深地环境生活着数量巨大及多样性丰富的微生物，由于其环境的特殊性（如高温、低温、高压、厌氧和寡营养等），这些微生物常具有独特的生命特征，其代谢活动和产物可能具有重要的应用价值。但是，受技术手段的限制，目前对深地微生物的研究相对较少，这些潜在的生物资源至今在很大程度上依然处于待认识和待开发状态。

近年来，随着新知识的获得和新技术的应用，深地生物圈的神秘面纱正在逐渐揭开。可以预计，作为这个星球上最后一个待开发的生物资源宝库，深地微生物资源将会在国民经济和社会发展中得到日益广泛的应用，包括对页岩气开采的影响，在 生物技术、油气开采、 CO2的地质封存、核废料的地质储存、深海极端环境等各方面中的应用。此处主要介绍深地微生物与核废料的地质储存。

核废料安全处置的重要性

核废料，也称放射性废物，是指任何含有放射性核素或被其污染的物质。核废料主要来自与核电站运营和核武器制造相关的两个过程。按放射性水平不同，核废料可被划分为高、中和低放射性三类。另外，按半衰期不同，放射性核废料也可分为长、中等和短寿命放射性核废料。核废料的安全处置已成为决定核工业和核能的和平利用能否持续发展的关键因素。

核废料处置方法

核废料是一种难以再循环利用且具有长期危害的物质。其中，半衰期短的核废料危害时间相对较短，处置较易；而半衰期长的核废料造成的危害持续时间长，处理更为困难。对低和中放核废料，目前采用的方法主要有陆地浅埋法和非矿井处置法；此外，还有海底处置法及海岛处置法等。高放核废料含有较多寿命长的辐射体，对处置方法及处置地点的要求相对较高。

地质储存是目前公认的唯一可行的长期安全处置半衰期长和高放射性核废料的方法。正是这个原因，多国政府在可用于核废料储存的地质构造中建立地下实验室，评估核废料地质储存的可靠性和安全性，包括加拿大 地下研究实验室、瑞典 和Aspö 地下研究实验室、瑞士Mont Terri 地下实验室及日本幌延地下实验室等。

深地微生物对核废料储存的影响

深地微生物会影响核废料储存库的可靠性和安全性。例如，金属在缺氧条件下的锈蚀过程中会释放氢气，从而增加封闭储存库中的压力，危及储存库结构的完整性；氢气是某些微生物的能源和电子来源，在其生长代谢过程中的作用是不可替代的。因此，相关研究重点不是核废料储存库中是否存在活性微生物，而是微生物是否会对核废料储存库的长期性能产生影响。

瑞士联邦政府在 的硬泥黏土岩地质构造中建立了一个地下实验室。该硬泥黏土岩的平均孔隙为10～20nm，并含菱铁矿和黄铁矿，其孔隙水中含有10～25mm 的硫酸盐。对该硬泥黏土岩孔隙水中微生物的宏基因组分析结果表明，该硬泥黏土岩存在一个以氢气氧化- 硫酸盐还原为主的微生物群落。在这个微生物群落里，首先，自养微生物硫酸盐还原细菌 c16a 和红螺菌科（ c57）利用氢气作为电子和能量来源固定 CO2。因此，通过氧化氢气，这两类微生物能减少氢气在储存库中的累积，避免氢气超压，有利于核废料长期安全性存储。其次，生丝单胞菌（ c22）将自养微生物合成的有机大分子发酵成乙酸盐。最后， 消化球菌科（，c8a，c23）及 c12 的硫酸盐还原细菌将发酵产生的乙酸盐氧化为 CO2。需要强调的是，硫酸盐还原微生物可引发金属锈蚀，降低核废料长期存储的安全性。

同样，为了评估核废料地质储存的可靠性和安全性，日本原子能机构在北海道建立了幌延地下实验室。与瑞士Mont Terri 地下实验室不同，幌延实验室建在沉积岩中，沉积岩主要是软硅藻泥岩，包括蛋白石-A 及少量的石英、长石、黏土矿物、黄铁矿、方解石和菱铁矿。其地下水水温为14～18℃，并含盐和氢气，地下水的pH 条件接近中性。沉积岩孔隙水中微生物的宏基因组分析结果表明，沉积岩中也存在复杂的微生物群落。首先，在软硅藻泥岩中有机碳为呼吸和发酵微生物提供碳、能量和电子来源；其次，水中的氢气可作为三价铁和硫酸盐还原微生物的能量和电子来源。硫酸盐来自于石膏和黄铁矿。在原始状态下地下水中的硫酸盐含量很低，但是，在建造地质储存库的过程中，会带入大量氧气，加速硫酸盐释放。储存库建好后，氧气会被逐渐消耗掉，硫酸盐还原微生物就会利用建造储库过程中释放的硫酸盐为厌氧呼吸的末端电子受体。

如上所述，硫酸盐还原微生物会对储存库的金属结构造成锈蚀，这对核废料长期存储的安全性有负面影响。另外，自养微生物可用氢气将 CO2固定为有机碳。同时，产甲烷古菌则可利用氢气合成甲烷。最后，厌氧甲烷氧化古菌可将甲烷氧化和三价铁还原耦合在一起。需要强调的是，这三种类型的微生物均可减少氢气和甲烷在储存库的累积，有利于核废料的长期存储。另外，三价铁还原微生物可直接或通过二价铁间接地将水溶性的核污染物U（Ⅵ）和Tc（Ⅶ）还原成不溶于水的U（Ⅳ）和Tc（Ⅳ），有效地阻滞核污染物在地下水中的迁移，也有利于核废料的长期存储。

综上所述，深地微生物对核废料的地质储存也有正反两个方面的影响，包括降低储存库气压及诱导储存库金属结构的锈蚀等。所以，在核废料长期管理的规划设计中，除了物理和化学过程外，也需要详细了解可能发生的生物过程。因此，开展深地微生物的研究对深入认识核废料地质长期储存中可能发生的生物过程至关重要。

本文摘编自《深部地下生物圈》第八章第五节，标题和内容有修改，识别图中二维码或点击下面“阅读原文”可立即购书。也欢迎广大科研工作者投稿，聊聊你们的所见所闻、所感所思，投稿邮箱：。