Tietopankki

Työraportti 2016-48

Takaisin

Nimi:

Understanding Microbial Production of Sulphide in deep Olkiluoto Groundwater Compilation and Evaluation of Three Consecutive Sulphate Reduction Experiments (SURE) Performed in 2010 - 2014

Raportin kirjoittaja:

Edlund, J., Rabe, L., Bengtsson, A., Hallbeck, B., Eriksson, L., Johansson, J., Johansson, L., Pedersen, K.

Kieli:

Englanti

Sivumäärä:

164

Tiivistelmä:

Korkea-aktiivinen käytetty ydinpolttoaine suomalaisista ydinvoimalaitoksista tullaan loppusijoittamaan kallioperään kuparikapseleissa. Sulfaattia pelkistävien bakteerien (SRB) aikaansaama sulfaatinpelkistys on mikrobiologinen prosessi, jossa muodostuu kuparin korroosiota aiheuttavaa vetysulfidia. Mikrobiologinen aktiivisuus voi näin ollen vaikuttaa kapselin turvallisuuteen heikentäen kapselin ominaisuuksia eristää radio­nuklidit ympäristöstä ja hillitä niiden kulkeutumista. SRB -määristä ja diversiteetistä syvissä pohjavesissä on olemassa julkaistua tietoa, mutta niiden aktiivisuutta on tutkittu vain vähän. Turvallisuusanalyysia varten tärkeintä on ollut määrittää sulfidin muodos­tumisnopeutta kontrolloivat tekijät geosfäärissä, mukaan lukien rakentamisen aikana aiheutetut häiriötilat. SURE-koesarja (Sulphate Reduction) käynnistettiin sulfidin­muodostusprosessin (sulfaatin pelkistys) ymmärtämiseksi. SURE-kokeet sisälsivät pohjaveden kemiallisen karakterisoinnin sekä mikrobiologiset määritykset kahdesta ONKALO-tunnelin eri syvyydellä olevasta kairareiästä. Koesarjassa selvitettiin miten sulfaatti elektronien vastaanottajana ja vety sekä metaani elektronien luovuttajina kontrolloivat sulfidin muodostusta.

SURE-kokeisiin valittiin kaksi pohjavesityyppiä: toinen pohjavesiasemasta ONK-PVA6, jossa oli sulfaattirikasta (~1 mM SO4) metaania (1,6–4,5 mM CH4) sisältävää pohjavettä ja toinen karakterisointireiästä ONK-KR15, jossa oli runsaasti metaania (~6 mM CH4), mutta ei sulfaattia. Näillä kahdella pohjavesityypillä suoritettiin yhteensä yhdeksän koetta, joissa lisättiin vaihtuvia määriä sulfaattia, vetyä ja metaania. Kokeelliset vaiheet toteutettiin kolmen vuoden kuluessa, jona aikana pohjavesi ONK-PVA6:ssa laimentui lievästi, jolloin metaani- sekä kloridipitoisuudet alenivat kun taas sulfaattipitoisuus kasvoi. Vesi ONK-KR15:ssa pysyi lähes muuttumattomana. Koesarjassa seurattiin sulfaatin, vedyn ja metaanin vaikutusta mikrobien aktiivisuuteen ja diversiteettiin. Analyysiohjelman avulla seurattiin näiden muuttujien vaikutusta erityisesti SRB aktiivisuuteen, mutta myös muita parametreja analysoitiin, jotta Olkiluodon syvien pohjavesien sulfaatinpelkistysprosessit opittaisiin ymmärtämään tarkemmin. Mikrobidiversiteettiä tutkittiin maljaviljelymenetelmällä ja kloonaamalla. Klooneista sekvensoitiin 16S rDNA Sangerin menetelmällä. Kiinnittyneiden ja vapaiden mikrobien diversiteettiä tutkittiin DNA-sirun (microarray) avulla, jossa siru sisältää bakteereiden pääluokkaan kuuluvien mikrobien tunnisteita, sekä 454 pyrotag- tai Illumina HiSeq sekvensointimenetelmällä. Pyorotaq -menetelmällä tutkittiin bakteereiden 16S rDNA:n v4v6 aluetta ja Illumina HiSeq -menetelmällä arkkien vastaavan geenin v6 aluetta. Kokeiden aikana analysoitiin vety-, metaani-, sulfaatti-, sulfidi-, ferrorauta- ja hiilipitoisuudet sekä orgaanisten happojen määrät. Lisäksi seurattiin pH- ja Eh-arvoja. Viljeltyjen mikrobien määrät (MPN, most probable number) määritettiin heterotrofisille bakteereille, sulfaatin-, nitraatin-, raudan- ja mangaaninpelkistäjäbakteereille, asetogeeneille, metanogeeneille sekä virusten kaltaisille partikkeleille. Myös kokonaissolumäärät määritettiin (TNC, total number of cells). Lisäksi määritettiin mikrobien ja ATP:n määrät sekä kiinnittyneestä biomassasta että vedessä olevista mikrobeista. ONK-PVA6 ja ONK-KR15 pohjaveden kemia analysoitiin säännöllisesti 2010−2014. Pohjavesistä analysoitiin myös sulfaatin δ34SV-CDT ja liuenneen epäorgaanisen hiilen d13CV-PDB.

