Científicos de la Universidad de Arizona recolectan muestras de plantas de los relaves de la mina en la mina Iron King y el sitio Superfund de la fundición Humboldt en el centro de Arizona. Los estudios de rayos X en Brookhaven Lab ayudaron a revelar cómo las raíces de estas plantas encierran formas tóxicas de arsénico en el suelo. Crédito:Jon Chorover
Trabajando en colaboración con científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y del Laboratorio Acelerador Nacional SLAC, Los investigadores de la Universidad de Arizona han identificado detalles de cómo ciertas plantas eliminan y acumulan contaminantes en el suelo contaminado. Su trabajo reveló que las raíces de las plantas efectivamente "encierran" el arsénico tóxico que se encuentra suelto en los relaves de la mina:montones de roca triturada, líquido, y suelo dejado tras la extracción de minerales y metales. La investigación muestra que esta estrategia de utilizar plantas para estabilizar contaminantes, llamada fitoestabilización, incluso podría usarse en áreas áridas donde las plantas requieren más riego, porque la actividad de las raíces de las plantas altera los contaminantes a formas que es poco probable que se filtren al agua subterránea.
Los investigadores con sede en Arizona estaban particularmente preocupados por explorar estrategias de fitoestabilización para las regiones mineras en el suroeste de los EE. UU. donde los relaves pueden contener altos niveles de arsénico, un contaminante que tiene efectos tóxicos en humanos y animales. En el medio árido con bajos niveles de vegetación, La erosión eólica e hídrica puede transportar arsénico y otros contaminantes metálicos a las comunidades vecinas.
La plantación de suelos contaminados o relaves de minas con vegetación específica que pueda tolerar condiciones tóxicas y también inmovilizar físicamente los contaminantes podría evitar que estos contaminantes sean arrastrados. Sin embargo, los científicos estaban preocupados de que el agua adicional necesaria para que las plantas crezcan en entornos tan áridos podría hacer que los contaminantes se filtraran al agua subterránea, como ha sucedido en el sudeste asiático.
"La fitoestabilización es una tecnología 'verde' muy atractiva, pero queríamos saber si el uso de la fitoestabilización tenía algún efecto sobre el arsénico en los relaves de la mina a escala molecular, y de ser así, si hubo implicaciones para la salud pública, "dijo Jon Chorover, investigador de la Universidad de Arizona, autor principal del estudio publicado en Ciencia y tecnología ambiental . "Queríamos determinar la contribución de la actividad química de las raíces de las plantas a la fitoestabilización a largo plazo del arsénico en los relaves de la mina en este clima árido en particular".
Investigando las raíces de las plantas a escala molecular
Chorover y su equipo de investigación seleccionaron una planta conocida como Prosopis juliflora, un pequeño árbol que crece naturalmente en ambientes enriquecidos con arsénico en México, Sudamerica, y el caribe. El equipo plantó P. juliflora en los relaves de la mina Iron King Mine y el sitio Superfund de la fundición Humboldt en el centro de Arizona.
La misma sección de la raíz de una planta de P. juliflora revelada por un microscopio óptico (a) con líneas punteadas que delimitan las partes de la raíz, e imágenes XRF (b-f). La intensidad del color corresponde a la señal de fluorescencia producida por cada componente químico de la muestra:potasio (b), azufre (c), hierro (d) y dos especies diferentes de arsénico (eyf). Crédito:SLAC
Luego llevaron sus muestras de raíces de plantas a la línea de luz de espectroscopía de rayos X de resolución submicrónica (SRX) en la Fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el laboratorio Brookhaven que produce algunos de los rayos X más brillantes. rayos de rayos en el mundo. Trabajaron con el científico principal de líneas de luz Juergen Thieme para examinar la distribución de diferentes elementos dentro de sus muestras utilizando una técnica llamada microscopía de fluorescencia de rayos X (XRF).
La microscopía de fluorescencia de rayos X funciona iluminando una muestra con rayos X de alta energía; en este caso, las raíces de las plantas. A medida que los rayos X interactúan con los átomos, desplazan electrones, resultando en la emisión de luz fluorescente, Thieme explicó. Cada elemento específico de la muestra (arsénico, planchar, azufre, etc.) emite luz de una longitud de onda diferente. Al escanear su superficie de muestra con rayos X y rastrear la luz fluorescente emitida, los científicos crearon un mapa bidimensional de los elementos dentro de cada raíz.
Luego, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de estructura de borde cercano a la absorción de rayos X (XANES) para aprender más sobre los estados químicos de los elementos individuales. Estos estados químicos son formas específicas de un elemento definido por su estado de oxidación, que describe la pérdida de electrones de un átomo en un compuesto químico.
El equipo también estudió los relaves de la mina que no habían sido tratados con plantas. Chorover explicó que era fundamental para el equipo investigar el efecto de las raíces de las plantas en las especies de arsénico en los relaves de la mina. porque un cambio en el entorno, por ejemplo, la introducción de raíces de plantas en relaves de minas que antes eran estériles, puede alterar la movilidad y la toxicidad de una sustancia química.
Un cambio de especiación
Los científicos encontraron que, antes de la introducción de P. juliflora, los relaves de la mina contenían solo una especie dominante de arsénico, la misma especie que se filtra al agua subterránea en el sudeste asiático. En entornos áridos similares, La erosión eólica e hídrica puede transportar fácilmente el contaminante a las comunidades circundantes.
Producido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven utilizando imágenes XRF, Estas imágenes de alta resolución muestran dos especies diferentes de arsénico unidas a dos ambientes moleculares distintos en la zona de la raíz:la especie en (i) generalmente está fijada a la superficie de la raíz y la especie en (j) está contenida dentro de la raíz. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Sin embargo, después de que se plantaran árboles en los relaves de la mina, la acción biológica de las raíces cambió la especiación de arsénico en el área de suelo conocida como zona de raíces, o la región del suelo directamente influenciada por la actividad de las raíces. En relaves tratados, los científicos encontraron dos especies diferentes de arsénico coexistiendo muy cerca, enlazado en dos entornos moleculares distintos en la zona de la raíz.
"La línea de luz SRX nos proporcionó una resolución espacial muy alta, que necesitábamos para sondear la superficie de la raíz de la planta, así como el interior de las plantas, "Dijo Chorover.
Los investigadores encontraron una especie de arsénico fijada a la superficie de la raíz y las otras especies de arsénico contenidas dentro de la raíz.
"Estas dos especies de arsénico estrechamente asociadas muestran que los procesos biológicos y químicos en la zona de la raíz pueden alterar la especiación de arsénico a nuevas formas, ", dijo Chorover." Después de la fitoestabilización, las dos especies de arsénico se unirán a la superficie o al interior de la raíz, y por lo tanto, el arsénico ya no está libre en el suelo y no puede filtrarse al agua subterránea.
"Este trabajo sugiere que este método de fitoestabilización no presenta mayores riesgos para la salud humana".
Ahora, el equipo está interesado en comprender qué les sucede a estas especies de arsénico cuando las raíces de las plantas mueren y se descomponen. Chorover dijo que planean regresar a la línea de luz SRX para estudiar las muestras de suelo de raíces en descomposición.
Thieme estará ansioso por ayudarlos. "Chorover y su equipo fueron algunos de los primeros científicos en utilizar la línea de luz SRX, ", dijo." En ese momento, también estábamos aprendiendo sobre la línea de luz, por eso estoy muy feliz de ver que los investigadores obtuvieron los resultados que querían ".
