调了有机碳和电子受体在支持微生物活动和促进碳酸盐沉淀过程中的关键作用。

从应用角度来看，这些发现对地质处置设施的设计和安全评估具有重要价值。高碳环境下的微生物活动不仅能够修复水泥中的裂缝，还能减少孔隙率，从而降低放射性核素的迁移风险。然而，低碳环境下的水泥可能会经历更多的离子淋出，这可能对周围环境造成不利影响。因此，在设计放射性废物处置系统时，需要考虑如何平衡有机碳的供应和微生物活动，以确保水泥屏障的长期稳定性和安全性。

此外，研究还指出，微生物诱导碳酸盐沉淀可能对设施的气体扩散产生影响。在高碳系统中，裂缝和孔隙的填充可能会限制气体（如氢气、氮气和甲烷）的流动，从而增加内部压力。这种现象在设计地质处置设施时也需要被考虑，以防止因气体积聚而导致的结构问题。因此，虽然微生物活动在某些情况下可能带来益处，但其对设施整体性能的影响仍需进一步研究，特别是在动态的地下环境中，微生物可能通过地下水流动获得新的营养物质，从而持续进行碳酸盐沉淀。

综上所述，本研究揭示了低pH水泥在不同有机碳和电子受体条件下的微生物相互作用及其对水泥微结构的影响。这些结果表明，在高碳环境中，微生物活动能够显著促进碳酸盐沉淀，从而增强水泥的屏障性能。然而，在低碳环境中，水泥的结构变化较小，这可能意味着其在长期应用中的稳定性较低。因此，未来的研究应关注如何优化水泥配方，以在保持低pH特性的同时，增强其对微生物活动的响应能力，从而提高其在放射性废物处置中的性能。同时，还需要进一步探讨微生物活动对设施内部压力和气体扩散的影响，以确保整个系统的安全性和可持续性。