In samenwerking met wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en het SLAC National Accelerator Laboratory, onderzoekers van de Universiteit van Arizona hebben details geïdentificeerd over hoe bepaalde planten verontreinigende stoffen opruimen en accumuleren in verontreinigde grond. Hun werk onthulde dat plantenwortels effectief giftig arseen "opsluiten" dat los in mijnafval werd gevonden - stapels verpletterd gesteente, vloeistof, en grond die achterblijft na de winning van mineralen en metalen. Het onderzoek toont aan dat deze strategie om planten te gebruiken om verontreinigende stoffen te stabiliseren, fytostabilisatie genoemd, kan zelfs worden gebruikt in droge gebieden waar planten meer water nodig hebben, omdat de plantwortelactiviteit de verontreinigende stoffen verandert in vormen die waarschijnlijk niet in het grondwater zullen uitspoelen.

De in Arizona gevestigde onderzoekers waren vooral bezig met het onderzoeken van fytostabilisatiestrategieën voor mijnbouwregio's in het zuidwesten van de VS, waar residuen veel arseen kunnen bevatten, een verontreiniging die toxische effecten heeft op mens en dier. In de droge omgeving met lage vegetatieniveaus, wind- en watererosie kunnen arseen en andere metaalverontreinigende stoffen naar naburige gemeenschappen vervoeren.

Het planten van verontreinigde grond of mijnafval met specifieke vegetatie die toxische omstandigheden kan verdragen en ook verontreinigende stoffen fysiek kan immobiliseren, zou kunnen voorkomen dat deze verontreinigingen worden afgevoerd. Echter, de wetenschappers waren bezorgd dat het extra water dat planten nodig hebben om in dergelijke droge omgevingen te groeien, ertoe zou kunnen leiden dat de verontreinigende stoffen in het grondwater zouden uitspoelen, zoals in Zuidoost-Azië is gebeurd.

"Fytostabilisatie is een zeer aantrekkelijke 'groene' technologie, maar we wilden weten of het gebruik van fytostabilisatie enig effect had op arseen in de mijnafval op moleculaire schaal, en als het zo is, of er gevolgen waren voor de volksgezondheid, " zei Jon Chorover, onderzoeker van de Universiteit van Arizona, senior auteur van de studie gepubliceerd in Milieuwetenschap en -technologie . "We wilden de bijdrage van de chemische activiteit van plantenwortels aan de fytostabilisatie op lange termijn van arseen in het mijnafval in dit specifieke droge klimaat bepalen."

Onderzoek naar plantenwortels op moleculaire schaal

Chorover en zijn onderzoeksteam selecteerden een plant die bekend staat als Prosopis juliflora, een kleine boom die van nature groeit in met arseen verrijkte omgevingen in Mexico, Zuid-Amerika, en het Caribisch gebied. Het team plantte P. juliflora in het mijnafval bij de Iron King Mine en Humboldt Smelter Superfund-site in centraal Arizona.

Vervolgens brachten ze hun plantenwortelmonsters naar de Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab die enkele van de helderste X-stralen produceert. straalstralen in de wereld. Ze werkten samen met hoofdbundellijnwetenschapper Juergen Thieme om de verdeling van verschillende elementen in hun monsters te onderzoeken met behulp van een techniek die röntgenfluorescentie (XRF) microscopie wordt genoemd.

Röntgenfluorescentiemicroscopie werkt door röntgenstralen met hoge energie op een monster te laten schijnen - in dit geval de plantenwortels. Terwijl de röntgenstralen interageren met de atomen, ze verdringen elektronen, resulterend in de emissie van fluorescerend licht, Thieme legde het uit. Elk specifiek element in het monster (arseen, ijzer, zwavel, enz.) zendt licht uit met een andere golflengte. Door hun monsteroppervlak te scannen met röntgenstralen en het uitgezonden fluorescerende licht te volgen, de wetenschappers creëerden een 2D-kaart van de elementen binnen elke wortel.

De onderzoekers gebruikten vervolgens een techniek genaamd X-ray Absorptie Near Edge Structure Spectroscopie (XANES) om meer te weten te komen over de chemische toestanden van de afzonderlijke elementen. Deze chemische toestanden zijn specifieke vormen van een element gedefinieerd door hun oxidatietoestand, die het verlies van elektronen van een atoom in een chemische verbinding beschrijft.

Het team bestudeerde ook mijnafval dat niet met planten was behandeld. Chorover legde uit dat het van cruciaal belang was voor het team om het effect van de plantenwortels op de arseensoorten in het mijnafval te onderzoeken. omdat een verandering in de omgeving, bijvoorbeeld de introductie van plantenwortels in voorheen onvruchtbare mijnresten - kan de mobiliteit en toxiciteit van een chemische stof veranderen.

Een verandering in soortvorming

De wetenschappers ontdekten dat, vóór de introductie van P. juliflora, het mijnafval bevatte slechts één dominante soort arseen - dezelfde soort die uitspoelt naar het grondwater in Zuidoost-Azië. In vergelijkbare droge omgevingen, wind- en watererosie kunnen de verontreinigende stof gemakkelijk naar de omliggende gemeenschappen brengen.

Echter, nadat er bomen waren geplant in het mijnafval, de biologische werking van de wortels veranderde de arseenspeciatie in het bodemgebied dat bekend staat als de wortelzone, of het bodemgebied dat direct wordt beïnvloed door wortelactiviteit. In behandelde residuen, de wetenschappers ontdekten dat twee verschillende soorten arseen naast elkaar bestonden, gebonden in twee verschillende moleculaire omgevingen in de wortelzone.

"De SRX-bundellijn gaf ons een zeer hoge ruimtelijke resolutie, die we nodig hadden om zowel het worteloppervlak van de plant als het interieur van de plant te onderzoeken, ' zei Chorover.

De onderzoekers vonden één arseensoort vast aan het oppervlak van de wortel en de andere arseensoort in de wortel.

"Deze twee nauw verwante soorten arseen laten zien dat de biologische en chemische processen in de wortelzone arseenspeciatie kunnen veranderen in nieuwe vormen, " zei Chorover. "Na fytostabilisatie, de twee arseensoorten binden zich aan het oppervlak of aan de binnenkant van de wortel, en daarom, arseen zit niet meer vrij in de bodem en kan niet uitspoelen naar het grondwater.

"Dit werk suggereert dat deze fytostabilisatiemethode geen verhoogde risico's voor de menselijke gezondheid met zich meebrengt."

Nu is het team geïnteresseerd in wat er met deze arseensoorten gebeurt als de plantenwortels afsterven en vergaan. Chorover zei dat ze van plan zijn terug te keren naar de SRX-bundellijn om de grondmonsters van rottende wortels te bestuderen.

Thieme helpt ze graag. "Chorover en zijn team waren enkele van de eerste wetenschappers die de SRX-bundellijn gebruikten, "zei hij. "In die tijd, we leerden ook over de bundellijn, dus ik ben erg blij om te zien dat de onderzoekers de resultaten hebben gekregen die ze wilden."