Hvordan P. juliflora buskrødder scavenge og immobilisere arsen fra giftige minehale

Arbejder i samarbejde med forskere ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory og SLAC National Accelerator Laboratory, forskere ved University of Arizona har identificeret detaljer om, hvordan visse planter opdager og akkumulerer forurenende stoffer i forurenet jord. Deres arbejde afslørede, at planterødder effektivt "låser" giftig arsenik fundet løst i mineaffald - bunker af knust sten, væske, og jord efterladt efter udvinding af mineraler og metaller. Forskningen viser, at denne strategi med at bruge planter til at stabilisere forurenende stoffer, kaldet fytostabilisering, kan endda bruges i tørre områder, hvor planter kræver mere vanding, fordi plantens rodaktivitet ændrer forurenende stoffer til former, der usandsynligt vil udvaskes i grundvandet.

De Arizona-baserede forskere var især optaget af at udforske phytostabiliseringsstrategier for mineregioner i det sydvestlige USA, hvor tailings kan indeholde høje niveauer af arsen, en forurening, der har toksiske virkninger på mennesker og dyr. I det tørre miljø med lave niveauer af vegetation, erosion af vind og vand kan føre arsen og andre metalforurenende stoffer til nabosamfund.

Plantning af forurenet jord eller minehale med specifik vegetation, der kan tåle giftige forhold og også fysisk immobilisere forurenende stoffer, kan forhindre disse forurenende stoffer i at blive transporteret væk. Imidlertid, forskerne var bekymrede for, at det ekstra vand, der var nødvendigt for, at planter kan vokse i sådanne tørre miljøer, kunne få forurenende stoffer til at udvaskes til grundvandet, som det er sket i Sydøstasien.

"Fytostabilisering er en meget attraktiv 'grøn' teknologi, men vi ønskede at vide, om brug af phytostabilisering havde nogen effekt på arsen i mineaffaldet på molekylær skala, og i så fald om der var nogen konsekvenser for folkesundheden, " sagde University of Arizona-forsker Jon Chorover, seniorforfatter af undersøgelsen offentliggjort i Miljøvidenskab og -teknologi . "Vi ønskede at bestemme bidraget fra planterodens kemiske aktivitet til langsigtet fytostabilisering af arsen i mineafgangene i dette særlige tørre klima."

Undersøgelse af planterødder på molekylær skala

Chorover og hans forskerhold valgte en plante kendt som Prosopis juliflora, et lille træ, der naturligt vokser i arsenberigede miljøer i Mexico, Sydamerika, og Caribien. Holdet plantede P. juliflora i mineafgangene ved Iron King Mine og Humboldt Smelter Superfund -stedet i det centrale Arizona.

De bragte derefter deres planterodsprøver til Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX) beamline ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab, der producerer nogle af de lyseste X- strålebjælker i verden. De arbejdede sammen med blystråleforsker Juergen Thieme for at undersøge fordelingen af ​​forskellige elementer i deres prøver ved hjælp af en teknik kaldet røntgenfluorescens (XRF) mikroskopi.

Røntgenfluorescensmikroskopi virker ved at skinne højenergi røntgenstråler på en prøve - i dette tilfælde, plantens rødder. Når røntgenstrålerne interagerer med atomerne, de fortrænger elektroner, hvilket resulterer i udsendelse af fluorescerende lys, Thieme forklarede. Hvert specifikt element i prøven (arsen, jern, svovl, osv.) udsender lys med en anden bølgelængde. Ved at scanne deres prøveoverflade med røntgenstråler og spore det udsendte fluorescerende lys, forskerne lavede et 2-D-kort over elementerne i hver rod.

Forskerne brugte derefter en teknik kaldet røntgenabsorption nær kantstrukturspektroskopi (XANES) for at lære mere om de kemiske tilstande for de enkelte elementer. Disse kemiske tilstande er specifikke former for et grundstof defineret ved deres oxidationstilstand, som beskriver tabet af elektroner af et atom i en kemisk forbindelse.

Holdet undersøgte også mineafgang, der ikke var blevet behandlet med planter. Chorover forklarede, at det var afgørende for holdet at undersøge virkningen af ​​planterødderne på arsenarten i mineaffaldet, fordi en ændring i miljøet - f.eks. introduktionen af ​​plantens rødder til tidligere golde mineafgang - kan ændre et kemikalies mobilitet og toksicitet.

En ændring i art

Forskerne fandt ud af, at før introduktionen af ​​P. juliflora, mineaffaldet indeholdt kun én dominerende art af arsen – den samme art, der udvaskes til grundvandet i Sydøstasien. I lignende tørre miljøer, erosion af vind og vand kan let føre forurenende stoffer til de omkringliggende samfund.

Imidlertid, efter at der var plantet træer i mineafgangene, røddernes biologiske virkning ændrede arsen -speciering i det område af jorden, der kaldes rodzonen, eller jordregionen direkte påvirket af rodaktivitet. Ved behandlede tailings, forskerne fandt to forskellige arter af arsen, der sameksisterer i umiddelbar nærhed, bundet til to distinkte molekylære miljøer i rodzonen.

"SRX beamline gav os en meget høj rumlig opløsning, som vi havde brug for for at undersøge plantens rodoverflade samt planternes indre, " sagde Chorover.

Forskerne fandt en arsenart fastgjort til rodens overflade og de andre arsenarter indeholdt i roden.

"Disse to nært forbundne arter af arsen viser, at de biologiske og kemiske processer i rodzonen kan ændre arsenart til nye former, " sagde Chorover. "Efter phytostabilisering, de to arsenarter vil binde til enten overfladen eller det indre af roden, og derfor, arsen er ikke længere fri i jorden og kan ikke udvaskes i grundvand.

"Dette arbejde tyder på, at denne phytostabiliseringsmetode ikke introducerer nogen øgede risici for menneskers sundhed."

Nu er teamet interesseret i at forstå, hvad der sker med disse arsenarter, når plantens rødder dør og forfalder. Chorover sagde, at de planlægger at vende tilbage til SRX beamline for at studere jordprøver af forfaldne rødder.

Thieme vil være ivrig efter at hjælpe dem. "Chorover og hans team var nogle af de første forskere, der brugte SRX beamline, "sagde han." På det tidspunkt, vi lærte også om beamline, så jeg er meget glad for at se, at forskerne fik de resultater, de ønskede. "