Studies of microbiologically induced corrosion at a nuclear facility

El objetivo de este trabajo ha sido analizar las poblaciones bacterianas y los mecanismos de corrosión microbiológica en un depósito de almacenamiento interino en húmedo de elementos combustibles gastados provenientes del reactor de investigación y producción de radioisótopos, también llamado repositorio. Se realizaron análisis de la población bacteriana cultivable presente en el repositorio, identificándose 18 microorganismos diferentes, con presencia mayoritaria de Bacillus cereus, seguido del género Pseudomonas. Se investigó el efecto de una de las cepas aisladas de B. cereus, B. cereus RE10 tanto en la aleación de aluminio 6061 empleada en la fabricación de elementos combustibles como en aluminio de alta pureza (Al 99,999%). Los experimentos fueron llevados a cabo en un medio altamente diluido, con la finalidad de reproducir las condiciones ambientales presentes en el repositorio. Se observó la presencia de picaduras no cristalográficas en forma de túnel en las muestras de AA6061 expuestas a B. cereus RE10 pero no así en Al 99,999%. Dichas picaduras se encontraron cubiertas de depósitos blancos, de tipo globular, compuestos por una mezcla de biofilm y óxido de aluminio. Se determinó la existencia de una correlación entre las zonas atacadas y la presencia de inclusiones de tipo Al-Fe-Si. Se postuló que dicha correlación podría estar relacionada con el pH generado en torno a las inclusiones, el cual favorecería el desarrollo del biofilm, contribuyendo a generar un fenómeno de corrosión bajo depósito. Uno de los mayores problemas en el estudio de los biofilms, en particular en presencia de óxidos, es la dificultad de seguir su desarrollo por técnicas no invasivas, ya que habitualmente se emplean métodos basados en tratamientos tales como desecación, tinción con colorantes, etc. El uso de microorganismos genéticamente modificados capaces de producir la proteína verde fluorescente (GFP) propuesto en este trabajo, ha permitido superar este obstáculo ya que hace posible el seguimiento de los biofilms sin ningún tipo de tratamiento, mediante microscopía de epifluorescencia. Por este motivo se decidió evaluar en forma comparativa la capacidad de formación de biofilms en diferentes condiciones y el efecto sobre AA6061 en medio diluido de la cepa Pseudomonas aeruginosa PAO1, de su derivada PAO1-GFP y de dos cepas de Pseudomonas aisladas del repositorio. El empleo de la cepa PAO1-GFP como modelo en estudios de corrosión microbiológica permitiría el estudio del fenómeno en forma rápida, fácil y de bajo costo. Los resultados muestran que, en todos los casos se observó formación de depósitos y ataque debajo de los mismos, con una morfología similar a la encontrada para el caso de B. cereus RE10. No se encontraron diferencias significativas entre las cepas analizadas, lo que permitiría el uso de PAO1-GFP en futuros estudios de biocorrosion. Este trabajo muestra una primera aproximación al estudio de la corrosión inducida microbiológicamente en repositorios nucleares en Argentina. Los resultados obtenidos permiten destacar la importancia de dicho fenómeno, aún en medios con una baja concentración de nutrientes, así como también enfatizar las ventajas del empleo de microorganismos portadores de genes reporteros en estudios de corrosión microbiológica. Como conclusión general puede decirse que la profundización de estudios de los mecanismos de corrosión inducida microbiológicamente podría contribuir a la prevención y control del proceso de corrosión ya que es o puede llegar a ser un fenómeno de importancia en lo referente a la vida útil, costo operativo y seguridad de este tipo de instalaciones nucleares.The aim of this Thesis was to analyze the bacterial population and the mechanisms of microbial corrosion in a spent nuclear fuel pool storage system from a research reactor. Analyses of the cultivable bacterial population present in the pool were performed and 18 different microorganisms were identified, with a preponderance of Bacillus cereus, followed by the genus Pseudomonas. The effect of one of the isolates of B. cereus, B. cereus RE10 was investigated both in the aluminum alloy 6061 (used for the manufacture of fuel elements) and in high purity aluminum (Al 99.999%). To simulate the environmental conditions, the experiments were performed using a highly diluted medium. After the exposure to B. cereus RE10 non crystallographic, tunnel-like pitting was found on AA6061 samples but not on Al 99.999%. These pits were covered with white, lumpy, globular deposits, comprised of a mixture of biofilm and aluminum oxide. We found a correlation between the areas under attack and the presence of inclusions such as Al-Fe-Si. It was postulated that this correlation could be the result of the pH generated around these kinds of inclusions, which could favor the development and survival of the biofilm, contributing to underdeposit corrosion. One of the main problems in the study of biofilms, particularly in the presence of oxides, is the difficulty of following their development by noninvasive techniques, since most commonly used methods are based on treatments such as drying, staining with dyes, etc. The use of genetically modified microorganisms capable of producing green fluorescent protein (GFP) proposed in this Thesis, has overcome this obstacle as it allows for monitoring of biofilms without any treatment by epifluorescence microscopy. For this reason we decided to evaluate and compare the ability to form biofilms under different conditions and the effect on AA6061 in a diluted medium of the strain Pseudomonas aeruginosa PAO1, its derivative PAO1-GFP and two strains of Pseudomonas isolated from the storage system. The use of the strain PAO1-GFP as a model for microbiologically induced corrosion experiments allows the study of the phenomenon in a fast, easy and low cost way. The results show that all tested Pseudomonas strains developed biofilms and initiated under deposit corrosion on AA6061 in a diluted medium, independently of the origin of the strain. The morphology of the attack was similar between the samples exposed to the different Pseudomonas strains and the samples exposed to B. cereus RE10. This work shows a first approach to the study of microbiologically induced corrosion in nuclear storage facilities in Argentina. The results obtained allow us to highlight the importance of this phenomenon, even in media with a low concentration of nutrients, as well as emphasize the advantages of using microorganisms carrying reporter genes in studies of microbiologically induced corrosion. As a general conclusion, it is possible to say that the studying of microbiologically induced corrosion mechanisms could contribute to the prevention and control of a process that is or may become a phenomenon of importance in relation to the life, operating cost and safety of nuclear installations.Fil:Forte Giacobone, Ana Florencia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina