CC BY
5
УДК 620.193.81, 620.197, 579.66 Абрамова Е.С.
СКРИНИНГ БИОЦИДНЫХ ДОБАВОК НА ГЛИНИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ
Абрамова Елена Сергеевна - бакалавр, инженер I категории, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской Академии наук, Ленинский проспект, 31, корп.4, Москва, Российская Федерация, 119071, [email protected]
В статье изучена эффективность применения биоцидных добавок в модельных условиях будущего глубинного подземного захоронения радиоактивных отходов «Енисейский». Оценка микробной активности проводилась с помощью дыхательного теста на основе тетразолиевого красителя. Наибольшей биоцидной активностью и устойчивостью в модельных условиях хранилища радиоактивных отходов имеет полигексаметилгуанидин в концентрации 0,5масс.%.
Ключевые слова: радиоактивные отходы, микробная активность, биологическая деструкция, биоциды, полигексаметилгуанидин.
SCREENING FOR BIOCIDAL COMPOUNDS ON CLAY MATERIALS
Abramova E.S.
A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry RAS, Moscow
The article studies the effectiveness of the use of biocidal additives in the model conditions of the future deep underground disposal of radioactive waste "Enisejskij". The assessment of microbial activity was carried out using a breath test based on a tetrazolium dye. Polyhexamethylguanidine at a concentration of 0.5 wt.% has the highest biocidal activity and stability under model conditions of a radioactive waste storage facility. Keywords: radioactive waste, microbial activity, biological destruction, biocides, polyhexamethylguanidine.
Введение
В соответствии с требованиями Международного агентства по атомной энергетике (МАГАТЭ) [1] изоляция высокоактивных радиоактивных отходов (РАО) должна проводиться в глубинных геологических формациях с применением мультибарьерной защиты. Глины благодаря своим антифильтрационным и сорбционным свойствам выбраны в концепции многокомпонентной системы в качества буферного материала. Долговременное захоронения в течение нескольких сотен лет требует изучение многих параметров и факторов. Во многих странах, планирующих строительство подземных глубинных подземных захоронений радиоактивных отходов (ПГЗРО), на передний план выносится воздействие микроорганизмов на материалы инженерных барьеров безопасности [2-4].
Для предотвращения микробной активности предлагают к использованию компактированный бентонит, плотность которого выше 1,3 г/см3 [5]. Увеличение плотности глинистого материала ведет к повышению давления набухания и снижению скорости диффузии воды и питательных веществ из трещин вмещающей породы ПГЗРО, таким образом, создаются условия, ограничивающие рост и развитие микробиоты.
Однако остается некоторая неопределенность в отношении очень долговременной эволюции бентонита, когда в локализованных областях может происходить деградация и потеря давления набухания [6]. В исследовании [7] с использованием ртутной порометрии образцы уплотненного бентонита FEBEX показано, что уменьшается только доля макропор. В условиях ограничения энергии и физико-химического стресса микроорганизмы могут
значительно уменьшить свой размер и морфологию, чтобы повысить свою выживаемость [8-9].
Согласно работе, в системе уплотненного бентонита с плотностью 1,75 и 2 г/см3 было зафиксировано образование сульфидов, что свидетельствует об активности
сульфатредуцирующих бактерий [10]. Высокое бактериальное разнообразие выявлено в образцах плотностью до 1,7 г/см3 по сухому веществу. В пробах доминировали ThiobacШus, Sulfurimonas, Desulfuromonas, Rhodobacter, GeobaciПш, способных восстановлению серы и железа. Спустя 2-х лет испытаний существенных различий в микробном разнообразии отмечено не было [11].
Для предотвращения биогенного и биогенно-опосредованного воздействия на материалы и систему барьеров могут применяться биоцидные добавки. Данное решение является альтернативой уплотненному бентониту. Биоцидные добавки применяются при деревообработке, водоподготовке, в лакокрасочной, нефтедобывающей, пищевой, медицинской промышленностях, добавляется в цементные композиции.