ONK-PVA6 pohjavesi sisälsi laajan joukon 16S rDNA sekvenssejä, jotka kuuluvat sulfaattia pelkistäviin eliöyhteisöihin, ml. suvut Desulfobacula, Desulfovibrio, Desulfobacterium, Desulfosporosinus ja Desulfotignum. Runsaasti edustettuna olivat myös sulfaatinpelkistäjäbakteerit Desulfurivibrio ja Desulfuromonas, sulfaatin­pelkistäjiin kuuluva arkeoniluokka Thermoplasmata sekä sulfidia- ja rikkiähapettava suku Thiobacilius. ONK-KR15 pohjaveden mikrobiologinen diversiteetti poikkesi huomattavasti ONK-PVA6:n diversiteetistä ja edustettuina olivat suvut Hydrogenophaga, Pseudomonas, Hoeflea, Thiobacillus, Fusibacter ja Lutibacter. Sulfaatinpelkistäjäbakteereihin liittyviä sukuja ei löydetty.

SURE-kokeiden tulokset tukivat Olkiluodossa tehtyjä kenttähavaintoja, joissa mikrobien määrä ja diversiteetti korreloivat positiivisesti kasvavan sulfaatin ja metaanin määrän kanssa. Kenttämittauksissa on havaittu aktiivisia mikrobikantoja sekoit­tumisvyöhykkeellä, jossa sulfaatti- ja metaanirikas pohjavesi sekoittuvat keskenään. Vastaavia tuloksia on julkaistu myös Outokummun syväpohjavedellä tehdyissä pullokokeissa, joissa sulfaatin ja metaanin samanaikainen lisääminen aktivoi mikro-organismeja. Useat riippumattomat tutkimukset, SURE mukaan lukien, ovat osoittaneet, että metaanin ja sulfaatin yhdistelmä syvissä kalliopohjavesisysteemeissä kiihdyttää mikrobiologista sulfidinmuodostusaktiivisuutta. Tutkimustuloksista huolimatta on edelleen avoinna useita vaihtoehtoisia aineenvaihdunta- ja geokemiallisia reittejä, joiden kautta rikin kierto voi tapahtua.

