✖


Jump to content

Биоремедиация радиоактивных отходов

Часть серии о
Загрязнение
Загрязнение воздуха от завода
Воздух
Биологический
Цифровой
Электромагнитный
Естественный
Шум
Радиация
Земля
Твердые отходы
Космос
Термальный
Визуальный
Война
Вода
Темы
Разное

Биоремедиация радиоактивных отходов или биоремедиация радионуклидов — применение биоремедиации, основанное на использовании биологических агентов бактерий , растений и грибов (природных или генетически модифицированных ) для катализа химических реакций , позволяющих обеззараживать объекты, пораженные радионуклидами . [1] Эти радиоактивные частицы являются побочными продуктами, образующимися в результате деятельности, связанной с ядерной энергетикой , и представляют собой проблему загрязнения и радиотоксичности (с серьезными последствиями для здоровья и экологии ) из-за нестабильного характера выбросов ионизирующего излучения .

Методы биоремедиации природных территорий, таких как почвы , воды и отложения, загрязненные радионуклидами, разнообразны и в настоящее время рассматриваются как экологическая и экономическая альтернатива традиционным процедурам. Традиционные физико-химические стратегии основаны на добыче отходов путем раскопок и бурения с последующей транспортировкой на большие расстояния для их окончательного локализации. Эти работы и транспортировка часто имеют неприемлемую оценочную стоимость эксплуатации , которая может превышать триллион долларов в США и 50 миллионов фунтов в Великобритании . [2]

Виды, участвующие в этих процессах, обладают способностью влиять на свойства радионуклидов, такие как растворимость , биодоступность и подвижность, для ускорения их стабилизации. На его действие во многом влияют электронов доноры и акцепторы , питательная среда , комплексообразование радиоактивных частиц с материалом и факторы внешней среды . Это меры, которые могут быть выполнены на источнике загрязнения ( in situ ) или на контролируемых и ограниченных объектах, чтобы более точно проследить биологический процесс и объединить его с другими системами ( ex situ ). [3] [4]

Территории, загрязненные радиоактивностью

[ редактировать ]
Основная статья: Радиоактивное заражение

Типология радионуклидов и загрязняющих отходов

[ редактировать ]
Основная статья: Радиоактивные отходы

Присутствие радиоактивных отходов в окружающей среде может вызвать долгосрочные последствия из-за активности и периода полураспада радионуклидов, что приводит к возрастанию их воздействия со временем. [2] Эти частицы существуют в различных степенях окисления и встречаются в виде оксидов , соосаждений или органических или неорганических комплексов в зависимости от их происхождения и путей высвобождения. Чаще всего они встречаются в окисленной форме, что делает их более растворимыми в воде и, следовательно, более подвижными. [4] Однако, в отличие от органических загрязнителей, они не могут быть уничтожены и должны быть преобразованы в стабильную форму или извлечены из окружающей среды. [5]

Источники радиоактивности не исключают деятельность человека. Естественная радиоактивность не исходит от человеческих источников: она охватывает до трех четвертей общей радиоактивности в мире и возникает во взаимодействии земных элементов с космическими лучами высокой энергии ( космогенными радионуклидами ) или в существующих на Земле материалах с момента ее возникновения. образования ( первичные радионуклиды ). В связи с этим наблюдаются различия в уровнях радиоактивности по всей земной коре . Индия и горы, такие как Альпы, входят в число регионов с самым высоким уровнем естественной радиоактивности из-за состава камней и песка . [6]

Наиболее частыми радионуклидами в почвах является природный радий-226 ( 226 Ра), радон-222 ( 222 Rn), торий-232 ( 232 Th), уран-238 ( 238 У) и калий-40 ( 40 К). Калий-40 (до 88% общей активности), углерод-14 ( 14 С), радий-226 , уран-238 и рубидий-87 ( 87 Rb) встречаются в океана водах . Более того, в подземных водах предостаточно радиоизотопов радиуса, таких как радий-226 и радий-228 ( 228 День). [7] [8] Также привычны в строительных материалах радионуклиды урана, тория и калия (последний свойственен дереву ). [8]

В то же время антропогенные радионуклиды (вызванные деятельностью человека) обусловлены термоядерными реакциями, возникающими в результате взрывов и испытаний ядерного оружия , выбросов ядерных объектов , аварий, возникающих при переработке товарного топлива , складировании отходов этих процессов и в меньшей степени, ядерная медицина . [9] Некоторыми объектами, загрязненными этими радионуклидами, являются объекты Министерства энергетики США (например, Хэнфордская площадка ), Чернобыльская и Фукусимская зоны отчуждения , а также пострадавшая территория Челябинской области из-за Кыштымской катастрофы .

В океанских водах присутствие трития ( 3 Н), цезий-137 ( 137 Cs), стронций-90 ( 90 Ср), плутоний-239 ( 239 Pu) и плутоний-240 ( 240 Pu) значительно возросло по антропогенным причинам. [10] [11] В почвах технеций-99 ( 99 Тс), углерод-14, стронций-90, кобальт-60 ( 60 Что), йод-129 ( 129 I), йод-131 ( 131 I), америций-241 ( 241 Am), нептуний-237 ( 237 Np) и различные формы радиоактивного плутония и урана являются наиболее распространенными радионуклидами. [2] [8] [9]

Частота появления отдельных радионуклидов на Министерства энергетики США объектах
Грунтовые воды Почвы/Отложения
Источник: Министерство энергетики США , Правительство США (1992 г.). [12]

Классификация радиоактивных отходов, установленная Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), выделяет шесть уровней в зависимости от эквивалентной дозы , удельной активности , выделяемого тепла и периода полураспада радионуклидов: [13]