В строительной промышленности при изготовлении железобетонных конструкций добавляются биоцидные добавки: Катапин (конденсированный продукт пиридина с производными аренов), Ластонокс (в составе имеет олово), латексный биоцид АБП-40 (в составе акриловая кислота и акрилаты) [12]. Эти биоцидные добавки стали уже «классическими» для модификации бетонов. Их дозировка 0,1-1 масс. % в зависимости от биоцида и характеристик цементов. Наиболее предпочтительными биоцидами для использования в пунктах захоронения РАО являются неокислительные биоциды, к которым относится
четвертичные аммонийные соединения [13-14] и соединения на основе гуанидинов [15].
Добавки на основе ПГМГ рассматриваются в качестве перспективных биоцидов для предотвращения микробного воздействия на материалы во многих странах [16-18].
Материалы и методы
Объектом исследования стали перспективные глинистые материалы - бентонитовые глины Динозаврового (Казахстан) и Хакасского месторождений (Республика Хакассия).
Минеральный состав и содержание биофильных элементов приведен в табл. 1 и 2.
Образец Кварц Глинистые минералы Полевые шпаты Другие минералы Рентгено-аморфные фазы
каолинит монтмориллонит иллит КПШ плагиоклаз кальцит
Динозавровый бентонит 9 - 89,5 - - - 1,5 -
Хакасский бентонит 11,5 4 71 1 4 5 3 0,5
Таблица 1. Минеральный состав глинистых материалов, %
Таблица 2. Содержание биофильных элементов в образцах глин, масс. %
Образец K Fe S C N P
Динозавровый бентонит 0,05 3,2 0,05 0,14 0 0
Хакасский бентонит 0,71 2,4 0,04 0,34 0,01 0,1
В пенициллиновые флаконы со стерильной модельной средой объемом 9 мл, добавлялась 0,5г глины и 1 мл подземной воды, взятой непосредственно с объектовой глубины около 500м площадки ПГЗРО. Для стимулирование роста микробиоты добавляли ацетат натрия (2г/л) и водород в газовую фазу в качестве донора электронов. Инкубировали пробы в течение 28 суток при температуре 20оС. Модельная среда имитировала геохимические условия ПГЗРО «Енисейский». Состав среды (мг/): КаЫСОэ - 272, СаСЪ - 70, Мв8О4*7Ы2О - 71,8, рН 7,0. Биоцидные соединения добавляли в концентрации 0,5 масс.% от твердой фазы.
Для предотвращения микробной активности был исследован ряд перспективных биоцидных добавок: «Ранцид» (ТОО РауанНалко, Казахстан), «Аманат» (НП ОАО «Синтез ПАВ», Россия), тетраборат натрия, полигексаметилгуанидин (ПГМГ), анилид салициловой кислоты, бензалкония хлорид, дидецилдиметиламмония хлорид, бензилдиметил[3-(миристоиламино)пропил]аммония хлорид
«Мирамистин» («Инфамед К», Россия).
Минеральный состав образцов глины определяли на порошковом рентгеновском дифрактометре РАКа1уйса1 Aeris [СА1] с анодом Си Ка при 40 кВ и 15 мА в Центре общего пользования Института физической химии и электрохимии Российской академии наук.
Оценку дыхательной активности культур проводили с использованием МТТ теста [19] в аэробных и анаэробных условиях. Перед спектрофотометрированием окисленного комплекса формазана пробы центрифугировали при 7000 об/мин для удаления глинистых взвесей. Экспериментальная часть
Филогенетическое разнообразие бентонитовых глин Динозаврового и Хакасского месторождений
были рассмотрены в статье [20]. По результатам профилирования микробных сообществ по генам 16S рРНК установлено, что в пробе Хакасского бентонита доминировали бактерии рода Bacteroides, являющиеся анаэробными бактериями, в основном бродильного типа метаболизма, многие используют сульфат и железо в качестве акцепторов электронов [21], способны к образованию метана из органических соединений [22]. Представители семейств Lachnospiraceae и Ruminococcaceae имеют преимущественно бродильный тип метаболизма, способны осуществлять железное и сульфатное дыхание при недостатке органики, способны к метаногенерации [23]. В пробе Динозаврового бентонита большинство бактерий принадлежали к родам Bacillus и Massilia, способных к сульфатредукции [24] и окислению железа, приводящих к коррозии стали [25]. Глины являются источниками микроорганизмов в первую очередь неаборигеннных, а привнесенных из вне (в ходе транспортировки, подготовки материала на заводах).