Koska orgaanisen aineen suotautuminen pinnalta on hidasta kuten mahdollisesti myös vedyn kulkeutuminen syvemmältä kalliosta, on todennäköistä, että Olkiluodon syvissä pohjavesissä myöskin sulfaatinpelkistäjäbakteerien sulfidinmuodostus käyttäen vetyä tai orgaanista ainetta on hidasta. Tyypin 1 anaerobiset metanotrofit (ANME1) hapettavat metaania yhdessä sulfaatinpelkistäjäbakteerien kanssa hiilidioksidiksi. Tyypin 1 ANME-jäseniä yhdessä sulfaatinpelkistäjäbakteerien kanssa ei kuitenkin SURE-kokeiden aikana havaittu. Myöskään muissa Olkiluodon pohjavesinäytteissä ei niitä ole havaittu, tai niitä on ollut vain hyvin pieniä määriä, joten voidaan päätellä, että ne eivät ota osaa metaanin anaerobiseen hapettumiseen (AOM-prosessi) Olkiluodossa. Vuonna 2012 julkaistiin uusi sulfaattiin perustuva tyypin 2 AOM-prosessi. Tämä prosessi ei välttämättä vaadi sekä ANMEn että SRB:n läsnäoloa, vaan voi tapahtua pelkästään tyypin 2 ANME avulla. ANME2 erottaa sulfaatista elementaarista rikkiä ja tuottaa veteen disulfidia (HS2-). ANME2 sekvenssejä löytyi kaikista SURE-näytteistä. Tuotettu rikki jää pinnoille, joista sulfaatinpelkistäjäbakteerit voivat käyttää sitä sulfidinmuodostukseen. Rikkiä pelkistävän suvun Desulfuromonas suhteellinen määrä oli korkea SURE-kokeissa, mutta lähinnä ainoastaan biofilmeissä. ANME2:n tuottama disulfidi jää vesifaasiin, jossa Desulfobulbaceaet kuten Desulfurivibrio voivat hajottaa sen sulfaatiksi ja sulfidiksi. Desulfurivibrio löydettiin pääsääntöisesti vain ONK-PVA6 pohjavedestä.

Korkean sulfaattipitoisuuden systeemeissä dissimilatorinen sulfaatin pelkistyminen vetysulfidiksi voi olla samanaikaista ferriraudan pelkistymisen kanssa ilman, että siihen tarvitaan raudanpelkistäjäbakteereita. Rikin (uudelleen)kiertoa on viime aikoina esitetty hallitsevaksi prosessiksi raudankierrossa, jopa alhaisen sulfaattipitoisuuden systeemeissä. Tällainen monitahoinen rikkikierto on voinut aiheuttaa SURE-kokeiden rautasulfidin saostumisen. Kyseisen rikkikierron voi käynnistää AOM-prosessin seurauksena ANME2:n muodostama sulfidi. Puolet tuotetuista sulfidi-ioneista voivat tehokkaasti saostua rautasulfidina, kun taas puolet sulfidi-ioneista hapettuvat rikiksi, joka vedyn tai orgaanisen aineen läsnäollessa pelkistyvät sulfaatinpelkistäjäbakteerien vaikutuksesta sulfidiksi, ja kierto jatkuu. Lopulta, niin kauan kun saatavilla on ferrirautaa, joka voi reagoida biogeenisesti muodostuneen sulfidin kanssa, suurin osa muodostuneesta sulfidista saostuu rautasulfidiksi.

SURE-kokeiden tulokset, joita tukevat Olkiluodon muut kenttähavainnot, voidaan selittää anaerobisella metaanin hapetusprosessilla, jossa sulfaatti pelkistetään disulfidiksi ja rikiksi, yhdistettynä prosessiin, jossa elementaarinen rikki edelleen hajotetaan sulfaatiksi ja sulfidiksi. Lisäksi rikin monitahoiseen kiertoon liittyy ferriraudan pelkistäminen ferroraudaksi, joka taas lopulta saostaa sulfidin rautasulfidina. Tätä oletusta tukemaan ei kuitenkaan saatu yksiselitteisiä todisteita ja edelleen on avoimena kysymyksiä liittyen Olkiluodossa tapahtuvaan AOM-prosessiin. Metagenomiset tutkimukset SURE-kokeissa saaduista DNA-näytteistä voisivat mahdollisesti osoittaa, onko kokeessa ollut aktiivisena AOM-aineenvaihduntareittejä vai ei.

Avainsanat:

Sulfaatin pelkistys, sulfidin tuotanto, mikrobiologinen, korroosio, geosfääri, vety, metaani, pohjavesi, sulfaatinpelkistäjäbakteeri, anaerobinen metaanin hapettuminen.

Tiedosto(t):

Understanding Microbial Production of Sulphide in deep Olkiluoto Groundwater Compilation and Evaluation of Three Consecutive Sulphate Reduction Experiments (SURE) Performed in 2010 - 2014 (pdf) (3.7 MB)


Takaisin


Jaa artikkeli: