Des scientifiques de l'Université de l'Arizona collectent des échantillons de plantes dans les résidus miniers de la mine Iron King et du site Humboldt Smelter Superfund, dans le centre de l'Arizona. Des études aux rayons X au Brookhaven Lab ont permis de révéler comment les racines de ces plantes emprisonnent des formes toxiques d'arsenic dans le sol. Crédit :Jon Chorover
Travaillant en collaboration avec des scientifiques du Brookhaven National Laboratory et du SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie, des chercheurs de l'Université de l'Arizona ont identifié des détails sur la façon dont certaines plantes récupèrent et accumulent des polluants dans les sols contaminés. Leurs travaux ont révélé que les racines des plantes « emprisonnent » efficacement l'arsenic toxique trouvé en vrac dans les résidus miniers – des tas de roche concassée, fluide, et les sols laissés après l'extraction de minéraux et de métaux. La recherche montre que cette stratégie d'utilisation des plantes pour stabiliser les polluants, appelée phytostabilisation, pourrait même être utilisé dans les zones arides où les plantes nécessitent plus d'arrosage, parce que l'activité des racines des plantes modifie les polluants en des formes qui sont peu susceptibles de s'infiltrer dans les eaux souterraines.
Les chercheurs basés en Arizona étaient particulièrement préoccupés par l'exploration de stratégies de phytostabilisation pour les régions minières du sud-ouest des États-Unis, où les résidus peuvent contenir des niveaux élevés d'arsenic, un contaminant qui a des effets toxiques sur les humains et les animaux. Dans le milieu aride à faible végétation, L'érosion éolienne et hydrique peut transporter de l'arsenic et d'autres polluants métalliques vers les communautés voisines.
La plantation de sols contaminés ou de résidus miniers avec une végétation spécifique qui peut tolérer des conditions toxiques et également immobiliser physiquement les polluants pourrait empêcher l'entraînement de ces contaminants. Cependant, les scientifiques craignaient que l'eau supplémentaire nécessaire à la croissance des plantes dans des environnements aussi arides ne provoque le lessivage des polluants dans les eaux souterraines, comme cela s'est produit en Asie du Sud-Est.
"La phytostabilisation est une technologie 'verte' très attractive, mais nous voulions savoir si l'utilisation de la phytostabilisation avait un effet sur l'arsenic dans les résidus miniers à l'échelle moléculaire, et si oui, s'il y avait des implications pour la santé publique, " a déclaré Jon Chorover, chercheur à l'Université d'Arizona, auteur principal de l'étude publiée dans Sciences et technologies de l'environnement . "Nous voulions déterminer la contribution de l'activité chimique des racines des plantes à la phytostabilisation à long terme de l'arsenic dans les résidus miniers dans ce climat aride particulier."
Étudier les racines des plantes à l'échelle moléculaire
Chorover et son équipe de recherche ont sélectionné une plante connue sous le nom de Prosopis juliflora, un petit arbre qui pousse naturellement dans des environnements enrichis en arsenic au Mexique, Amérique du Sud, et les Caraïbes. L'équipe a planté P. juliflora dans les résidus miniers du site Iron King Mine et Humboldt Smelter Superfund dans le centre de l'Arizona.
La même section d'une racine de plante de P. juliflora révélée par un microscope optique (a) avec des lignes pointillées délimitant les parties de la racine, et imagerie XRF (b-f). L'intensité de la couleur correspond au signal de fluorescence produit par chaque composant chimique de l'échantillon :potassium (b), soufre (c), le fer (d) et deux espèces différentes d'arsenic (e et f). Crédit :SLAC
Ils ont ensuite apporté leurs échantillons de racines de plantes à la ligne de faisceau de spectroscopie à rayons X à résolution submicronique (SRX) de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab qui produit certains des plus brillants X- faisceaux de rayons dans le monde. Ils ont travaillé avec le scientifique principal de la ligne de lumière Juergen Thieme pour examiner la distribution de différents éléments dans leurs échantillons à l'aide d'une technique appelée microscopie à fluorescence X (XRF).
