高密度压实FEBEX膨润土中γ辐射的微生物与矿物学响应及其对核废料处置库安全评估的启示

为解决深地质处置库(DGR)中长期安全评估中γ辐射与高密度压实对膨润土屏障微生物活性及矿物稳定性的复合影响问题，研究人员开展了FEBEX膨润土在1.6 g/cm3 压实密度、14-28 kGy γ辐射及硫酸盐还原菌(SRB)作用下的系统性研究。结果表明，孢子形成菌(如Saccharopolyspora和Streptomyces)在极端条件下占主导，而辐射暴露时机显著影响微生物抗性；矿物学分析证实膨润土结构稳定性未受辐射及微生物活动影响。该研究为核废料处置库多屏障系统的安全设计提供了关键微生物-矿物互作数据。

　　

核能利用产生的放射性废物处置是人类面临的重大科学挑战，深地质处置库(DGR)作为目前最可行的解决方案，其安全评估需跨越十万年时间尺度。其中，膨润土因其优异的膨胀性和离子交换能力被广泛选作工程屏障材料，但高放射性废物释放的γ辐射与压实膨润土的极端环境可能影响其微生物群落及矿物稳定性，进而威胁处置库长期安全。尽管前人已对膨润土的物理化学性质开展大量研究，但关于γ辐射与高密度压实复合作用下微生物-矿物互作的系统性数据仍属空白。

针对这一关键问题，由西班牙国家放射性废物管理公司(ENRESA)支持的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了创新性成果。研究通过模拟DGR早期封闭阶段条件（1.6 g/cm³
压实密度、14/28 kGy γ辐射剂量、合成孔隙水饱和及缺氧环境），结合培养依赖与非培养的分子生物学技术（qPCR、16S rRNA测序）、X射线衍射(XRD)和微生物分离鉴定等方法，首次揭示了FEBEX膨润土中土著微生物的辐射抗性机制与矿物响应规律。

关键实验方法
研究采用FEBEX膨润土（含80-90%蒙脱石）制备直径38 mm、高25 mm的圆柱形压实块体，通过⁶⁰
Co源分阶段辐照（66 Gy/h剂量率）实现14 kGy单次或28 kGy累积剂量。微生物分析包括：需氧异养菌CFU计数、SRB功能菌群接种实验、V4区16S rRNA基因扩增子测序及qPCR定量；矿物学表征采用随机粉末和定向聚集体的XRD分析，辅以pH值监测。

微生物存活与多样性
通过CFU计数发现，14 kGy初始辐照完全灭活需氧菌，但6个月预孵育后辐照的样品(l_R12)存活率与未辐照对照相当，证实适应期可提升微生物辐射抗性。分离鉴定的13株细菌中，92%为芽孢杆菌科成员（如Lysinibacillus fusiformis），其孢子形成能力是关键生存策略。NGS分析显示，极端环境适应菌Saccharopolyspora（相对丰度45.35%）和Streptomyces（4.48%）在长期孵育中占据优势，而外源接种的SRB（Desulfotomaculum和Desulfovibrio）仅在被主动添加的样品中检出。

矿物学稳定性
XRD图谱显示，所有处理组蒙脱石的d(001)面间距在乙二醇溶剂化后均保持17 ?特征峰，证实其层状结构未受辐射（28 kGy）或SRB活动影响。pH值（7.8-8.3）和次要矿物（石英、方解石等）含量亦无显著变化，表明膨润土在极端条件下仍保持化学惰性。

结论与意义
该研究首次阐明：1）膨润土微生物群落的辐射敏感性高度依赖环境适应状态，预孵育可诱导保护性生理响应；2）孢子形成菌（如Saccharopolyspora）和放线菌（如Streptomyces）是DGR极端环境中的优势类群；3）FEBEX膨润土的矿物稳定性可耐受远超DGR预期的辐射剂量（28 kGy）。这些发现突破了传统安全评估中仅考虑物理化学参数的局限，为多屏障系统的微生物风险管控提供了理论依据。后续研究可结合金属罐腐蚀实验，进一步评估微生物-矿物-辐射的协同效应对处置库完整性的长期影响。