二十万年如一日看管核废料，依靠细菌行不行？

还没有过去的2016年又一次被称作了“史上最热年”，截止8月，已经连续16个月刷新了地球的高温纪录。这么热的天气，难免引起科学家们对冰川融化以及海平面上升的担忧，于是一切又回到了一个老问题——如何控制温室气体。

除了不断涌现并且五花八门的“固碳”方法外，寻找替代石化燃料的新能源也是一条必循之路。让人又爱又怕的核能则始终是其中一个选项。除了零排放、占地小和效率高等有点外，核能（裂变能）最为人诟病的无非是安全性和核废料。

关于核废料，目前采取的主要方法是深埋，而考虑到核废料超长的半衰期（最长的元素超过20万年），以及现有建筑材料相对较低的寿命，公众的担心也不无道理。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员可能找到了一条全新的核废料看管途径。他们发现，某些自然存在的细菌可以消耗核废料库中可能造成危险的氢气，而这将会有助于我们更好地处置核废料。

EPFL的科学家们发现了一个在核废料处置领域意想不到的盟友——细菌。他们研究的主要对象是一种由7种细菌组成的菌落，自然条件下这些细菌在地下数百米的岩层中生存，而这些岩层恰恰就是瑞士核废料的填埋处。

他们发现，只需简单调整一下核废料库的设计就能使这些细菌化敌为友，它们可以消耗积聚在钢罐上的氢气使其安全性增加。因为如果不对这些氢气加以控制，累积的气体压力具有破坏主体岩石完整性而造成核泄漏的隐患。这项研究成果于今年10月14日发表在《Nature Communications》杂志上。

核废料的放射性需要大约20万年才能恢复到正常水平——自然界中天然存在的铀的放射水平。因此，以往大多数关于如何长期又安全地处置核废料的研究都着眼于地质学，即寻找合适的掩埋岩层。然而，所有以往研究都忽略了一个关键因素，这也是本项研究的着眼点：生物学。

地下的生命

细菌随处可见，甚至是在数百米的地下。根据该研究论文的通讯作者里兹兰·伯尼尔·拉特玛尼（Rizlan Bernier-Latmani）的说法，这些细菌会饥不择食地扑向任何可用的能源。

“在泰利山岩石实验室（Mont TerriRock Laboratory）地下300米的水样中，我们发现了一个有着封闭食物链的菌群，其中有许多未曾谋面的细菌。原始条件下，位于该菌落食物链底部的细菌从主体岩石中的氢和硫酸盐中获取能量，在这基础上，这些底层细菌又为食物链中更高级的细菌提供了能量。”拉特玛尼这样解释此菌落的生存模式。

深埋在500米地下的核废料

然而核废料的加入，改变了这种状况。储存核废料的钢罐要被玻璃化并密封，再用一层厚厚的自密封膨润土包围，埋在数百米地下——地质稳定的硬泥岩层（Opalinus Clay），放射性废料与周围环境隔绝。但是钢罐不可避免地会被腐蚀，这就导致了氢气的产生。

不间断地减压

5年前，拉特玛尼的团队第一次在核废料处理领域提出他们的假设，并于两年前付诸实践。“我们增加泰利山硬泥岩层中心区域的氢气含量，然后通过生物化学途径和蛋白质监测分析菌落的组成，以及它们各自对氢气含量变化所作出的响应。”

累积的氢气会升高压力，使岩层产生裂缝，最终导致核泄漏。

一旦细菌耗光了所有可用的氧和铁，研究人员就会测量到细菌数量和新陈代谢的变化，这些都是由于它们利用了氢气所致。拉特玛尼解释说：“能够利用氢气驱动其代谢的两种细菌蓬勃发展，而其他种类则被这两种细菌的生长所压制。这是个好消息，因为这说明了菌落的增殖有助于防止氢气的积聚。”

核废料的生物屏障

那么，如何使用这些发现来使核废料堆放仓库更安全呢？拉特玛尼建议在原有的三个核废料屏障基础上增加第四个屏障——生物屏障。“我们可以在膨润土和主体岩石之间添加一层多孔材料，这种多孔层将为细菌提供一个理想的栖息地，使其可以从宿主岩石中提取硫酸盐，并消耗氢气。”

但是有一个问题仍然困扰着研究者：对这种菌落的基因组研究发现消耗氢气并不是这些微生物所做的全部——它们还具有将氢气转化为甲烷的能力，这是他们不希望看到的。“半年多以来，我们一直在泰利山的实验室观察这些细菌是否真的会生成甲烷，目前还没有得出确切结论。”

参考：A. Bagnoud, Reconstructing ahydrogen-driven microbial metabolic network in Opalinus Clay rock, NatureCommunications 2016, DOI: 10.1038/ncomms12770.

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