В пробах глинистых барьерных материалов обнаружено разнообразное микробное сообщество. При попадании в ПГЗРО за счет миграции по трещинам во вмещающей породе оно способно вызывать ряд негативных явлений, имеющих потенциальную опасность с точки зрения безопасности хранилища (образование метана, сероводорода, коррозию стали, разрушение цемента, преобразование глин). Помимо этого, исходя из табл. 1 и 2, глины являются источниками биофильных элементов, которые очень необходимы в условиях хранилища РАО.
Для предотвращения микробной активности на глинистых материалах были проанализированы 8 различных биоцидных добавок в концентрации 0,5 масс. % от твердой фазы.
Исходя из данных рис.1, наибольшую биоцидную активность по отношению к бентонитовым глинам Хакасского и Динозаврового месторождений проявляет ПГМГ. Действие этого полимера основано на повторяющихся группах гуанидина, который является началом многих антибиотиков. Группа биоцидов: анилид салициловой кислоты, бензалкония хлорид, дидецилдиметиламмония хлорид, «Мирамистин» снижают микробную активность примерно в 3 раза в случае Хакасского бентонита. Тетраборат натрия
показывал минимальную биоцидную активность, что может быть связано с его сорбцией на поверхности глин. В случае Динозаврового бентонита плохие показатели биоцидности имел также анилид салициловой кислоты. «Ранцид» и «Аманат» в среднем снижали микробную активность на 30%.
Стоит отметить, что «Аманат», бензалкония хлорид, дидецилдиметиламмония хлорид,
«Мирамистин» относятся к четвертичным аммонийным соединениям.
А
Б
Рис. ¡.Микробная дыхательная активность на глинистых материалах с добавлением биоцидных добавок при температуре 20оС на 28 сутки: А) Хакасский бентонит, Б) Динозавровый бентонит
Заключение
Глины являются источником биофильных элементов и микроорганизмов, способных к деструкции материалов барьеров и нарушению целостности хранилища РАО. Агрессивными метаболитами выступают: сероводород, углекислый
газ, органические кислоты, а также процессы восстановления и окисления железа. Применение уплотненного бентонита ограничивает деятельность микроорганизмов, но не способствует их гибели. Альтернативным решением является добавление биоцидов в барьерные смеси на этапах подготовки
материалов. Наиболее эффективной биоцидной добавкой является полигексаметилгуанидин в концентрации 0,5 масс.%.
Список литературы
1. Radioactive Waste Disposal, Specific Safety Requirements No.SSR-5 //IAEA Safety Standards, IAEA, Vienna. - 2011.
2. Pedersen K. Microbial processes in radioactive waste disposal. SKB TR-00-04. Svensk Karnbranslehantering AB. - 2000.
3. Lopez-Fernandez M., Matschiavelli N., Merroun M.L., Chapter 7 - Bentonite geomicrobiology, Editor(s): Jonathan R. Lloyd, Andrea Cherkouk// The Microbiology of Nuclear Waste Disposal. Elsevier. -2021. - P.137-155.
4. Stroes-Gascoyne S., Hamon C.J., Dixon D.A. The effects of dry density and porewater salinity on the physical and microbiological characteristics of highly compacted bentonite. Ontario Power Generation Report No. 06819-REP-01200-10016-R00. - 2006.
5. Krupskaya V. V., Zakusin S. V., Lekhov V. A., et al. Buffer Properties of Bentonite Barrier Systems for Radioactive Waste Isolation in Geological Repository in the Nizhnekanskiy Massif //Radioactive Waste. - 1(10).
- 2020. - P. 35—55.
6. Haynes H.M, Bailey M.T., Lloyd J.R. Bentonite barrier materials and the control of microbial processes: Safety case implications for the geological disposal of radioactive waste //Chemical Geology. - 58(1). - 2021. -120353.
