We observed characteristic oxidation and dissolution phenomena induced by dissolved oxygen for mackinawite that is produced via sulfate-reducing bacteria (SRB) living in anaerobic environments such as soils and groundwater. We tried to recognize the role of the sulfide minerals that usually coexist with some stabilized radionuclides (e.g., reduced uranium), which can be reoxidized and redissolved by an oxygen-rich groundwater invaded into a contaminated area. The mackinawite produced by 'Desulfovibrio desulfuricans', a sulfate-reducing bacterium, was conducted to be dissolved for 2 weeks by some oxidants such as 'hydrogen peroxide' and 'sodium nitrite'. Although mineralogical oxidation and dissolution characteristics were different from each other according to the oxidants, the initially oxidized solution was early stabilized through the oxygen consumption by ${\mu}m$-sized sulfide particles and the resultant increase of sulfate in solution. From these results, we can anticipate that the large amount of sulfide minerals generated by SRB can not only repress the anoxic environment to be disturbed by the consumption of oxygen in groundwater, but also contribute to stabilize the reduced/precipitated radionuclides as a buffer material for a long time.
In order to identify if bacteria surviving in soils and groundwater can change the oxidation/reduction potential of groundwater, Eh values of solution that contained bacteria were measured for 2 weeks. The Eh values of the solution reacted with sulfate-reducing bacteria decreased from -120 mV to -500 mV in 5 days, and $Desulfuricans$ was superior to $Vulgaris$ in reducing the solution. The Eh value was relatively higher for the solution containing $Shewanella$, iron-reducing bacteria, showing -400 mV. During the Eh decrease by the metal-reducing bacteria, a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) started precipitating through the microbial reducing process for sulfate and ferric iron. These results show that the ORP of natrual groundwater may be sensitive to the geomicrobial respiration. In addition, a subsurface environment where groundwater is highly reduced and sulfide minerals are largely biogenerated may be a good place to retard the migration of oxidized radionu-clides by making them precipitated as reduced forms.
Park, Chung-Kyun;Park, Tae-Jin;Lee, Seung-Yup;Lee, Jae-Kwang
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
/
v.18
no.1
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pp.73-81
/
2020
Strontium (90Sr) and nickel (59Ni) have been considered as key radionuclides in the safety assessment of radioactive waste disposal. Through various efforts to impede the migration of radioactive nuclides underground, it has been established that some minerals generated from the corrosion of the waste containers have a positive chemical interaction with these radionuclides. Among these minerals we selected mackinawite (FeS), an iron and sulfur compound, and performed a sorption experiment for the Sr and Ni in FeS under anoxic and alkaline conditions by reflecting deep underground environments. The effects of pH on sorption were likewise investigated in the pH range of 8 ~ 12. As a result, it was found that strontium failed to exhibit a good sorption capacity in a weak alkaline range, while nickel showed a noticeably higher sorption affinity over the entire experimental pH range. Moreover, we determined that as the pH increased in the solution, the distribution coefficients (Kd) were increased for both nuclides, which reflects when an alkalinity increses, the surface of the mineral charges much negatively by detaching the hydrogen or cations on the mineral surface. Thus, it can be concluded that the cationic nuclides of Sr and Ni can attach easily to the mineral under strong alkalinity.
To understand characteristics of biogeochemical corrosion for the metal canisters that usually contain the radioactive wastes for a long-term period below the ground, some metal materials consisting of cast iron and copper were reacted for 3 months with D. desulfuricans, a sulfate-reducing bacterium, under a reducing condition. During the experiment, concentrations of dissolved metal ions were periodically measured, and then metal specimen and surface secondary products were examined using the electron microscopy to know the chemical and mineralogical changes of the original metal samples. The metal corrosion was not noticeable at the absence of D. desulfuricans, but it was relatively greater at the presence of the bacterium. In our experiment, darkish metal sulfides such as mackinawite and copper sulfide were the final products of biogeochemical metal corrosion, and they were easily scaled off the original specimen and suspended as colloids. For the copper specimen, in particular, there appeared an accelerated corrosion of copper in the presence of dissolved iron and bacteria in solution, probably due to a weakening of copper-copper binding caused by a growth of other phase, iron sulfide, on the copper surface.
As we are trying to in-situ treat (purify or immobilize) heavy metals or radionuclides in groundwater, one of the geochemical factors to be necessarily considered is the value of oxidation/reduction potential (ORP) of the groundwater. A biogeochemical impact on the characteristic ORP change of groundwater taken from the KAERI underground was observed as a function of time by adding electron-donor (lactate), electron-acceptor (sulfate), and indigenous bacteria in a laboratory condition. There was a slight increase of Eh (slow oxidation) of the pure groundwater with time under a $N_2$-filled glove-box. However, most of groundwaters that contained lactate, sulfate or bacteria showed Eh decrease (reduction) characteristics. In particular, when 'Baculatum', a local indigenous sulfate-reducing bacterium, was injected into the KAERI groundwater, it turned to become a highly-reduced one having a decreased Eh to around -500 mV. Although the sulfate-reducing bacterium thus has much greater ability to reduce groundwater than other metal-reducing bacteria, it surely necessitated some dissolved ferrous-sulfate and finally generated sulfide minerals (e.g., mackinawite), which made a prediction for subsequent reactions difficult. As a result, the ORP of groundwater was largely affected even by a slight injection of nutrient without bacteria, indicating that oxidation state, solubility and sorption characteristics of dissolved contaminants, which are affected by the ORP, could be changed and controlled through in-situ biostimulation method.
Removal of dissolved uranium by D. baculatum, a sulfate-reducing bacterium, and effects of trace metals such as manganese, copper, nickel, and cobalt were investigated. Total concentrations of dissolved uranium and trace metals were used by $50\;{\mu}M$ and $200\;{\mu}M$, respectively. Most dissolved uranium decreased up to a non-detectable level (< 10 ppb) MS during the experiments. Most of the heavy metals did nearly not affect the bioremoval rates and amounts of uranium, but copper restrained microbial activity. However, it is found that dissolved uranium rapidly decreased after 2 weeks, showing that the bacteria can overcome the copper toxicity and remove the uranium. It is observed that nickel and cobalt were readily coprecipitated with biogenic mackinawite.
Removal and mineralization of dissolved uranium by bacteria in KURT (KAERI Underground Research Tunnel), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) was investigated. Two different bacteria, IRB (iron-reducing bacteria) and SRB (sulfate-reducing bacteria) was used, and minerals formed by these bacteria were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Compared to uranyl ions, ferric ions were preferentially reduced by IRB, showing that there is no significant reduction and removal of uranium. However, uranium concentration considerably decreased by addition of Mn(II). Results show that a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) is formed by SRB respiration through combination of Fe(II) and S without manganese sulfide formation. In the presence of Mn(II), however, uranium is removed effectively, suggesting that the sorption and incorporation of uranium could be affected by Mn(II) onto the sulide minerals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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