Explorando el papel de los microorganismos y parámetros fisicoquímicos en los procesos biogeoquímicos en la interfaz contenedor de cobre/bentonita/selenio: con vistas a un almacenamiento geológico profundo de residuos radiactivos

Abstract

Uno de los temas más relevantes en relación a la energía nuclear es la gestión y almacenamiento final de los residuos radiactivos de alta actividad, los cuales presentan una vida media de cientos a millones de años. Por esta razón, han de ser almacenados de forma adecuada y segura durante, al menos, 100.000 años en instalaciones apropiadas hasta que la radiotoxicidad disminuya a niveles comparables a los naturales. La opción más aceptada a nivel internacional para su almacenamiento final es el denominado Almacenamiento Geológico Profundo (AGP), basado en un sistema multibarrera que prevendrá la liberación de los residuos a la biosfera. Los residuos se almacenarán en contenedores metálicos resistentes a la corrosión, que estarán rodeados por un material de relleno y sellado (barreras de ingeniería), y se depositarán a varios cientos de metros de profundidad en una formación geológica estable (barrera natural). En el caso de España, el material propuesto como relleno y sellado es la bentonita procedente del yacimiento Cortijo de Archidona (Almería), comercializada como FEBEX, debido a sus buenas propiedades fisicoquímicas (ej. conductividad térmica, capacidad de hinchamiento, alta plasticidad y baja permeabilidad, entre otras). Debido a que la bentonita no es ni estará estéril, estudiar la estructura de las comunidades microbianas presentes en ella es crucial para entender los procesos biogeoquímicos que puedan comprometer la estabilidad y la seguridad del AGP a largo plazo. Los microorganismos podrían alterar las propiedades de la bentonita, dañar la integridad de los contenedores metálicos y contribuir a la producción de gases aumentando la presión dentro del AGP. Tras el sellado del AGP, la actividad microbiana y la oxidación de los contenedores crearán un ambiente anaerobio, donde bacterias específicas como las hierrorreductoras y sulfatorreductoras (IRB y SRB, por sus siglas en inglés) podrían mantenerse metabólicamente activas. Como resultado de su actividad metabólica, podrían producir la corrosión de los contenedores de hierro y cobre, o afectar a la composición química de la bentonita. El ambiente cercano a los contenedores será caliente, seco y oxidante debido al calor emitido por la desintegración de los radionucleidos presente en los residuos, mientras que, más alejado de la superficie de los contenedores, será menos cálido, húmedo y anóxico. Por lo tanto, se espera que la generación de sulfuro (principal agente corrosivo de los contenedores metálicos en condiciones anaerobias) como consecuencia del metabolismo microbiano ocurra lejos del contenedor, dónde las condiciones son más favorables. Este sulfuro podría difundir por la bentonita e influir en la corrosión del contenedor. En el peor de los casos, esto podría llevar a la formación de fisuras en los contenedores y, por tanto, a la posible interacción de los microorganismos con los radionucleidos. Por todo ello, la presente Tesis Doctoral trata de explorar, en el contexto de los AGP, cómo diversos parámetros fisicoquímicos, entre ellos la alta densidad de compactación de la bentonita, las elevadas temperaturas, la adición de nutrientes (donadores y aceptores de electrones) y la presencia de selenio, afectan a las comunidades microbianas. Además de examinar el impacto de estas comunidades en la mineralogía de la bentonita, la corrosión del cobre (como material constituyente de los contenedores) y la interacción con el selenio [en forma de Se(IV)], mediante un enfoque multidisciplinar que integra técnicas de microbiología convencional, biología molecular, química analítica, microscopía y espectroscopía. Con la finalidad expuesta, en primer lugar, se investigaron los procesos biogeoquímicos y fisicoquímicos en la interfaz cobre/bentonita compactada y la corrosión en la superficie del cobre. Para ello, se elaboraron bloques de bentonita compactada con discos de cobre de alta pureza en su interior, añadiendo acetato, lactato y sulfato para estimular la actividad de bacterias anaerobias como las SRB. Estos bloques se incubaron en condiciones anaerobias durante un año a 30 ºC y 60 ºC. Tras el periodo de incubación, independientemente de la temperatura, no se detectó la transformación de esmectita a illita (transformación irreversible que afectaría a la capacidad de hinchamiento de la bentonita), confirmando la estabilidad de la bentonita bajo estas condiciones experimentales. El proceso de tindalización de la bentonita previo a la elaboración de los bloques redujo la diversidad microbiana tras un año de incubación a 30 ºC. Además, en las muestras incubadas a 60 ºC, tras un año de incubación, se produjo una disminución más acusada de la diversidad bacteriana, con Pseudomonas volviéndose el género predominante de la comunidad en términos de abundancia relativa. La presencia de donadores de electrones (acetato y