  • Освобожденные отходы (EW) : Отходы, соответствующие критериям исключения из регулирующего контроля в целях радиационной защиты.
  • Очень короткоживущие отходы (VSLW) : Отходы с очень коротким периодом полураспада (часто используемые в исследовательских и медицинских целях), которые могут храниться в течение ограниченного периода до нескольких лет и впоследствии быть освобождены от регулирующего контроля.
  • Отходы очень низкой активности (ОНАО) : Отходы, такие как почва и щебень (с низким уровнем концентрации активности), которые могут также содержать другие опасные отходы.
  • Низкоактивные отходы (НАО) : Отходы, уровень которых превышает допустимые нормы и требует надежной изоляции и локализации на срок до нескольких сотен лет и подходят для захоронения на специально спроектированных приповерхностных объектах. К НАО относятся короткоживущие радионуклиды с более высокими уровнями концентрации активности, а также долгоживущие радионуклиды, но только с относительно низкими уровнями концентрации активности.
  • Отходы среднего уровня активности (САО) : Отходы с долгоживущими радионуклидами, требующие более высокой степени локализации и изоляции на больших глубинах.
  • Высокоактивные отходы (ВАО) : Отходы с большим количеством долгоживущих радионуклидов, которые необходимо хранить в глубоких стабильных геологических формациях, обычно на несколько сотен метров или более ниже поверхности.

Последствия для экологии и здоровья человека

[ редактировать ]

Радиоактивное загрязнение представляет собой потенциальную опасность для живых организмов и приводит к внешним опасностям, связанным с источниками радиации вне тела, и внутренним опасностям в результате попадания радионуклидов внутрь организма (часто при вдыхании частиц или проглатывании загрязненной пищи ). [14]

У человека однократные дозы от 0,25 Зв вызывают первые аномалии количества лейкоцитов . Этот эффект усиливается, если поглощенная доза составляет от 0,5 до 2 Зв, при первом повреждении тошнота и выпадение волос возникают . Полоса в диапазоне от 2 до 5 Зв считается самой серьезной и включает в себя кровотечение , язвы и риск смерти ; значения, превышающие 5 Зв, влекут за собой немедленную смерть. [14] Если радиация также будет получена в малых дозах в течение длительного периода времени, последствия могут быть столь же серьезными. Трудно количественно оценить воздействие на здоровье доз ниже 10 мЗв , но было показано, что существует прямая связь между длительным воздействием и риском развития рака (хотя не существует очень четкой взаимосвязи «доза-реакция», позволяющей установить четкие пределы воздействия). . [15]

Имеющаяся информация о влиянии естественного радиационного фона на антропогенное загрязнение на живую природу скудна и относится к очень небольшому числу видов. На основании имеющихся данных очень сложно оценить общие дозы, которые могут накапливаться на определенных этапах жизненного цикла ( эмбрионального развития или репродуктивного возраста), при изменениях поведения или в зависимости от таких факторов окружающей среды , как сезонность . [16] Однако явления радиоактивного биоаккумуляции , биоконцентрации и биомагнификации особенно известны на уровне моря. Они вызваны пополнением и удержанием радиоизотопов двустворчатыми моллюсками , ракообразными , кораллами и фитопланктоном , которые затем составляли остальную часть пищевой цепи при низких факторах концентрации. [17]

Радиобиологическая литература и МАГАТЭ устанавливают безопасный предел поглощенной дозы 0,001 Гр / сут для наземных животных и 0,01 Гр/сут для растений и морской биоты , хотя этот предел следует пересмотреть для долгоживущих видов с низкой репродуктивной способностью. [18]

влияние воздействия радиоактивного радия на люпины Исследование 1909 года, в котором показано . Радиологическая активность была одинаковой для всех сеянцев , но не продолжительность воздействия (по убыванию слева направо, четвертый - контроль ). Те, кто подвергался воздействию дольше, пострадали от большего ущерба, а также от более высоких показателей роста и прорастания . [19]

Радиационные испытания на модельных организмах , определяющие воздействие высокой радиации на животных и растения, включают: [18]

Действие радиоактивности на бактерии выражается, как и у эукариот , ионизацией воды и образованием активных форм кислорода . Эти соединения мутируют нити ДНК и вызывают генетические повреждения , вызывая новый лизис и последующую гибель клеток . [20] [21]

С другой стороны, его действие на вирусы приводит к повреждению нуклеиновых кислот и инактивации вируса. [22] У них есть сенсорный порог в диапазоне от 1000 до 10 000 Гр (диапазон, присущий большинству биологических организмов), который уменьшается с увеличением размера генома . [23]

Бактериальная биоремедиация

[ редактировать ]

Биохимическая трансформация радионуклидов в стабильные изотопы видами бактерий существенно отличается от метаболизма органических соединений, поступающих из источников углерода. Это высокоэнергетические радиоактивные формы, которые могут быть преобразованы косвенно в процессе микробной передачи энергии . [1]

Радиоизотопы могут трансформироваться непосредственно посредством изменения состояния , действуя в качестве акцепторов или кофакторов ферментов валентного . Они также могут быть трансформированы косвенно с помощью восстанавливающих и окислительных агентов, вырабатываемых микроорганизмами, которые вызывают изменения pH или окислительно-восстановительного потенциала . Другие процессы включают осаждение и комплексообразование поверхностно-активных веществ или хелатирующих агентов , которые связываются с радиоактивными элементами. С другой стороны, вмешательство человека может улучшить эти процессы с помощью генной инженерии и омики или путем инъекции микроорганизмов или питательных веществ в область лечения. [1] [5]

Биоредукция

[ редактировать ]
Основная статья: Биотрансформация

В зависимости от радиоактивного элемента и конкретных условий места бактерии могут прямо или косвенно ферментативно иммобилизовать радионуклиды. Их окислительно-восстановительный потенциал используется некоторыми видами микробов для восстановления, которое изменяет растворимость и, следовательно, подвижность, биодоступность и радиотоксичность . Этот метод переработки отходов, называемый биоредукцией или ферментативной биотрансформацией, очень привлекателен, поскольку его можно осуществлять в мягких для окружающей среды условиях, он не приводит к образованию опасных вторичных отходов и имеет потенциал в качестве решения для отходов различного рода. [4]

Изображение прямого ферментативного восстановления. Микроорганизмы используют органические соединения, такие как лактат , ацетат или формиат, в качестве доноров электронов, чтобы восстановить и оставить радионуклиды в нерастворимой форме. [2]

Прямое ферментативное восстановление — это переход радионуклидов с более высокой степенью окисления на более низкую, осуществляемый факультативными и облигатными анаэробами . Радиоизотоп взаимодействует с сайтами связывания метаболически активных клеток и используется в качестве терминального акцептора электронов в цепи переноса электронов , где такие соединения, как этиллактат, действуют как доноры электронов при анаэробном дыхании . [4]

Периплазма . играет очень важную роль в этих биоредукциях Для восстановления урана (VI) до нерастворимого урана (IV), производимого Shewanella putrefaciens , Desulfovibrio vulgaris , Desulfovibrio desulfuricans и Geobacterulfurreducens активность периплазматических цитохромов , необходима . С другой стороны, восстановление технеция (VII) до технеция (IV), осуществляемое S. putrefaciens , G.ulferreducens , D.desulfuricans , Geobacter metallireducens и Escherichia coli , требует присутствия комплексной формиатгидролиазы , также помещенной в этот состав. клеточный отсек. [2]

Другие радиоактивные актиниды, такие как торий , плутоний , нептуний и америций, ферментативно восстанавливаются Rhodoferax Ferrireducens , S. putrefaciens и несколькими видами Geobacter и непосредственно образуют нерастворимую минеральную фазу. [2]

Явление непрямого ферментативного восстановления осуществляется сульфатредуцирующими и диссимиляционными металловосстанавливающими бактериями по выделения реакциям метаболитов и продуктов распада. Окисление , органических кислот вызываемое выделением этих гетеротрофных бактерий , связано с восстановлением железа или других металлов и радионуклидов, в результате чего образуются нерастворимые соединения, которые могут осаждаться в виде оксидных и гидроксидных минералов . В случае сульфатредуцирующих бактерий образуется сероводород, что способствует повышению растворимости загрязняющих радионуклидов и их биовыщелачиванию (в виде жидких отходов, которые затем можно утилизировать). [2] [4]

Существует несколько видов редуцирующих микроорганизмов, продуцирующих непрямые секвестраторы и специфические хелаторы , например сидерофоры . Эти изолирующие агенты играют решающую роль в комплексообразовании радионуклидов и повышении их растворимости и биодоступности. Например, Microbacterium flavescens растет в присутствии радиоизотопов, таких как плутоний, торий, уран или америций, и производит органические кислоты и сидерофоры, которые позволяют растворять и мобилизовать радионуклиды через почву. По-видимому, сидерофоры на поверхности бактерий также могут способствовать проникновению этих элементов внутрь клетки. Pseudomonas aeruginosa также выделяет хелатирующие агенты, встречающиеся с ураном и торием при выращивании на среде с этими элементами. В общем, также было обнаружено, что сидерофоры энтеробактина чрезвычайно эффективны при солюбилизации оксидов актинидов плутония. [2] [4]

Цитратные комплексы

[ редактировать ]

Цитрат представляет собой хелатор, который связывается с некоторыми переходными металлами и радиоактивными актинидами. С цитратом и радионуклидами могут образовываться устойчивые комплексы, такие как бидентатные , тридентатные (лиганды, имеющие более одного связанного атома) и полиядерные комплексы (с несколькими радиоактивными атомами), которые получают микробное действие. Анаэробно Desulfovibrio desulfuricans и виды родов Shewanella и Clostridium способны восстанавливать бидентатные комплексы уранил-цитрата (VI) до уранил-цитрата (IV) и вызывать их осаждение, несмотря на то, что они не способны разлагать метаболически комплексный цитрат в конце периода жизни. процесс. [2] Однако было установлено, что в денитрифицирующих и аэробных условиях восстановить или разложить эти урановые комплексы невозможно. Биоредукция не имеет смысла, когда они представляют собой цитратные комплексы, смешанные металлокомплексы или когда они представляют собой трехдентатные, мономерные или полиядерные комплексы, поскольку они становятся неподатливыми и стойкими в окружающей среде. [4] [24] Благодаря этим знаниям существует система, которая сочетает в себе деградацию радионуклидно-цитратного комплекса с последующим фотодеградацией оставшегося восстановленного уранил-цитрата (ранее не подвергавшегося биоразложению, но чувствительного к свету ), что позволяет получать стабильные осадки урана, а также тория, стронция или кобальта из загрязненные земли. [4]

Биосорбция, биоаккумуляция и биоминерализация

[ редактировать ]
Стратегии биосорбции, биоаккумуляции и биоминерализации с особой ролью каждого клеточного компартмента. [3]
Основные статьи: Биосорбция , Биоаккумуляция и Биоминерализация.

Совокупность стратегий, включающая биосорбцию, биоаккумуляцию и биоминерализацию, тесно связана друг с другом, поскольку так или иначе происходит непосредственный контакт клетки с радионуклидом. Эти механизмы точно оцениваются с использованием передовых технологий анализа, таких как электронная микроскопия , рентгеновская дифракция и XANES , EXAFS и рентгеновская спектроскопия . [1] [25]

Биосорбция и биоаккумуляция — два метаболических действия, основанные на способности концентрировать радионуклиды, в тысячу раз превышающие концентрацию в окружающей среде. Они состоят из комплексообразования радиоактивных отходов с фосфатами , органическими соединениями и сульфитами, в результате чего они становятся нерастворимыми и менее подвержены радиотоксичности. Они особенно полезны в твердых биологических веществах для сельскохозяйственных целей и для улучшения почвы , хотя большинство свойств этих твердых биологических веществ неизвестны. [26]

Метод биосорбции основан на пассивной секвестрации положительно заряженных радиоизотопов липополисахаридами (ЛПС) на мембранах клеток (отрицательно заряженных) как живых, так и мертвых бактерий. Его эффективность напрямую связана с повышением температуры и может длиться часами, что является гораздо более быстрым методом, чем прямое биовосстановление. Это происходит посредством образования слизи и капсул и с предпочтением связывания с фосфатными и фосфорильными группами (хотя это также происходит с карбоксильными , аминными или сульфгидрильными группами). Bacillota и другие бактерии, такие как Citrobacter freudii , обладают значительными биосорбционными способностями; Цитробактерии делают это за счет электростатического взаимодействия урана с фосфатами их ЛПС. [2] [3]

Количественный анализ показал, что в случае урана биосорбция может варьироваться в пределах от 45 до 615 миллиграммов клеток на грамм сухой массы . Однако для биоремедиации этот метод требует большого количества биомассы; это создает проблемы насыщения и других катионов, которые конкурируют за связывание с бактериальной поверхностью. [3]

Под биоаккумуляцией понимается попадание радионуклидов в клетку, где они удерживаются посредством комплексообразования с отрицательно заряженными внутриклеточными компонентами, преципитатов или образований гранул . В отличие от биосорбции, это активный процесс : он зависит от энергозависимой транспортной системы. [ нужна ссылка ] Некоторые металлы или радионуклиды могут случайно поглощаться бактериями из-за их сходства с пищевыми элементами по метаболическим путям . Некоторые радиоизотопы стронция , например, признаны аналогами кальция и включены в состав Micrococcus luteus . [4] Уран , однако, не имеет известной функции, и считается, что его попадание внутрь клетки может быть связано с его токсичностью (он способен увеличивать проницаемость мембран ). [3]

Черниковит и метааутунит , радиоактивные минералы, являются результатом возможной биоминерализации.

Кроме того, биоминерализация, также известная как биоосаждение, представляет собой осаждение радионуклидов посредством образования микробных лигандов, что приводит к образованию стабильных биогенных минералов . Эти минералы играют очень важную роль в удержании радиоактивных загрязнений. В процессе участвует очень локализованная и образующаяся ферментативным путем концентрация лигандов, которая обеспечивает место зародышеобразования для начала биоминерального осаждения. [27] Это особенно актуально при осаждении биоминералов, производных фосфатазной активности, которые расщепляют молекулы, такие как глицеринфосфат, на периплазме . У Citrobacter и Serratia родов в результате этого расщепления высвобождаются неорганические фосфаты (HPO 4 2− ), который осаждается с ионом уранила (UO 2 2+ ) и вызывают отложение поликристаллических минералов вокруг клеточной стенки. [2] [28] Серратии также образуют биопленки , которые способствуют осаждению черниковита (богатого ураном) и дополнительно удаляют до 85% кобальта-60 и 97% цезия-137 за счет протонного замещения этого минерала. [25] В целом биоминерализация представляет собой процесс, при котором клетки не имеют ограничений по насыщению и могут накапливать в виде осажденных радионуклидов в несколько раз больше собственного веса. [4]

Исследования наземных и морских бактериальных изолятов, принадлежащих к родам Aeromonas , Bacillus , Myxococcus , Pantoea , Pseudomonas , Rahnella и Vibrio, также продемонстрировали удаление радиоизотопов урана в виде фосфатных биоминералов как в кислородных , так и в бескислородных условиях роста. [25]

Биостимуляция и биоаугментация

[ редактировать ]
Основные статьи: Биостимуляция и биоаугментация
Эволюция сайта UMTRA Old Rifle ( Колорадо , США ) с 1957 (вверху) по 2008 год (внизу), на котором выполнялись задачи биостимуляции. [29]

Помимо биоредукции, биосорбции, биоаккумуляции и биоминерализации, которые представляют собой бактериальные стратегии естественного ослабления радиоактивного загрязнения, существуют также человеческие методы, которые повышают эффективность или скорость микробных процессов. Это ускоренное естественное ослабление предполагает вмешательство в загрязненную зону с целью повышения скорости конверсии радиоактивных отходов, которая, как правило, медленная. Есть два варианта: биостимуляция и биоаугментация. [30]

Биостимуляция — это добавление питательных веществ с микроэлементами , донорами или акцепторами электронов для стимуляции активности и роста естественных местных микробных сообществ. [4] [30] Он может варьироваться от простого внесения удобрений или инфильтрации (так называемая пассивная биостимуляция) до более агрессивных инъекций в землю и широко используется на Министерства энергетики США . объектах [26] Нитрат используется в качестве питательного вещества для биостимуляции восстановления урана , поскольку он служит очень энергетически выгодным акцептором электронов для бактерий, восстанавливающих металлы . Однако многие из этих микроорганизмов ( Geobacter , Shewanella или Desulfovibrio ) обладают генами устойчивости к тяжелым металлам , которые ограничивают их способность биоремедиации радионуклидов. В этих конкретных случаях в среду добавляется источник углерода, такой как этанол, чтобы способствовать восстановлению сначала нитрата, а затем урана . Этанол также используется в системах инъектирования почвы с гидравлической рециркуляцией : он повышает pH и способствует росту денитрифицирующих и радионуклидредуцирующих бактерий, которые образуют биопленки и достигают почти 90% снижения концентрации радиоактивного урана. [2]

ряд геофизических Для мониторинга эффектов биостимуляции на месте использовался методов, включая измерение: спектрального потенциала ионизации , собственных потенциалов , плотности тока , комплексного удельного сопротивления , а также моделирование реактивного переноса (RTM), которое измеряет гидрогеологические и геохимические параметры для оценки химические реакции микробного сообщества. [3]

Биоаугментация, с другой стороны, представляет собой преднамеренное добавление в окружающую среду микроорганизмов с желаемыми характеристиками для ускорения бактериальной метаболической конверсии радиоактивных отходов. Их часто добавляют, когда необходимые виды для биоремедиации отсутствуют в месте обработки. [4] [30] В ходе многолетних полевых испытаний этот метод показал, что он не дает лучших результатов, чем биостимуляция; также неясно, могут ли интродуцированные виды эффективно распространяться через сложные геологические структуры большинства подземных сред или могут ли они в долгосрочной перспективе конкурировать с местной микробиотой. [1] [26]

Генная инженерия и омика

[ редактировать ]
Deinococcus radiodurans проявляет большой интерес к генной инженерии для биоремедиации радиоактивных отходов.
Основные статьи: Генная инженерия и омика

Омики, особенно геномика и протеомика, позволяют идентифицировать и оценивать гены , белки и ферменты, участвующие в биоремедиации радионуклидов, помимо структурных и функциональных взаимодействий, существующих между ними и другими метаболитами. Секвенирование генома различных микроорганизмов показало, например, что Geobacter serreducens обладает более чем 100 кодирующими областями для цитохромов c-типа , участвующих в биоремедиации радионуклидов, или что ген NiCoT значительно сверхэкспрессируется у Rhodopseudomonas palustris и Novosphingobium Framaticivorans при выращивании в среде с радиоактивным кобальтом. . [1] [2]

На основе этой информации генной инженерии и рекомбинантной ДНК разрабатываются различные методы для создания конкретных бактерий для биоремедиации. Некоторые конструкции, экспрессируемые в микробных видах, представляют собой фитохелатины , полигистидины и другие полипептиды путем слияния доменов, связывающихся с белками, закрепленными на внешней мембране. [2] Некоторые из этих генетически модифицированных штаммов происходят от Deinococcus radiodurans , одного из наиболее устойчивых к радиации организмов. D. radiodurans способен противостоять окислительному стрессу и повреждению ДНК от радиации, а восстанавливает технеций , уран и хром также естественным образом . Кроме того, благодаря внедрению генов других видов было достигнуто то, что он также может осаждать уранилфосфаты и разлагать ртуть , используя толуол в качестве источника энергии для выращивания и стабилизации других приоритетных радионуклидов. [1] [3]

Направленная эволюция бактериальных белков, связанная с биоремедиацией радионуклидов, также является предметом полевых исследований. Фермент YieF , например, естественным образом катализирует восстановление хрома с помощью очень широкого спектра субстратов . Однако после белковой инженерии он также смог участвовать в восстановлении ионов уранила . [31]

Биоремедиация растений

[ редактировать ]
Основная статья: Фиторемедиация
Процессы фиторемедиации. Радионуклиды не подвергаются фиторазложению, а превращаются в более стабильные или менее токсичные формы.

Использование растений для удаления загрязнений из окружающей среды или снижения их вредности называется фиторемедиацией. В случае радионуклидов это жизнеспособная технология, когда время дезактивации длительное, а отходы рассеиваются в низких концентрациях. [32] [33]

Некоторые виды растений способны трансформировать состояние радиоизотопов (не подвергаясь токсичности), концентрируя их в разных частях своей структуры, заставляя их устремляться по корням, делая летучими или стабилизируя их на земле. Как и в случае с бактериями, генной инженерии процедуры растений и биостимуляция, называемая фитостимуляцией , улучшили и ускорили эти процессы, особенно в отношении быстрорастущих растений . [33] Использование Agrobacterium rhizogenes , например, довольно широко распространено и значительно увеличивает поглощение радионуклидов корнями . [ нужна ссылка ]

Фитоэкстракция

[ редактировать ]
Основная статья: Фитоэкстракция

При фитоэкстракции (также фитоаккумуляции, фитосеквестрации или фитоабсорбции) [34] растения переносят радиоактивные отходы из корневой системы в проводящую ткань и концентрируются в биомассе побегов. Это метод, который удаляет радионуклиды, не разрушая структуру почвы, с минимальным воздействием на плодородие почвы и действителен на больших площадях с низким уровнем радиоактивности. Его эффективность оценивается через коэффициент биоаккумуляции (БК) или суммарное удаление радионуклидов на м2. 2 Доказано, что он притягивает цезий-137 , стронций-90 , технеций-99 , церий-144 , плутоний-240 , америций-241 , нептуний-237 и различные радиоизотопы тория и радия . [33] Напротив, это требует большого производства биомассы за короткие периоды времени. [ нужна ссылка ]

Такие виды, как вереск обыкновенный или амарант, способны концентрировать цезий-137, самый распространенный радионуклид в Чернобыльской зоне отчуждения . регионе Украины В этом зелень горчицы может удалить до 22% среднего уровня активности цезия за один вегетационный период. Точно так же бок-чой и зелень горчицы могут концентрировать в 100 раз больше урана , чем другие виды. [33]

Ризофильтрация

[ редактировать ]
Связанная система прудов на реке Дирн ( Англия ).
Основная статья: Ризофильтрация

Ризофильтрация – это адсорбция и осаждение радионуклидов в корнях растений или их поглощение, если они растворены в сточных водах. Он обладает высокой эффективностью при удалении цезия-137 и стронция-90 , особенно водорослей и водных растений , таких как роды Cladophora и Elodea соответственно. Это наиболее эффективная стратегия биоремедиации водно-болотных угодий . [34] но должен иметь непрерывный и строгий контроль pH , чтобы сделать этот процесс оптимальным. [35]

В результате этого процесса были разработаны некоторые стратегии, основанные на последовательностях прудов с медленным течением воды для очистки загрязненной воды радионуклидами. Результаты работы этих сооружений для потоков 1000 литров сточных вод составляют около 95% удержания радиации в первом пруду (растениями и илом ) и более 99% в трехосновных системах. [33]

