Lavorando in collaborazione con scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dello SLAC National Accelerator Laboratory, i ricercatori dell'Università dell'Arizona hanno identificato i dettagli di come alcune piante eliminano e accumulano inquinanti nel suolo contaminato. Il loro lavoro ha rivelato che le radici delle piante "rinchiudono" efficacemente l'arsenico tossico che si trova sciolto negli sterili delle miniere:mucchi di roccia frantumata, fluido, e suolo lasciato dopo l'estrazione di minerali e metalli. La ricerca mostra che questa strategia di utilizzare le piante per stabilizzare gli inquinanti, chiamata fitostabilizzazione, potrebbe essere utilizzato anche in zone aride dove le piante richiedono più annaffiature, perché l'attività delle radici delle piante altera gli inquinanti in forme che difficilmente si riverseranno nelle acque sotterranee.

I ricercatori con sede in Arizona erano particolarmente interessati all'esplorazione di strategie di fitostabilizzazione per le regioni minerarie degli Stati Uniti sudoccidentali, dove gli sterili possono contenere alti livelli di arsenico, un contaminante che ha effetti tossici su esseri umani e animali. Nell'ambiente arido con bassi livelli di vegetazione, L'erosione del vento e dell'acqua può trasportare l'arsenico e altri inquinanti metallici alle comunità vicine.

Piantare terreno contaminato o sterili di miniera con vegetazione specifica che possa tollerare condizioni tossiche e anche immobilizzare fisicamente gli inquinanti potrebbe impedire che questi contaminanti vengano portati via. Però, gli scienziati erano preoccupati che l'acqua aggiuntiva necessaria per far crescere le piante in ambienti così aridi potesse causare la lisciviazione degli inquinanti nelle acque sotterranee, come è successo nel sud-est asiatico.

"La fitostabilizzazione è una tecnologia 'verde' molto interessante, ma volevamo sapere se l'uso della fitostabilizzazione avesse effetti su scala molecolare sull'arsenico negli scarti minerari, e se così fosse, se ci fossero implicazioni per la salute pubblica, ", ha affermato Jon Chorover, ricercatore dell'Università dell'Arizona, autore senior dello studio pubblicato su Scienze e tecnologie ambientali . "Volevamo determinare il contributo dell'attività chimica delle radici delle piante alla fitostabilizzazione a lungo termine dell'arsenico negli sterili delle miniere in questo particolare clima arido".

Indagare le radici delle piante su scala molecolare

Chorover e il suo gruppo di ricerca hanno selezionato una pianta conosciuta come Prosopis juliflora, un piccolo albero che cresce naturalmente in ambienti ricchi di arsenico in Messico, Sud America, e i Caraibi. Il team ha piantato P. juliflora negli sterili della miniera presso il sito Iron King Mine e Humboldt Smelter Superfund nell'Arizona centrale.

Hanno quindi portato i campioni di radici delle piante alla linea di luce della spettroscopia a raggi X a risoluzione submicronica (SRX) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab che produce alcuni dei più brillanti X- raggi nel mondo. Hanno lavorato con il principale scienziato della linea di luce Juergen Thieme per esaminare la distribuzione di diversi elementi all'interno dei loro campioni utilizzando una tecnica chiamata microscopia a fluorescenza a raggi X (XRF).

La microscopia a fluorescenza a raggi X funziona proiettando raggi X ad alta energia su un campione, in questo caso, le radici della pianta. Quando i raggi X interagiscono con gli atomi, spostano gli elettroni, con conseguente emissione di luce fluorescente, Thieme ha spiegato. Ogni elemento specifico nel campione (arsenico, ferro da stiro, zolfo, ecc.) emette luce di diversa lunghezza d'onda. Scansionando la loro superficie del campione con raggi X e tracciando la luce fluorescente emessa, gli scienziati hanno creato una mappa 2-D degli elementi all'interno di ciascuna radice.

I ricercatori hanno quindi utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X vicino alla struttura del bordo (XANES) per saperne di più sugli stati chimici dei singoli elementi. Questi stati chimici sono forme specifiche di un elemento definito dal loro stato di ossidazione, che descrive la perdita di elettroni di un atomo in un composto chimico.

Il team ha anche studiato gli sterili di miniera che non erano stati trattati con piante. Chorover ha spiegato che era fondamentale per il team indagare sull'effetto delle radici delle piante sulle specie di arsenico negli sterili delle miniere, perché un cambiamento nell'ambiente, ad esempio, l'introduzione di radici di piante in sterili di miniera precedentemente sterili, può alterare la mobilità e la tossicità di una sostanza chimica.

Un cambiamento nella speciazione

Gli scienziati hanno scoperto che, prima dell'introduzione di P. juliflora, gli sterili della miniera contenevano solo una specie dominante di arsenico, la stessa specie che filtra nelle acque sotterranee nel sud-est asiatico. In ambienti aridi simili, l'erosione del vento e dell'acqua può facilmente trasportare l'inquinante alle comunità circostanti.

Però, dopo che gli alberi erano stati piantati negli sterili della miniera, l'azione biologica delle radici ha modificato la speciazione dell'arsenico nell'area del suolo nota come zona delle radici, o la regione del suolo direttamente influenzata dall'attività radicale. Negli sterili trattati, gli scienziati hanno scoperto che due diverse specie di arsenico coesistono in stretta vicinanza, legato in due ambienti molecolari distinti nella zona della radice.

"La linea di luce SRX ci ha fornito una risoluzione spaziale molto elevata, di cui avevamo bisogno per sondare la superficie delle radici delle piante e l'interno delle piante, " ha detto Chorover.

I ricercatori hanno trovato una specie di arsenico fissata alla superficie della radice e l'altra specie di arsenico contenuta all'interno della radice.

"Queste due specie di arsenico strettamente associate mostrano che i processi biologici e chimici nella zona delle radici possono alterare la speciazione dell'arsenico in nuove forme, " ha detto Chorover. "Dopo la fitostabilizzazione, le due specie di arsenico si legheranno alla superficie o all'interno della radice, e quindi, l'arsenico non è più libero nel terreno e non può penetrare nelle acque sotterranee.

"Questo lavoro suggerisce che questo metodo di fitostabilizzazione non introduce alcun aumento dei rischi per la salute umana".

Ora il team è interessato a capire cosa succede a queste specie di arsenico quando le radici delle piante muoiono e si decompongono. Chorover ha detto che hanno in programma di tornare alla linea di luce SRX per studiare i campioni di suolo delle radici in decomposizione.

Thieme sarà ansioso di aiutarli. "Chorover e il suo team sono stati tra i primi scienziati a utilizzare la linea di luce SRX, " ha detto. "All'epoca, stavamo imparando anche la linea di luce, quindi sono molto felice di vedere che i ricercatori hanno ottenuto i risultati che volevano".