利用常见藻类解决核废料问题

2020-09-22 240藻类

来自西北大学和阿贡国家实验室的研究人员对一种常见的淡水藻类及其从水中去除锶的非凡能力有了更深入的了解。对这一机制的深入研究最终将有助于科学家设计从现有核废料中去除放射性锶的方法。

利用常见藻类解决核废料问题

锶90是一种主要的废物成分,是核反应堆内产生的更危险的放射性裂变材料之一。仅在美国储存的大约8000万加仑放射性废料中就含有这种物质。

研究人员首次定量地展示了利用常见藻类解决核废料问题,一种常见于池塘中的亮绿色藻类Closterium moniliferum是如何吸收锶(以硫酸锶钡晶体的形式)。他们正利用这一认识来考虑一个实用的核废料封存系统,最大限度地去除锶。这些可能性包括利用藻类直接对环境中的废物或意外泄漏进行生物修复,或者根据藻类的工作原理设计一种新的废物处理工艺。

研究结果由Angewandte Chemie的姊妹期刊ChemSusChem发表。

研究背景

“核废料清理是我们必须解决的问题,”资深作家德克·乔斯特说,他十几岁时住在德国南部,就经历过切尔诺贝利的放射性沉降物。”即使明天所有的核反应堆都要关闭,现有的核废料量仍然很大,而且储存起来也很昂贵。我们需要把高放射性废物和低放射性废物隔离开来。藻类提供了一种实现这一目标的机制,我们希望对此进行了解和优化。”

约斯特说,尽管锶90在日本核事故发生后似乎不会对环境构成重大威胁,但在核电站和核废料清理过程中,放射性同位素仍需加以处理。

Joester是西北大学麦考密克工程与应用科学学院材料与制造专业的morrise.Fine初级教授。

锶90的半衰期约为30年,化学性质与钙非常相似,因此会吸附在骨骼上。当锶与骨骼结合多年时,接触锶90的累积癌症风险非常高。

研究内容

约斯特和他的同事们研究的新月形单细胞生物能自然地制造出含有非放射性锶的生物矿物,并且能将锶和钙区分开来,这是一项罕见的壮举。研究人员希望了解更多关于这种选择性的知识,因为在核废料中,钙的含量远远超过锶,但钙是无害的。通过将放射性锶(Sr-90)以极低溶解度的固体晶体形式浓缩,可以将危险的高放废物与其他废物隔离开来,单独处理。

“利用藻类直接对废物进行生物修复是一种方法,”Joester说,他几年前与他的研究生Minna Krejci一起开始了这项研究,“但我们也在研究藻类如何吸收锶的基本机制,以便我们能够设计出一种更具选择性的废物处理工艺。我们希望尽可能将锶分离并集中在晶体中。”

利用常见藻类解决核废料问题,当晶体在细胞内形成时,藻类就能将锶和钙分离出来。藻类首先从水环境中吸收钡、锶和钙。锶和钡一起被隔离在晶体中,这些晶体留在细胞中,而钙则从细胞中排出。(生物体必须有钡才能吸收锶。)

Joester和Krejci与阿贡国家实验室高级光子源的Lydia Finney和Stefan Vogt合作,绘制了显示细胞中钡、锶、钙和其他几种元素分布的地图。同时,测定了这些细胞所形成的晶体的组成。(晶体位于有机体的液泡中,细胞的顶端。)

研究人员改变藻类环境中钡和锶的含量,然后测量进入细胞的锶量。他们发现水中钡锶的比例会影响到每个晶体中锶的含量。根据介质的成分,晶体中测量到的锶含量范围从小于1%到45%。这为研究人员提供了一条使锶选择性更强的途径。

乔斯特说:“先进光子源提供的同步加速器X射线显微镜对这项研究至关重要。” “它使我们能够看到钙,锶和钡进入细胞内的位置。” 他指出,这类实验只能在世界上的三个同步加速器辐射设施中进行:先进的光子源,法国的欧洲同步辐射器和日本的SPring-8。

实验中使用的是非放射性锶,其化学性质与放射性锶相同。研究人员不知道这些藻类在放射性环境中的存活情况如何,尽管已经证明这些藻类在其他恶劣环境中具有抗药性。

引用

Northwestern University. "Addressing the nuclear waste issue with common algae." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 April 2011. www.sciencedaily.com/releases/2011/04/110404131458.htm.

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