Mitigating gas accumulation in Deep Geological Repositories: microbial Hydrogen oxidation in sand-bentonite environments and its dependence on water availability

The Swiss National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (NAGRA) is planning the construction of a deep geological repository within the Opalinus Clay rock formation. During the repository design phase, all potential long-term issues must be thoroughly evaluated. One critical concern is the release of hydrogen gas resulting from corrosion processes of iron or steel in waste canisters. This represents a significant potential risk to the repository integrity, as it could lead to overpressure and induce structural damage in cement barriers and the host rock. To mitigate this issue, current research aims to the assessment of effective backfill materials capable of minimizing gas accumulation. This master thesis investigates the capacity of indigenous microbial communities from Opalinus Clay and bentonite, to oxidize hydrogen gas within a sand-bentonite backfill material. It also explores the relationship between hydrogen consumption and the water saturation level of the system. Microbial communities present in the porewater from Opalinus Clay were inoculated into sealed vials containing a sand-bentonite mixture under anoxic conditions. Four different water saturation levels were tested: 90%, 80%, 70%, and 60%. Hydrogen gas was injected into these vials, and its consumption monitored over time, along with the detection of other gases (CO2, CH4). The gas phase evolution indicates active hydrogen consumption by the microbial communities, with consumption rates dependent on the saturation level. After three months, vials were opened, and chemical analyses and DNA extraction were conducted on the samples. Sulfate values in post-experiment analysis exhibited a clear correlation with water saturation, suggesting metabolic activity by sulfate-reducing bacteria. Acetate and CO2 appeared as metabolic byproducts under highly saturated conditions. SEM-EDS analysis displayed the formation of framboidal pyrite, usually associated with the coexistence of iron reducing bacteria and sulfate reducing bacteria. In conclusion, this study validated this experimental approach as a valuable method for studying the Opalinus Clay and sand-bentonite microbial community. It quantified the effect of water saturation on microbial hydrogen oxidation. Future research could exploit this method to further investigate the Opalinus Clay microbial community under varying experimental conditions.

La Cooperativa Nazionale svizzera per lo Smaltimento dei Rifiuti Radioattivi (NAGRA) sta progettando la realizzazione di un deposito geologico profondo nella formazione argillosa dell'Opalinus Clay. Durante la fase di progettazione del deposito, è fondamentale analizzare approfonditamente tutte le possibili problematiche a lungo termine. Una delle principali preoccupazioni riguarda il rilascio di idrogeno gassoso dovuto alla corrosione del ferro o dell'acciaio dei contenitori per rifiuti radioattivi. Questo fenomeno rappresenta un rischio significativo per l'integrità del deposito, poiché potrebbe generare sovrapressioni e causare danni strutturali alle barriere artificiali e alla roccia circostante. Per gestire questa problematica, la ricerca attuale si concentra sull'identificazione di materiali di riempimento efficaci nel limitare l'accumulo di gas. Questa tesi magistrale analizza la capacità delle comunità microbiche autoctone dell'Opalinus Clay e della bentonite di ossidare l'idrogeno gassoso all'interno di un materiale di riempimento costituito da una miscela di sabbia e bentonite. Lo studio valuta anche la relazione tra il consumo di idrogeno e il grado di saturazione idrica del sistema. Comunità microbiche provenienti dalle acque sotterranee dell'Opalinus Clay sono state inoculate in vial, sigillati in condizioni anossiche, contenenti la miscela sabbia-bentonite. Sono stati sperimentati quattro gradi di saturazione idrica differenti: 90%, 80%, 70% e 60%. L'idrogeno gassoso è stato quindi iniettato nei vials, e il suo consumo monitorato nel tempo. L’evoluzione della fase gassosa nei diversi vials ha evidenziato un consumo attivo di idrogeno da parte delle comunità microbiche, con velocità dipendenti dal grado di saturazione idrica. Dopo tre mesi, i vials sono stati aperti e i campioni sono stati sottoposti ad analisi chimiche ed estrazione del DNA. I valori di solfato emersi dalle analisi finali mostrano una chiara correlazione con il grado di saturazione idrica, indicando l'attività metabolica di batteri solfato-riduttori. Acetato e CO2 sono stati rilevati come sottoprodotti metabolici in condizioni di saturazione elevata. L'analisi SEM-EDS ha evidenziato la formazione di pirite framboidale, solitamente associata alla presenza contemporanea di batteri ferro-riduttori e solfato-riduttori. In conclusione, questo studio ha confermato l’efficacia del metodo sperimentale scelto, nello studio delle comunità microbiche derivanti dalla formazione rocciosa di Opalinus Clay e dal mix di sabbia-bentonite. Ha inoltre quantificato l'impatto del grado di saturazione idrica sull'ossidazione microbica del gas idrogeno. Questo metodo potrebbe essere utilizzato in futuro per approfondire ulteriori caratteristiche della comunità microbica in esame in condizioni sperimentali variabili.