Наиболее перспективными растениями для ризофильтрации являются подсолнечник . Они способны удалить до 95% урана из загрязненной воды за 24 часа, а эксперименты в Чернобыле показали, что они могут сконцентрировать на 55 кг сухого веса растения всю радиоактивность цезия и стронция с площади 75 м2. 2 (стабилизированный материал, пригодный для отправки в хранилище ядерных отходов). [33]

Фитоиспарение

[ редактировать ]
Основная статья: Фитоиспарение

Фитоватилизация включает улавливание и последующую транспирацию радионуклидов в атмосферу . Он не удаляет загрязнения, а выделяет их в летучей форме (менее вредной). Несмотря на то, что радиоактивные отходы не имеют слишком большого применения, они очень полезны для обработки трития , поскольку используют способность растений испарять огромное количество воды. [33] [34]

При обработке трития (экранированный воздухом почти не происходит внешнего радиационного воздействия, но его попадание в воду представляет опасность для здоровья при попадании в организм) используются загрязненные сточные воды для орошения фреатофитов . Это становится системой с низкими эксплуатационными расходами и низкими затратами на техническое обслуживание, с экономией около 30% по сравнению с традиционными методами перекачки и покрытия асфальтом . [33]

Фитостабилизация

[ редактировать ]
Основная статья: Фитостабилизация

Фитостабилизация – это особенно действенная стратегия борьбы с радиоактивным загрязнением, основанная на иммобилизации радионуклидов в почве под действием корней. Это может происходить путем адсорбции, абсорбции и осаждения в корневой зоне и гарантирует, что радиоактивные отходы не могут быть рассеяны из-за почвы эрозии или выщелачивания . Это полезно при контроле за отходами урановых рудников и открытых карьеров, а также гарантирует восстановление экосистемы . [33] [34] Однако у него есть существенные недостатки, такие как большие дозы удобрений, необходимые для восстановления леса, не считая того, что радиоактивный источник (что предполагает длительное обслуживание) остается на том же месте. [ нужна ссылка ]

Грибковая биоремедиация

[ редактировать ]
Рост радиотрофных грибов описан в реакторе №4 Чернобыльской АЭС .
Основная статья: Микоремедиация

Некоторые виды грибов имеют значения радиоактивной устойчивости, равные или превышающие значения более радиоустойчивых бактерий; они выполняют процессы микоремедиации. Сообщалось, что некоторые грибы обладают способностью прорастать, питаться, генерировать споры и разлагать куски графита из разрушенного реактора № 4 Чернобыльской АЭС , загрязненного высокими концентрациями радионуклидов цезия , плутония и кобальта . Их назвали радиотрофными грибами . [36]

С тех пор было показано, что некоторые виды Penicillium , Cladosporium , Paecilomyces и Xerocomus способны использовать ионизирующее излучение в качестве энергии благодаря электронным свойствам меланина . [36] [37] При питании они биоаккумулируют радиоизотопы, создавая проблемы на бетонных стенах глубоких геологических хранилищ . [38] Другие грибы, такие как вешенки, могут биовосстанавливать плутоний-239 и америций-241 . [39]

Пути исследования

[ редактировать ]

Текущие исследования методов биоремедиации достаточно продвинуты, и молекулярные механизмы, которые ими управляют, хорошо известны. Однако существует много сомнений в эффективности и возможных вредностях этих процессов в сочетании с добавлением агрохимикатов . В почвах роль микоризы в радиоактивных отходах изучена плохо, а закономерности связывания радионуклидов достоверно неизвестны. [40]

Влияние некоторых бактериальных процессов на продолжительность жизни, таких как сохранение урана в нерастворимой форме из-за биовосстановления или биоминерализации, неизвестно. Также нет четких подробностей о переносе электронов от некоторых радионуклидов этими видами бактерий. [3]

Другим важным аспектом является замена процессов ex situ или лабораторного масштаба на их реальное применение in situ , при котором неоднородность почвы и условия окружающей среды приводят к дефициту воспроизводства оптимального биохимического статуса используемых видов, что снижает эффективность. Это предполагает поиск наилучших условий для проведения эффективной биоремедиации с помощью анионов, металлов, органических соединений или других хелатирующих радионуклидов, которые могут конкурировать с поглощением представляющих интерес радиоактивных отходов. [2] Тем не менее, во многих случаях исследования сосредоточены на извлечении почвы и воды и их биологической очистке ex situ , чтобы избежать этих проблем. [4]

Наконец, потенциал ГМО ограничен регулирующими органами с точки зрения ответственности и биоэтических вопросов. Их выпуск требует поддержки в зоне действия и сопоставимости с местными видами. Междисциплинарные исследования направлены на более точное определение необходимых генов и белков для создания новых бесклеточных систем , которые могут избежать возможных побочных эффектов на окружающую среду в результате проникновения трансгенных или инвазивных видов . [2]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г Фэйсон, Б; Маккалоу, Дж; Хазен, Техас; Бенсон, С.М.; Пальмизано, А (2003). Букварь НАБИР (ред.). Биоремедиация металлов и радионуклидов: что это такое и как работает (PDF) (2-е издание. Редакция Национальной лаборатории Лоуренса Беркли ). Вашингтон: Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала (PDF) 25 января 2021 г. Проверено 20 мая 2016 г.
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Пракаш, Д; Габани, П; Чандел, АК; Ронен, З; Сингх, О.В. (2013). «Биоремедиация: настоящая технология удаления радионуклидов из окружающей среды» . Микробная биотехнология . 6 (4). Нью-Йорк: 349–360. дои : 10.1111/1751-7915.12059 . ПМЦ   3917470 . ПМИД   23617701 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Ньюсом, Л; Моррис, К; Ллойд, младший (2014). «Биогеохимия и биоремедиация урана и других приоритетных радионуклидов» . Химическая геология . 363 : 164–184. Бибкод : 2014ЧГео.363..164Н . дои : 10.1016/j.chemgeo.2013.10.034 .
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м Фрэнсис, AJ; Нанчарайя, Ю.В. (2015). «9. Биоремедиация in situ и ex situ загрязненных радионуклидами почв на ядерных объектах и ​​площадках НОРМ» . Ин ван Велцен, Л. (ред.). Восстановление окружающей среды и восстановление загрязненных ядерных и нормальных объектов (PDF) . Серия публикаций Woodhead по энергетике. Эльзевир. стр. 185–236. дои : 10.1016/B978-1-78242-231-0.00009-0 . ISBN  978-1-78242-231-0 .
  5. ^ Jump up to: а б Фрэнсис, AJ (2006). Микробные трансформации радионуклидов и восстановление окружающей среды посредством биоремедиации (PDF) . Симпозиум на тему «Новые тенденции в науке и технологиях разделения». Мумбаи: Брукхейвенская национальная лаборатория .
  6. ^ Совет по ядерной безопасности. Министерство промышленности, туризма и торговли Испании (ред.). «Естественная и искусственная радиация» (Интернет) (на испанском языке) . Проверено 24 февраля 2016 г. .
  7. ^ Варског, П; Штральберг, Э; Варског, АТС; Рааум, А (2003). Радионуклиды естественного происхождения в морской среде: обзор современных знаний с акцентом на район Северного моря (PDF) . Кьеллер: Norse Decom AS. п. 7. ISBN  978-82-92538-01-2 .
  8. ^ Jump up to: а б с Государственный университет Айдахо (ред.). «Радиоактивность в природе» . Архивировано из оригинала (Интернет) 5 февраля 2015 года . Проверено 25 февраля 2016 г. .
  9. ^ Jump up to: а б Ху, Кью; Венг, Дж; Ван, Дж (2010). «Источники антропогенных радионуклидов в окружающей среде: обзор». Журнал радиоактивности окружающей среды . 101 (6). Арлингтон: 426–437. дои : 10.1016/j.jenvrad.2008.08.004 . ПМИД   18819734 .
  10. ^ Кэмпбелл, Дж. А. (1983). «44.4.1. Тритий» (Интернет) . В Райли, JP; Честер, Р. (ред.). Химическая океанография . Том. 8. Нью-Йорк: Академик Пресс. стр. 111–117. ISBN  9781483219837 .
  11. ^ Аояма, М; Хиросе, К. (2008). Радиометрическое определение антропогенных радионуклидов в морской воде . Том. 11. С. 137–162. дои : 10.1016/S1569-4860(07)11004-4 . ISBN  9780080449883 . ISSN   1569-4860 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
  12. ^ Райли, Р.Г.; Захара, Дж. М.; Воббер, Ф.Дж. (1992). «Химические загрязнители на землях Министерства энергетики и выбор смесей загрязнителей для исследований недр» (PDF) . Управление энергетических исследований : 22. doi : 10.2172/10147081 .
  13. ^ Венский международный центр (2009 г.). Классификация радиоактивных отходов: общее руководство по безопасности (PDF) . Вена: Международное агентство по атомной энергии . стр. 5–6. ISBN  9789201092090 . ISSN   1020-525X . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
  14. ^ Jump up to: а б Шарма, Британская Колумбия; Шарма, А; Шарма, М. (2007). «Последствия радиоактивного загрязнения» (Интернет) . В Шарме, Б.К. (ред.). Экологическая химия . Меерут: Кришна Пракашан Медиа. ISBN  9788182830127 .
  15. ^ Бреннер, диджей; Кукла, Р; Гудхед, DT; Холл, Э.Дж.; Земля, CE (2003). «Риск рака, связанный с низкими дозами ионизирующего излучения: оценка того, что мы действительно знаем» . ПНАС . 100 (24): 13761–13766. Бибкод : 2003PNAS..10013761B . дои : 10.1073/pnas.2235592100 . ISSN   1091-6490 . ПМК   283495 . ПМИД   14610281 .
  16. ^ Линсли, Дж. (1997). «Радиация и окружающая среда: оценка воздействия на животных и растения» (PDF) . Бюллетень МАГАТЭ .
  17. ^ Стюарт, генеральный менеджер; Фаулер, Юго-Запад; Фишер, Н.С. (2011). «8. Биоаккумуляция радионуклидов U- и Th-рядов в морских организмах». В Кришнасвами, С; Кокран, Дж. К. (ред.). Нуклиды U-Th ряда в водных системах . Радиоактивность в окружающей среде. Том. 13. Амстердам: Эльзевир. стр. 269–305. дои : 10.1016/S1569-4860(07)00008-3 . ISBN  9780080564883 . ISSN   1569-4860 .
  18. ^ Jump up to: а б Барнтхаус, LW (1995). Отдел наук об окружающей среде (ред.). «Воздействие ионизирующей радиации на наземные растения и животные: отчет семинара» (PDF) (4496). Теннесси: Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2016 г. Проверено 21 мая 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  19. ^ Гейгер, CS (1909). «Влияние радиевых лучей на некоторые жизненные процессы растений» (Djvu) . Научно-популярный ежемесячник . 74 . Нью-Йорк: 222–232.
  20. ^ Конфалоньери, Ф; Соммер, С. (2011). «Бактериальная и архейная устойчивость к ионизирующей радиации» . Физический журнал: серия конференций . 261 (1). Орсе: 012005. Бибкод : 2011JPhCS.261a2005C . дои : 10.1088/1742-6596/261/1/012005 .
  21. ^ Кельнер, А; Декстер Беллами, W; Стэплтон, GE; Зелле, MR (1955). «Симпозиум по воздействию радиации на клетки и бактерии» . Бактериологические обзоры . 19 (1): 22–24. дои : 10.1128/ММБР.19.1.22-44.1955 . ПМК   180808 . ПМИД   14363075 .
  22. ^ Призрак, С; Джеффрис, Д. (1996). «18. Дезинфекция» (Интернет) . В WJ Mahy, B; О Кранго, Х. (ред.). Руководство по вирусологическим методам . Сан-Диего: Академическая пресса. стр. 353–356. ISBN  9780080543581 .
  23. ^ Лоуи, Р.Дж. (2005). «Инактивация медицинских вирусов ионизирующим излучением» (Интернет) . В Газсо, LG; Понта, CC (ред.). Радиационная инактивация агентов биотерроризма . Научная серия НАТО. Серия I, Науки о жизни и поведении. Том. 365. Будапешт: IOS Press. стр. 175–186. ISBN  9781586034887 . ISSN   1566-7693 .
  24. ^ Фрэнсис, AJ (2012). «6. Воздействие микроорганизмов на радионуклиды в загрязненных средах и отходах». В Пуанссо, К; Геккейс, Х. (ред.). Поведение радионуклидов в природной среде: наука, последствия и уроки для атомной промышленности . Серия публикаций Woodhead по энергетике. Издательство Вудхед. стр. 161–226 . ISBN  9780857097194 .
  25. ^ Jump up to: а б с Мартинес, Р.Дж.; Бизли, MJ; Собецки, Пенсильвания (2014). «Фосфат-опосредованная ремедиация металлов и радионуклидов» . Достижения в области экологии . 2014 : 1–14. дои : 10.1155/2014/786929 .
  26. ^ Jump up to: а б с Хазен, Техас; Табак Х.Х. (2005). «Разработки в области биоремедиации почв и отложений, загрязненных металлами и радионуклидами: 2. Полевые исследования по биоремедиации металлов и радионуклидов» . Обзоры по наукам об окружающей среде и био/технологиям . 4 (3): 157–183. дои : 10.1007/s11157-005-2170-y . ISSN   1572-9826 . S2CID   129843161 .
  27. ^ Вальтер, К; Гупта, ДК (2015). «2.3 Биоминерализация/Биоосаждение» (Интернет) . Радионуклиды в окружающей среде: влияние химического образования и поглощения растениями на миграцию радионуклидов . Швейцария: Шпрингер. п. 178. ИСБН  9783319221717 .
  28. ^ Макейси, Ле; Янг, П; Паттерсон-Бидл, М. (2004). «24. Бактериальное осаждение фосфатов металлов» (Интернет) . В Валсами-Джонсе, Э. (ред.). Фосфор в экологических технологиях: принципы и применение . Серия интегрированных экологических технологий. Лондон: Международное издательство по воде. стр. 553–557. ISBN  9781843390015 .
  29. ^ Чанг, Ю (2005). «Биостимуляция уранвосстанавливающих микроорганизмов in situ на месте старой винтовки UMTRA» (Интернет) . Докторские диссертации . Ноксвилл.
  30. ^ Jump up to: а б с Естественные и ускоренные исследования в области биоремедиации. Министерство энергетики США (ред.). «II. Цели программы и стратегия управления» (Интернет) . Проверено 14 мая 2015 г.
  31. ^ Матин, AC (2006). Стэнфордский университет (ред.). «Разработка комбинаторных бактерий для биоремедиации металлов и радионуклидов» (PDF) . Стэнфорд: Управление научной и технической информации Министерства энергетики. дои : 10.2172/883649 . S2CID   138099083 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  32. ^ Уилли, Н; Коллинз, К. (2007). «Фиторемедиация почв, загрязненных радионуклидами». В Шоу, Дж. (ред.). Радиоактивность в земной среде . Том. 10. Эльзевир. стр. 43–69. дои : 10.1016/S1569-4860(06)10003-0 . ISBN  9780080474892 .
  33. ^ Jump up to: а б с д Кумар, Д; Вальтер, К., ред. (2014). «4. Методы фиторемедиации» . Радионуклидное загрязнение и очистка растений . Ганновер: Спрингер. стр. 9–14. ISBN  9783319076652 .
  34. ^ «Ризофильтрация» . www.hawaii.edu . Проверено 18 июня 2022 г.
  35. ^ Jump up to: а б Дадачева Е; Касадевалл, А (2008). «Ионизирующее излучение: как грибы справляются, адаптируются и эксплуатируют с помощью меланина» . Современное мнение в микробиологии . 11 (6): 525–531. дои : 10.1016/j.mib.2008.09.013 . ПМК   2677413 . ПМИД   18848901 .
  36. ^ Калач, П. (2001). «Обзор радиоактивности съедобных грибов». Пищевая химия . 75 (1): 29–35. дои : 10.1016/S0308-8146(01)00171-6 .
  37. ^ Фомина, М; Берфорд, EP; М. Гадд, Дж. (2006). «Грибковое растворение и трансформация минералов: значение для подвижности питательных веществ и металлов» (Интернет) . В Гэдде, GM (ред.). Грибы в биогеохимических циклах . Издательство Кембриджского университета. стр. 236–266. дои : 10.1017/CBO9780511550522.011 . ISBN  9780521845793 .
  38. ^ Галанда, Д; Матель, Л; Стришовска, Дж; Дуланска, С (2014). «Микомедиация: исследование фактора переноса поглощения плутония и америция из земли». Журнал радиоаналитической и ядерной химии . 299 (3). Будапешт: 1411–1416 гг. дои : 10.1007/s10967-013-2909-9 . ISSN   1588-2780 . S2CID   96123551 .
  39. ^ Чжу, Ю.Г.; Шоу, Дж. (2000). «Загрязнение почвы радионуклидами и возможности восстановления». Хемосфера . 41 (1–2): 121–128. Бибкод : 2000Chmsp..41..121Z . дои : 10.1016/S0045-6535(99)00398-7 . ПМИД   10819188 .
[ редактировать ]
Ресурсы библиотеки о
Биоремедиация радиоактивных отходов
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bioremediation_of_radioactive_waste&oldid=1184094349"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c09c34575d12613ff739a9be054c6767__1699421700
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c0/67/c09c34575d12613ff739a9be054c6767.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bioremediation of radioactive waste - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)