Arbetar i samarbete med forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory, forskare vid University of Arizona har identifierat detaljer om hur vissa växter rensar och samlar föroreningar i förorenad jord. Deras arbete avslöjade att växtrötter effektivt "låser in" giftig arsenik som finns löst i gruvavfall - högar av krossad sten, vätska, och jord kvar efter utvinning av mineraler och metaller. Forskningen visar att denna strategi att använda växter för att stabilisera föroreningar, kallas fytostabilisering, kan till och med användas i torra områden där växter kräver mer vattning, eftersom växtrotaktiviteten förändrar föroreningarna till former som sannolikt inte läcker ut i grundvattnet.

De Arizona-baserade forskarna var särskilt intresserade av att utforska fytostabiliseringsstrategier för gruvregioner i sydvästra USA, där avfall kan innehålla höga halter av arsenik, en förorening som har toxiska effekter på människor och djur. I den torra miljön med låga vegetationsnivåer, vind- och vattenerosion kan transportera arsenik och andra metallföroreningar till närliggande samhällen.

Att plantera förorenad jord eller gruvavfall med specifik vegetation som kan tolerera giftiga förhållanden och även fysiskt immobilisera föroreningar kan förhindra att dessa föroreningar transporteras bort. Dock, forskarna var oroliga för att det extra vatten som behövs för att växter ska växa i sådana torra miljöer kan få föroreningarna att läcka ut i grundvattnet, som har hänt i Sydostasien.

"Fytostabilisering är en mycket attraktiv "grön" teknik, men vi ville veta om användning av fytostabilisering hade någon effekt på arsenik i gruvavfallet på molekylär skala, och i så fall, om det hade några konsekvenser för folkhälsan, "säger forskaren Jon Chorover vid University of Arizona, senior författare till studien publicerad i Miljövetenskap och teknik . "Vi ville bestämma bidraget från växtrots kemiska aktivitet till den långsiktiga fytostabiliseringen av arsenik i gruvavfallet i detta speciella torra klimat."

Undersöker växtrötter på molekylär skala

Chorover och hans forskargrupp valde en växt som kallas Prosopis juliflora, ett litet träd som naturligt växer i arsenikberikade miljöer i Mexiko, Sydamerika, och Karibien. Teamet planterade P. juliflora i gruvavfallet vid Iron King Mine och Humboldt Smelter Superfund i centrala Arizona.

De tog sedan sina växtrotprover till strållinjen Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX) vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab som producerar några av de ljusaste X- strålar i världen. De arbetade med blystrålningsforskaren Juergen Thieme för att undersöka fördelningen av olika element i sina prover med hjälp av en teknik som kallas röntgenfluorescens (XRF) mikroskopi.

Röntgenfluorescensmikroskopi fungerar genom att lysa röntgenstrålar med hög energi på ett prov-i detta fall, växtrötterna. När röntgenstrålar interagerar med atomerna, de förskjuter elektroner, vilket resulterar i emission av fluorescerande ljus, Thieme förklarade. Varje specifikt element i provet (arsenik, järn, svavel, etc.) avger ljus med en annan våglängd. Genom att skanna deras provyta med röntgenstrålar och spåra det emitterade fluorescerande ljuset, forskarna skapade en 2-D-karta över elementen i varje rot.

Forskarna använde sedan en teknik som kallas X-ray absorption near edge structure spectroscopy (XANES) för att lära sig mer om de kemiska tillstånden hos de enskilda elementen. Dessa kemiska tillstånd är specifika former av ett element som definieras av deras oxidationstillstånd, som beskriver förlusten av elektroner i en atom i en kemisk förening.

Teamet studerade också gruvavfall som inte hade behandlats med växter. Chorover förklarade att det var avgörande för teamet att undersöka effekten av växtrötterna på arsenikarterna i gruvavfallet, eftersom en förändring i miljön, t.ex. införandet av växtrötter till tidigare karga gruvavfall – kan förändra en kemikalies rörlighet och toxicitet.

En förändring i artbildning

Forskarna fann att, före introduktionen av P. juliflora, gruvavfallet innehöll bara en dominerande art av arsenik – samma art som läcker ut i grundvattnet i Sydostasien. I liknande torra miljöer, vind- och vattenerosion kan lätt transportera föroreningarna till omgivande samhällen.

Dock, efter att träd hade planterats i gruvavfallet, rötternas biologiska verkan förändrade arten av arsenik i det markområde som kallas rotzonen, eller markregionen som direkt påverkas av rotaktivitet. I behandlat avfall, forskarna hittade två olika arter av arsenik som existerade i närheten, bunden till två distinkta molekylära miljöer i rotzonen.

"SRX-strållinjen gav oss en mycket hög rumslig upplösning, som vi behövde för att undersöka växtens rotyta såväl som växternas inre, Sa Chorover.

Forskarna hittade en arsenart fixerad till rotytan och de andra arsenikarterna som finns i roten.

"Dessa två närstående arter av arsenik visar att de biologiska och kemiska processerna i rotzonen kan förändra arsenikspeciering till nya former, " sa Chorover. "Efter fytostabilisering, de två arsenikarterna kommer att binda till antingen ytan eller det inre av roten, och därför, Arsenik är inte längre fri i marken och kan inte läcka ut i grundvattnet.

"Detta arbete tyder på att denna fytostabiliseringsmetod inte introducerar några ökade risker för människors hälsa."

Nu är teamet intresserade av att förstå vad som händer med dessa arsenikarter när växtrötterna dör och förmultnar. Chorover sa att de planerar att återvända till SRX-strållinjen för att studera jordproverna av ruttnande rötter.

Thieme kommer att vara ivrig att hjälpa dem. "Chorover och hans team var några av de första forskarna som använde SRX-strållinjen, " sa han. "På den tiden, vi lärde oss om strållinjen också, så jag är väldigt glad att se att forskarna fick de resultat de ville ha."