Microbiology of barrier component analogues of a deep geological repository.

Citation metadata

From: Canadian Journal of Microbiology(Vol. 68, Issue 2)
Publisher: NRC Research Press
Document Type: Report
Length: 12,562 words
Lexile Measure: 1560L

Document controls

Main content

Abstract :

Canada is currently implementing a site selection process to identify a location for a deep geological repository (DGR) for the long-term storage of Canada's used nuclear fuel, wherein used nuclear fuel bundles will be sealed inside copper-coated carbon steel containers, encased in highly compacted bentonite clay buffer boxes, and sealed deep underground in a stable geosphere. Because a DGR must remain functional for a million years, it is important to examine ancient natural systems that serve as analogues for planned DGR components. Specifically, studying the microbiology of natural analogue components of a DGR is important for developing an understanding of the types of microorganisms that may be able to grow and influence the long-term stability of a DGR. This study explored the abundance, viability, and composition of microorganisms in several ancient natural analogues using a combination of cultivation and cultivation-independent approaches. Samples were obtained from the Tsukinuno bentonite deposit (Japan) that formed ~10 mya, the Opalinus Clay formation (Switzerland) that formed ~174 mya, and Canadian shield crystalline rock from Northern Ontario that formed ~2.7 bya. Analysis of 16S rRNA gene amplicons revealed that three of the ten Tsukinuno bentonite samples analyzed were dominated by putative aerobic heterotrophs and fermenting bacteria from the phylum Actinobacteria, whereas five of the Tsukinuno bentonite samples were dominated by sequences associated with putative acidophilic chemolithoautotrophs capable of sulfur reduction. The remaining Tsukinuno bentonite samples, the Northern Ontario rock samples, and the Opalinus Clay samples generated inconsistent replicate 16S rRNA gene profiles and were associated primarily with contaminant sequences, suggesting that the microbial profiles detected were not sample-specific but spurious. Culturable aerobic heterotroph abundances were relatively low for all Tsukinuno bentonite samples, culturable anaerobic heterotrophs were only detected in half of the Tsukinuno samples, and sulfate-reducing bacteria (SRB) were only detected in one Tsukinuno sample by cultivation. Culture-specific 16S rRNA gene profiles from Tsukinuno clay samples demonstrated the presence of phyla Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, and Firmicutes among aerobic heterotroph cultures and additional bacteria from the phyla Actinobacteria and Firmicutes from anaerobic heterotroph plate incubations. Only one nucleic acid sequence detected from a culture was also associated with its corresponding clay sample profile, suggesting that nucleic acids from culturable bacteria were relatively rare within the clay samples. Sequencing of DNA extracted from the SRB culture revealed that the taxon present in the culture was affiliated with the genus Desulfosporosinus, which has been found in related bentonite clay analyses. Although the crystalline rock and Opalinus Clay samples were associated with inconsistent, likely spurious 16S rRNA gene profiles, we show evidence for viable and detectable microorganisms within several Tsukinuno natural analogue bentonite samples. Key words: bentonite clay, rock core, Opalinus Clay, DNA extraction, 16S rRNA gene sequencing, enrichment culture. Le Canada met actuellement en reuvre un processus de selection de sites afin d'identifier l'emplacement d'un depot geologique en profondeur (DGP) pour le stockage a long terme du combustible nucleaire irradie du Canada, dans lequel les grappes de combustible nucleaire irradie seront scelles a l'interieur de conteneurs en acier au carbone recouverts de cuivre, enfermes dans des boites tampons en argile de bentonite hautement compactee et scellees profondement sous terre dans une geosphere stable. Puisqu'un DGP doit rester fonctionnel pendant un million d'annees, il est important d'examiner les anciens systemes naturels qui servent comme analogues aux composants prevus du DGP. Plus precisement, l'etude de la microbiologie des analogues naturels des composants d'un DGP est importante pour comprendre les types de microorganismes qui peuvent se developper et influencer la stabilite a long terme d'un DGP. Cette etude a explore l'abondance, la viabilite et la composition des microorganismes dans plusieurs analogues naturels anciens en utilisant une combinaison d'approches de culture et d'approches independantes de la culture. Les echantillons proviennent du depot de bentonite de Tsukinuno (Japon), qui s'est forme il y a environ 10 millions d'annees, de la formation des argiles a Opalinus (Suisse), qui s'est formee il y a environ 174 millions d'annees, et de la roche cristalline du Bouclier canadien du nord de l'Ontario, qui s'est formee il y a environ 2,7 milliards d'annees. L'analyse des amplicons du gene de l'ARNr 16S a revele que trois des dix echantillons de bentonite de Tsukinuno analyses etaient domines par des heterotrophes aerobies putatifs et des bacteries fermentantes du phylum Actinobacteria, tandis que cinq des echantillons de bentonite de Tsukinuno etaient domines par des sequences associees a des chimiolithoautotrophes acidophiles putatifs capables de reduire le soufre. Les autres echantillons de bentonite de Tsukinuno, la roche du nord de l'Ontario, et les echantillons d'argile a Opalinus ont genere des profils genetiques d'ARNr 16S incoherents et ont ete associes principalement a des sequences de contaminants, ce qui suggere que les profils microbiens detectes n'etaient pas specifiques a l'echantillon, mais qu'ils etaient faux. L'abondance des heterotrophes aerobies cultivables etait relativement faible pour tous les echantillons de bentonite de Tsukinuno et les heterotrophes anaerobies cultivables n'ont ete detectes que dans la moitie des echantillons de Tsukinuno. Les bacteries sulfato-reductrices (BSR) n'ont ete detectees par culture que dans un seul echantillon de Tsukinuno. Les profils genetiques de l'ARNr 16S specifiques a la culture des echantillons d'argile de Tsukinuno ont demontre la presence des phylums Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, et Firmicutes parmi les cultures heterotrophes aerobies et d'autres bacteries des phylums Actinobacteria et Firmicutes dans les incubations de plaques heterotrophes anaerobies. Une seule sequence d'acide nucleique detectee dans une culture etait egalement associee au profil de l'echantillon d'argile correspondant, ce qui suggere que les acides nucleiques des bacteries cultivables etaient relativement rares dans les echantillons d'argile. Le sequencage de l'ADN extrait de la culture BSR a revele que le taxon present dans la culture etait affilie au genre Desulfosporosinus, qui a ete trouve dans des analyses d'argile de bentonite connexes. Bien que les echantillons de roche cristalline et d'argile a Opalinus aient ete associes a des profils genetiques d'ARNr 16S incoherents et probablement errones, nous presentons des indications de la presence de microorganismes viables et detectables dans plusieurs echantillons de bentonite analogue naturelle de Tsukinuno. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : argile de bentonite, carotte rocheuse, argile a Opalinus, extraction d'ADN, sequencage du gene de l'ARNr 16S, culture d'enrichissement.

Source Citation

Source Citation   

Gale Document Number: GALE|A693514953