低水活度抑制膨润土中微生物生长的机制及其在核废料深地质处置中的屏障意义

为解决深地质处置库(DGR)中膨润土屏障的微生物腐蚀风险问题，加拿大滑铁卢大学等机构研究人员通过控制水活度(aw )、氧化还原条件和培养基类型，系统评估了MX-80膨润土中微生物群落动态。研究发现低水活度(aw <0.96)和缺氧条件可协同抑制硫酸盐还原菌(SRB)等微生物增殖，16S rRNA测序揭示放线菌门(Actinobacteriota)为优势菌群。该研究为DGR多重屏障设计提供了关键微生物抑制参数，成果发表于《Journal of Applied Microbiology》。

　　

核能的安全利用始终面临一个终极挑战：如何将高放射性核废料与生物圈永久隔离？加拿大等国家提出的深地质处置库(DGR)方案中，膨润土因其膨胀性和低渗透性成为关键工程屏障材料。然而，在长达万年的封存过程中，微生物活动可能通过产气或硫化氢腐蚀威胁铜质燃料容器。既往研究多关注压力与饱和度的复合效应，但水活度(a_w
)这一独立因素对微生物的抑制作用机制仍不明确。

加拿大滑铁卢大学、麦克马斯特大学等多机构联合团队在《Journal of Applied Microbiology》发表的研究，首次系统解析了水活度单独作用下的微生物响应规律。研究人员采用三组平行实验设计：小规模微宇宙模拟(125-mL Mason jars)测试不同水活度(0.93/0.96/0.99)和培养基(超纯水/模拟地下水CR-10/SRB培养基)组合，大规模实验(1-1.9 L)同步分析磷脂脂肪酸(PLFA)和天然有机物(NOM)；通过定量PCR(qPCR)、高通量测序和培养法监测6个月内微生物动态。

水活度驱动微生物群落重构
在含氧条件下，SRB培养基组表现出最强的微生物增殖，16S rRNA基因拷贝数在3天内激增10³
倍。放线菌门的Saccharopolyspora和Streptomyces成为绝对优势菌属，其相对丰度与水活度呈显著相关性(R²
=0.53-0.62)。值得注意的是，低水活度(0.93)下放线菌占比达75%，而高水活度(0.99)时降至50%，表明微生物存在明确的水活度生态位分化。

缺氧条件的全局抑制作用
缺氧微宇宙中所有检测指标(培养菌落数/16S rRNA基因/PLFA)均保持基线水平，证实缺氧本身即可阻断微生物增殖。硫酸盐还原菌(SRB)的MPN值始终低于10²
gdw^-1
，这与DGR后期缺氧环境的设计理念高度契合。

天然有机物的稳定性
通过¹³
C NMR和GC-MS分析发现，膨润土中烷基碳占比超50%，O-烷基碳(碳水化合物/肽类标志物)仅微量减少，证实NOM具有显著的生物地球化学稳定性。溶剂提取的n-烷酸浓度无显著变化，说明微生物难以利用这类顽固性有机质。

该研究首次证实：在无压力干扰条件下，低水活度(a_w
<0.96)单独作用即可有效抑制膨润土中微生物增殖；而缺氧环境能完全阻断微生物复苏。这些发现为DGR多重屏障设计提供了关键参数——在饱和前期通过控制水活度抑制放线菌增殖，在后期依靠缺氧环境维持长期稳定性。研究采用的PLFA-NMR-qPCR多组学联用策略，也为极端环境微生物研究建立了方法学范式。加拿大核废料管理组织(NWMO)已将该成果纳入缓冲材料性能评估体系，指导未来处置库的优化设计。