Lors de la conception de dépôts de déchets hautement radioactifs situés dans des couches géologiques profondes, divers facteurs doivent être soigneusement pris en compte pour garantir leur sûreté à long terme. Entre autres choses, les communautés naturelles de micro-organismes peuvent influencer le comportement des déchets, notamment lorsqu'ils entrent en contact avec l'eau. Les micro-organismes interagissent avec les radionucléides libérés et influencent leur mobilité.
Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont examiné de plus près un micro-organisme présent à proximité d'un dépôt potentiel. Leurs découvertes sont publiées dans la revue Science of The Total Environment. .
En Allemagne, les roches qui conviennent au stockage permanent et sûr de déchets hautement radioactifs dans un dépôt (appelées roches hôtes) sont certaines formations rocheuses argileuses, en plus du sel gemme et des roches cristallines. Un système multi-barrières est privilégié, composé du conteneur à déchets comme barrière technique, du matériau de remblai comme barrière géotechnique et de la roche d'accueil comme barrière géologique. Ce système est destiné à isoler les déchets radioactifs de l'environnement.
"La combinaison de formations argileuses avec le matériau de remblai, la bentonite, composée de divers minéraux argileux, est un exemple d'un tel système. Nous savons que des micro-organismes dits sulfato-réducteurs sont présents à la fois dans la roche hôte et dans le matériau de remblai. Dans le cadre de notre travail, nous avons étudié plus en détail un représentant du genre Desulfosporosinus. Nous étions particulièrement intéressés par son influence sur l'uranium présent dans le système bentonite-argile", explique le Dr Stephan Hilpmann de l'Institut d'écologie des ressources HZDR.
L'uranium peut se présenter sous la forme de divers composés et peut adopter différents états d'oxydation. Dans les gisements naturels, l’uranium se trouve principalement sous forme tétravalente et hexavalente. Dans des conditions normales, les composés tétravalents de l’uranium, contrairement aux composés hexavalents, sont presque insolubles dans l’eau. Les composés de l'uranium sont toxiques, la toxicité dépendant principalement de leur solubilité. Ce comportement distinct des composés avec différents états d'oxydation est d'une grande importance pour la compréhension des processus dans le stockage.
Desulfosporosinus vit dans des conditions anaérobies :il ne pousse qu'en l'absence d'air. Cela a permis aux chercheurs d’étudier le micro-organisme dans des conditions réalistes, telles que celles trouvées dans les couches profondes de roche. Pour ce faire, ils ont mis en contact les cultures bactériennes avec des solutions de sels d'uranium dans l'eau interstitielle naturelle de la roche argileuse, recouvertes d'une atmosphère d'azote qui les protège de l'oxygène atmosphérique.
Ils ont observé que les bactéries convertissent l’uranium hexavalent facilement soluble dans l’eau en uranium tétravalent peu soluble. Les bactéries peuvent déposer cet uranium peu soluble dans des vésicules membranaires à la surface de leurs cellules sous forme d'incrustations.
L'équipe suppose qu'il s'agit d'une réaction défensive des micro-organismes, un comportement qui a déjà été observé chez d'autres types de bactéries.
"Après une semaine, les bactéries ont converti environ 40 pour cent de l'uranium initialement dissous en variante peu soluble", rapporte Hilpmann.
L’équipe a également observé une autre étape d’oxydation avec de l’uranium pentavalent, dont la formation au cours de ce processus était jusqu’à présent peu connue. Cela est principalement dû à son instabilité typique. Les chercheurs soupçonnent qu’ils n’ont pu détecter l’uranium pentavalent que parce que les bactéries le stabilisent dans une certaine mesure en solution. Ils ont pu détecter cet état d'oxydation même après une semaine.
Pour observer les différents composés de l’uranium, l’équipe a utilisé une gamme de méthodes modernes de spectroscopie et de microscopie. Les chercheurs du HZDR ont accès à des techniques hautement spécialisées à l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux et à la ligne de lumière Rossendorf (ROBL), que le HZDR exploite à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble. Sur le site français, par exemple, ils peuvent étudier les processus radiochimiques par spectroscopie. Ici, ils ont également observé la formation d'uranium pentavalent au cours du processus en utilisant une méthode appelée HERFD-XANES.
HERFD-XANES signifie détection de fluorescence à haute résolution énergétique, couplée à la spectroscopie d'absorption des rayons X à proximité du bord. Il s’agit d’une méthode spectroscopique d’absorption des rayons X qui peut être utilisée pour étudier le comportement des électrons. L'équipe a pu visualiser les agrégats contenant de l'uranium sur la surface cellulaire de Desulfosporosinus en utilisant la microscopie électronique à transmission par balayage couplée à la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie.
"Nos découvertes approfondissent notre compréhension des processus complexes dans un potentiel dépôt final. Elles peuvent également être pertinentes pour l'élimination des polluants radioactifs des eaux contaminées et donc pour leur assainissement", explique Hilpmann.
Plus d'informations : Stephan Hilpmann et al, Présence d'uranium(V) lors de la réduction de l'uranium(VI) par Desulfosporosinus hippei DSM 8344T, Science de l'environnement total (2023). DOI :10.1016/j.scitotenv.2023.162593
Informations sur le journal : Science de l'environnement total
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