lactato) y sulfato (como aceptor de electrones) tuvo un ligero efecto en las comunidades, estimulando ciertos géneros bacteriano y, en menor medida, estimuló la abundancia de géneros pertenecientes al grupo de SRB. Este grupo de bacterias no presentó viabilidad a 60 ºC en condiciones enriquecidas, mientras que, a 30 ºC y bajo condiciones de enriquecimiento, presentaron capacidad de crecimiento. Además, a 60 ºC ciertas bacterias aerobias como Aeribacillus y Staphylococcus mostraron viabilidad. Esto hace patente la capacidad de algunas bacterias de permanecer en estados latentes (ej. en forma de esporas o células desecadas) para hacer frente a las duras condiciones ambientales de modo que, cuando las condiciones se vuelven favorables serán, de nuevo, metabólicamente activas. En cuanto al grupo de SRB, al presentar baja presencia y baja actividad metabólica, no se detectaron productos de corrosión de gran tamaño en la superficie de los discos de cobre. La mayor diferencia radicó en la detección de pequeños acúmulos aislados de CuxS (relacionado con productos de corrosión de cobre) tras la incubación a 30 ºC; mientras que a 60 ºC se detectaron, pero no se visualizaron, precipitados. Adicionalmente, se profundizó más en cómo los microorganismos afectarían a las condiciones geoquímicas en un estudio a corto plazo. Para ello, se simularon condiciones óptimas para la actividad microbiana mediante la elaboración de microcosmos de bentonita hipersaturados en agua y enriquecidos con acetato, lactato y sulfato, siendo inoculados con un consorcio de bacterias conocidas y presentes en la bentonita (consorcio BPAS: Bacillus sp. BII-C3, Pseudomonas putida, Amycolatopsis ruanii y Stenotrophomonas bentonitica). Además, mini contenedores de cobre (Cu-mCan, por sus siglas en inglés) fueron añadidos a cada microcosmo. Tras un año de incubación, el pH en los microcosmos se volvió menos alcalino debido, posiblemente, a la generación de gases como consecuencia del metabolismo microbiano o a procesos de intercambio iónico con los minerales de la bentonita. En cuanto a los procesos biogeoquímicos, se observó un rápido consumo de lactato asociado a la generación, y posterior consumo, de acetato y, en menor medida, asociado al consumo de sulfato, justificando las rutas de oxidación incompleta de lactato a acetato. A los 45 días de incubación (dónde los microcosmos mostraban mayor heterogeneidad entre ellos), se observó que la presencia del consorcio BPAS redujo la diversidad bacteriana, observando predominancia de Pseudomonas y Stenotrophomonas. Además, la presencia de acetato, lactato y sulfato estimuló ciertas SRB, las cuales podrían participar en la corrosión del material de cobre. Por otra parte, a los 45 días, se detectó la formación de CuO en todas las superficies de los Cu-mCan, posiblemente debido a oxígeno atrapado en la bentonita o a la reducción del H2O, mientras que compuestos de Cu2S, como resultado de la generación de sulfuro procedente de la actividad metabólica bacteriana, solo fueron detectados en los microcosmos dónde los procesos biogeoquímicos fueron más pronunciados. La adición de 2 mM de selenito [Se(IV)], como análogo inactivo del 79Se presente en los residuos radiactivos, afectó a los procesos biogeoquímicos en los microcosmos mencionados anteriormente. La presencia de este metaloide resultó tóxica para algunas bacterias, reduciendo su actividad metabólica, ralentizando la dinámica de consumo y/o producción de lactato, acetato y sulfato. Además, la presencia de este metaloide tuvo un impacto en la diversidad bacteriana aumentando la presencia de ciertas bacterias selenotolerantes y afectando a la abundancia de algunas SRB. La formación de una fina capa de coloración rojiza en la interfase bentonita:sobrenadante en los microcosmos, además de manchas aisladas en la bentonita, indicó la reducción de Se(IV) a selenio elemental [Se(0)]. Mediante técnicas microscópicas y espectroscópicas se confirmó la reducción e inmovilización de Se(IV) a Se(0) amorfo (a-Se). Este hecho ha llevado a proponer un mecanismo en el cual el Se(IV) es reducido intracelularmente a Se(0) en forma de nanoesferas con alotropía amorfa (a-Se) que, una vez liberadas al espacio extracelular mediante lisis celular, podían sufrir procesos de transformación a estructuras cristalinas de selenio monoclínico (m-Se) y, posteriormente, a la forma más termodinámicamente estable y menos tóxica: selenio trigonal (t-Se). En resumen, los microorganismos presentes en la bentonita juegan un rol clave (ya sea beneficioso, perjudicial o neutro) en la evolución de las condiciones geoquímicas de los AGP, influenciando potencialmente la estabilidad de sus diversas barreras. Los resultados de esta Tesis Doctoral aportan nuevo conocimiento sobre cómo los microorganismos y los procesos biogeoquímicos relacionados pueden impactar en la interacción entre el contenedor de cobre, la bentonita española y el selenio. Estas aportaciones son de gran interés, puesto que ayudan a entender procesos cruciales para garantizar la seguridad y estabilidad de los AGP a largo plazo.