Cientistas da Universidade do Arizona coletam amostras de plantas dos rejeitos da mina na Iron King Mine e no local do Superfund da fundição de Humboldt, no centro do Arizona. Estudos de raios-X no Laboratório de Brookhaven ajudaram a revelar como as raízes dessas plantas retêm formas tóxicas de arsênico no solo. Crédito:Jon Chorover
Trabalhando em colaboração com cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven e SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA, pesquisadores da Universidade do Arizona identificaram detalhes de como certas plantas eliminam e acumulam poluentes em solo contaminado. Seu trabalho revelou que as raízes das plantas efetivamente "prendem" o arsênico tóxico encontrado solto nos rejeitos da mina - pilhas de rocha triturada, fluido, e solo deixado para trás após a extração de minerais e metais. A pesquisa mostra que essa estratégia de usar plantas para estabilizar poluentes, chamado de fitoestabilização, pode até ser usado em áreas áridas onde as plantas requerem mais irrigação, porque a atividade da raiz da planta altera os poluentes para formas que provavelmente não lixiviarão para as águas subterrâneas.
Os pesquisadores baseados no Arizona estavam particularmente preocupados em explorar estratégias de fitoestabilização para regiões de mineração no sudoeste dos EUA, onde os rejeitos podem conter altos níveis de arsênio, um contaminante que tem efeitos tóxicos em humanos e animais. No ambiente árido com baixos níveis de vegetação, a erosão eólica e hídrica pode transportar arsênico e outros poluentes metálicos para as comunidades vizinhas.
O plantio de solo contaminado ou rejeitos de mina com vegetação específica que pode tolerar condições tóxicas e também imobilizar fisicamente os poluentes pode evitar que esses contaminantes sejam carregados. Contudo, os cientistas estavam preocupados com o fato de que a água adicional necessária para o crescimento das plantas nesses ambientes áridos poderia fazer com que os poluentes se infiltrassem nas águas subterrâneas, como aconteceu no sudeste da Ásia.
"A fitostabilização é uma tecnologia 'verde' muito atraente, mas queríamos saber se o uso de fitoestabilização teve algum efeito sobre o arsênio nos rejeitos da mina em escala molecular, e se, se houve quaisquer implicações para a saúde pública, "disse o pesquisador da Universidade do Arizona Jon Chorover, autor sênior do estudo publicado em Ciência e Tecnologia Ambiental . "Queríamos determinar a contribuição da atividade química da raiz da planta para a fitoestabilização de longo prazo do arsênico nos rejeitos da mina neste clima árido em particular."
Investigando raízes de plantas em escala molecular
Chorover e sua equipe de pesquisa selecionaram uma planta conhecida como Prosopis juliflora, uma pequena árvore que cresce naturalmente em ambientes enriquecidos com arsênico no México, América do Sul, e no Caribe. A equipe plantou P. juliflora nos rejeitos da mina Iron King Mine e Humboldt Smelter Superfund site no centro do Arizona.
A mesma seção de uma raiz de planta P. juliflora revelada por um microscópio de luz (a) com linhas pontilhadas delineando as partes da raiz, e imagem XRF (b-f). A intensidade da cor corresponde ao sinal de fluorescência produzido por cada componente químico da amostra:potássio (b), enxofre (c), ferro (d) e duas espécies diferentes de arsênio (e e f). Crédito:SLAC
Eles, então, trouxeram suas amostras de raízes de plantas para a linha de luz de espectroscopia de raios-X de resolução submicrônica (SRX) na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab que produz alguns dos mais brilhantes X- feixes de raios do mundo. Eles trabalharam com o cientista líder da linha de luz Juergen Thieme para examinar a distribuição de diferentes elementos em suas amostras usando uma técnica chamada microscopia de fluorescência de raios-X (XRF).
A microscopia de fluorescência de raios-X funciona projetando raios-X de alta energia em uma amostra - neste caso, as raízes das plantas. À medida que os raios-x interagem com os átomos, eles deslocam elétrons, resultando na emissão de luz fluorescente, Thieme explicou. Cada elemento específico da amostra (arsênico, ferro, enxofre, etc.) emite luz de um comprimento de onda diferente. Ao escanear a superfície da amostra com feixes de raios-X e rastrear a luz fluorescente emitida, os cientistas criaram um mapa 2-D dos elementos dentro de cada raiz.
Os pesquisadores então usaram uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios-X próxima à estrutura da borda (XANES) para aprender mais sobre os estados químicos dos elementos individuais. Esses estados químicos são formas específicas de um elemento definido por seu estado de oxidação, que descreve a perda de elétrons de um átomo em um composto químico.
A equipe também estudou rejeitos da mina que não foram tratados com plantas. Chorover explicou que era fundamental para a equipe investigar o efeito das raízes das plantas nas espécies de arsênio nos rejeitos da mina, porque uma mudança no ambiente, por exemplo, a introdução de raízes de plantas em rejeitos de minas que antes eram estéreis - pode alterar a mobilidade e a toxicidade de um produto químico.
Uma mudança na especiação
Os cientistas descobriram que, antes da introdução de P. juliflora, os rejeitos da mina continham apenas uma espécie dominante de arsênico - a mesma espécie que vaza para as águas subterrâneas no sudeste da Ásia. Em ambientes áridos semelhantes, a erosão do vento e da água pode facilmente transportar o poluente para as comunidades vizinhas.
Produzido no Laboratório Nacional de Brookhaven usando imagens XRF, essas imagens de alta resolução mostram duas espécies diferentes de arsênio ligado a dois ambientes moleculares distintos na zona da raiz - a espécie em (i) é normalmente fixada na superfície da raiz e a espécie em (j) está contida na raiz. Crédito:Departamento de Energia dos EUA
Contudo, depois que as árvores foram plantadas nos rejeitos da mina, a ação biológica das raízes mudou a especiação de arsênio na área do solo conhecida como zona de raiz, ou a região do solo diretamente influenciada pela atividade radicular. Em rejeitos tratados, os cientistas encontraram duas espécies diferentes de arsênico coexistindo nas proximidades, ligado a dois ambientes moleculares distintos na zona da raiz.
"A linha de luz SRX nos forneceu uma resolução espacial muito alta, que precisávamos para sondar a superfície da raiz da planta, bem como o interior das plantas, "Disse Chorover.
Os pesquisadores encontraram uma espécie de arsênio fixada na superfície da raiz e as outras espécies de arsênio contidas na raiz.
"Essas duas espécies intimamente associadas de arsênio mostram que os processos biológicos e químicos na zona da raiz podem alterar a especiação de arsênio para novas formas, "disse Chorover." Após a fitoestabilização, as duas espécies de arsênio se ligam à superfície ou ao interior da raiz, e portanto, o arsênico não está mais livre no solo e não pode lixiviar para as águas subterrâneas.
"Este trabalho sugere que esse método de fitoestabilização não apresenta nenhum risco aumentado para a saúde humana."
Agora a equipe está interessada em entender o que acontece com essas espécies de arsênico quando as raízes das plantas morrem e se apodrecem. Chorover disse que planejam retornar à linha de luz SRX para estudar as amostras de solo de raízes em decomposição.
Thieme estará ansioso para ajudá-los. "Chorover e sua equipe foram alguns dos primeiros cientistas a usar a linha de luz SRX, "disse ele." Na época, estávamos aprendendo sobre a linha de luz também, por isso estou muito feliz em ver que os pesquisadores obtiveram os resultados que queriam. "
