膨润土释放氧气对微生物活性、矿物学以及钢铁腐蚀的影响

《Environmental Science & Technology》：Impact of Oxygen Release from Bentonite on Microbial Activity, Mineralogy, and Steel Corrosion

硫酸盐还原菌（SRB）活性与残余氧气浓度对蒙脱石屏障微生物群落及碳钢腐蚀的影响研究。实验通过调整蒙脱石初始氧气浓度（0%、21%、100%），压实后部署于厌氧钻孔1.5年，结合分子生物学、化学及矿物学方法，发现氧气浓度显著影响SRB群落组成及铁矿物相变。高氧条件下（100% O?），SRB中Desulfatitalea sp.占主导，促进更多可溶性Fe2?释放，导致腐蚀层（CPL）增厚至96.5±33.9 μm，腐蚀速率达4.25 μm/年；而低氧条件（0% O?）下，Fe3?还原更显著，形成更厚腐蚀层（121.5±79.7 μm）。研究揭示残余氧气通过调控微生物群落结构和Fe3?还原速率，影响屏障材料长期稳定性，高密度蒙脱石（1.25 g/cm3）可有效抑制微生物活动，其腐蚀动力学主要由非生物过程主导

　　深地质处置库是用于处理放射性废物的一种重要技术，其核心目标是将废物与环境有效隔离，以确保长期安全。这一系统通常包括多个屏障，其中废料容器的完整性以及膨润土屏障对微生物生长的抑制作用是关键因素。膨润土是一种具有高蒙脱石含量（可达88 wt %）的黏土，因其能够吸附和保留放射性核素的能力而被广泛用于此类屏障。此外，膨润土的膨胀特性使其在接触地下水时具有一定的塑性，可以减少孔隙空间，从而限制物质的扩散，提高隔离效果。然而，膨润土中残留的氧气可能会影响其功能，尤其是在废料容器破裂后，氧气的存在可能促进微生物活动，进而影响金属腐蚀和矿物结构的变化。

在一项近期的长期原位实验中，研究人员发现即使在厌氧条件下，也出现了意外的需氧微生物生长，同时硫酸盐还原菌（SRB）的活动受到抑制。这一现象提示我们，膨润土中的残留氧气可能在一定程度上延迟了厌氧微生物的生长。为了进一步研究氧气对微生物活动和腐蚀过程的影响，研究人员将干燥的怀俄明膨润土MX-80与不同浓度的氧气（0%、21% 和 100%）平衡后，将其压实至1.25 g/cm3，并在地下钻孔中放置了1.5年。实验结果显示，随着膨润土中氧气浓度的增加，微生物生物量也随之增加，其中Desulfatitalea属的SRB在高氧环境中占据主导地位。同时，21%氧气浓度下的膨润土样本中，碳钢的腐蚀层最厚，反映出需氧和厌氧过程的持续进行。相比之下，0%氧气条件下的膨润土样本中，蒙脱石中的结构性三价铁（Fe(III)）还原最为显著。

这一研究结果表明，膨润土中的残留氧气对微生物活性和腐蚀动力学具有显著影响。因此，在深地质处置库的早期演化过程中，必须考虑氧气的作用。氧气的存在不仅会影响微生物的生长模式，还可能通过多种机制影响金属腐蚀和矿物转化过程。例如，在需氧条件下，金属表面会形成氧化物，而在厌氧条件下，SRB则可能通过硫酸盐还原和铁（III）还原等过程，影响矿物结构的变化。这些变化可能会改变膨润土的孔隙率，并在某些情况下导致形成非膨胀性的铁（II）黏土，如伊利石，从而影响屏障的安全功能。

实验设计采用了多种分析手段，包括分子生物学、化学分析和矿物学研究，以全面评估氧气对微生物群落、膨润土矿物组成和碳钢腐蚀的影响。研究人员通过不同的氧气浓度处理，构建了12个带有不锈钢滤膜的迷你模块，并将其放入一个更大的不锈钢模块中，以模拟实际的地下环境。这些模块随后在瑞士蒙特泰里地下岩石实验室（URL）的无氧钻孔中放置了1.5年。通过这种方法，研究人员能够观察到微生物在膨润土中的生长情况，以及其对矿物结构和金属腐蚀的影响。

实验结果显示，微生物群落在不同氧气浓度下表现出显著差异。在0%氧气条件下，微生物生物量较低，而随着氧气浓度的增加，生物量也随之上升。尤其是在100%氧气条件下，Desulfatitalea属的SRB成为主要的微生物群落。这表明，尽管SRB通常被认为是严格的厌氧微生物，但某些种类可能具有一定的氧气耐受性或微需氧特性。此外，研究还发现，氧气浓度的高低不仅影响微生物的生长，还可能改变其代谢途径，从而影响金属腐蚀和矿物转化的进程。

通过高分辨率图像和X射线荧光（XRF）分析，研究人员能够详细观察膨润土-碳钢界面的元素分布情况。结果表明，在不同氧气浓度下，碳钢的腐蚀层厚度和矿物变化存在显著差异。例如，在100%氧气条件下，腐蚀层最厚，而在0%氧气条件下，腐蚀层较薄。这一现象可能与氧气对金属氧化和还原过程的影响有关。同时，XRD和穆斯堡尔谱分析进一步揭示了膨润土中三价铁的减少情况，表明微生物活动在一定程度上促进了铁矿物的还原。

此外，研究还发现，尽管氧气在初始阶段可能促进某些微生物的生长，但随着氧气的消耗，这些微生物的活动逐渐减弱，而SRB则开始主导。然而，在某些情况下，如氧气浓度较高时，SRB的活动仍然能够维持，甚至可能通过与其他微生物的相互作用来促进其生长。这种现象表明，氧气的存在不仅会影响微生物的种类组成，还可能通过改变环境条件，影响其代谢途径和生存策略。

总体而言，这项研究揭示了氧气在深地质处置库中对微生物活动和金属腐蚀的复杂影响。尽管在长期的厌氧条件下，微生物的活动可能受到限制，但初始阶段的氧气存在仍然可能显著影响微生物群落的结构和功能。这些发现对于预测处置库的长期行为具有重要意义，特别是在设计和评估屏障材料时，必须考虑到氧气的潜在影响。同时，研究还表明，通过提高膨润土的密度，可以进一步减少微生物活动的影响，从而增强屏障的稳定性。这为未来深地质处置库的设计和优化提供了重要的科学依据。