7. Villar M.V., G omez-Espina R., Campos R., Barrios I., Guti errez, L. Porosity changes due to hydration of compacted bentonite. In: Mancuso, C., Jommi, C., D'Onza, F. (Eds.) //Unsaturated Soils: Research and Applications. Springer, Berlin, Heidelberg,
- 2012. - P. 137-144.
8. Chien A.C., Hill N.S., Levin P.A. Cell size control in bacteria //Current Biology. - 22. - R340-R349. - 2012.
9. Ghuneim L.-A.J., Jones D.L., Golyshin P.N., Golyshina O.V.Nano-sized and filterable Bacteria and Archaea: biodiversity and function //Frontiers Microbiology - 9. - 2018
10. Pedersen K. Analysis of copper corrosion in compacted bentonite clay as a function of clay density and growth conditions for sulfate-reducing bacteria //Applied Microbiology. - 108(3). - 2010. - P.1094-1104.
11. Povedano-Priego C., et al. Deciphering indigenous bacteria in compacted bentonite through a novel and efficient DNA extraction method: Insights into biogeochemical processes within the Deep Geological Disposal of nuclear waste concept //Journal of Hazardous Materials. - 408. - 2021. - 124600.
12. Касторных Л.И. Добавки в бетоны и строительные растворы: учебно-справочное пособие
/ Ростов-на-Дону. Феникс. - 2007. - 221с. ISBN 9785-222-11072-0
13. Gerba, C.P. Quaternary ammonium biocides: Efficacy in application //Applied Environmental Microbiology. - 81. - 2015. - P.464-469.
14. Cole E.C., Addison R.M., Rubino J.R., et al. Investigation of antibiotic and antibacterial agent cross-resistance in target bacteria from homes of antibacterial product users and nonusers //Journal of Applied Microbiology. - 95. - 2003. - P.664-676.
15. Svetlov D.A., Svetlova E.D., Svetlov D.D., et al. Research into Antibacterial Activity of Novel Disinfectants Derived from Polyhexamethylene Guanidine Hydrochloride // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 1079. - 2021.
16. Domb Abraham J, et al. PHMG modified antimicrobial agents: №2012IL50237: appl. 05.07.2012: publ. 10.01.2013
17. McGeechan Paula, et al. Synergetic combination of biocides, US 2020305435 USA, 19.06.2017 : publ. 01.10.2020
18. Оробец К.С., Худокормов А.А., Карасева Э.В. и др. Дезинфицирующее средство для защиты строительных материалов от биоповреждений, RU 2740197, 03.04.2020: опубл.12.01.2021
19. Cory A. H., Owen T. C., Barltrop J. A., Cory J.
G. Use of an aqueous soluble tetrazolium/formazan assay for cell growth assays in culture. Cancer Commun. - 3. - 1991. - P. 207-212.
20. Abramova. E., Popova N., Artemiev G., et al. Characteristics and Rates of Microbial Processes in Clays of Different Mineral and Elemental Composition in Relation to Safety Prediction for ESB Clay Materials //Applied Sciences. - 12. - 2022. - 1843.
21. Rubén D.E., et al. Editorial: Recent Advances in Bioremediation/Biodegradation by Extreme Microorganisms //Frontiers in Microbiology. - 10. -2019.
22. Fernández-Calleja J.M.S., Konstanti P., Swarts
H.J.M., et al. Non-invasive continuous real-time in vivo analysis of microbial hydrogen production shows adaptation to fermentable carbohydrates in mice //Science Reports. - 8. - 2018. - 15351.
23. Tapio I., Snelling T.J., Strozzi F. et al. The ruminal microbiome associated with methane emissions from ruminant livestock //Journal of Animal Science and Biotechnology. - 8(7). - 2017.
24. Adrangi S. et al. Purification and characterization of two extracellular endochitinases from Massilia timonae //Carbohydrate research. - 345(3). -2010. P. 402-407.
25. Xu D. et al. Laboratory investigation of microbiologically influenced corrosion of C1018 carbon steel by nitrate reducing bacterium Bacillus licheniformis //Corrosion Science. - 77. - 2013. - P. 385390.