La microscopie à fluorescence X fonctionne en projetant des rayons X à haute énergie sur un échantillon - dans ce cas, les racines des plantes. Comme les rayons X interagissent avec les atomes, ils déplacent des électrons, entraînant l'émission de lumière fluorescente, Thieme a expliqué. Chaque élément spécifique de l'échantillon (arsenic, fer à repasser, soufre, etc.) émet une lumière d'une longueur d'onde différente. En balayant leur surface d'échantillon avec des faisceaux de rayons X et en suivant la lumière fluorescente émise, les scientifiques ont créé une carte 2-D des éléments dans chaque racine.
Les chercheurs ont ensuite utilisé une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X près de la structure de bord (XANES) pour en savoir plus sur les états chimiques des éléments individuels. Ces états chimiques sont des formes spécifiques d'un élément défini par leur état d'oxydation, qui décrit la perte d'électrons d'un atome dans un composé chimique.
L'équipe a également étudié les résidus miniers qui n'avaient pas été traités avec des plantes. Chorover a expliqué qu'il était essentiel pour l'équipe d'étudier l'effet des racines des plantes sur les espèces d'arsenic dans les résidus miniers, parce qu'un changement d'environnement, par exemple, l'introduction de racines de plantes dans des résidus miniers auparavant stériles peut altérer la mobilité et la toxicité d'un produit chimique.
Un changement de spéciation
Les scientifiques ont découvert que, avant l'introduction de P. juliflora, les résidus miniers ne contenaient qu'une seule espèce dominante d'arsenic, la même espèce qui s'infiltre dans les eaux souterraines en Asie du Sud-Est. Dans des environnements arides similaires, l'érosion éolienne et hydrique peut facilement transporter le polluant vers les communautés environnantes.
Produit au Brookhaven National Laboratory en utilisant l'imagerie XRF, ces images haute résolution montrent deux espèces différentes d'arsenic liées à deux environnements moléculaires distincts dans la zone racinaire :l'espèce en (i) est généralement fixée à la surface de la racine et l'espèce en (j) est contenue dans la racine. Crédit :Département américain de l'énergie
Cependant, après la plantation d'arbres dans les résidus miniers, l'action biologique des racines a modifié la spéciation de l'arsenic dans la zone du sol appelée zone racinaire, ou la région du sol directement influencée par l'activité racinaire. Dans les résidus traités, les scientifiques ont trouvé deux espèces différentes d'arsenic coexistant à proximité, lié dans deux environnements moléculaires distincts dans la zone racinaire.
"La ligne de lumière SRX nous a fourni une très haute résolution spatiale, dont nous avions besoin pour sonder la surface racinaire des plantes ainsi que l'intérieur des plantes, " a déclaré Chorover.
Les chercheurs ont trouvé une espèce d'arsenic fixée à la surface de la racine et l'autre espèce d'arsenic contenue dans la racine.
"Ces deux espèces d'arsenic étroitement associées montrent que les processus biologiques et chimiques dans la zone racinaire peuvent modifier la spéciation de l'arsenic en de nouvelles formes, " a déclaré Chorover. " Après la phytostabilisation, les deux espèces d'arsenic se lieront soit à la surface soit à l'intérieur de la racine, et donc, l'arsenic n'est plus libre dans le sol et ne peut pas s'infiltrer dans les eaux souterraines.
"Ce travail suggère que cette méthode de phytostabilisation n'introduit pas de risques accrus pour la santé humaine."
L'équipe cherche maintenant à comprendre ce qui arrive à ces espèces d'arsenic lorsque les racines des plantes meurent et se décomposent. Chorover a déclaré qu'ils prévoyaient de retourner sur la ligne de lumière SRX pour étudier les échantillons de sol de racines en décomposition.
Thieme sera impatient de les aider. "Chorover et son équipe ont été parmi les premiers scientifiques à utiliser la ligne de lumière SRX, " dit-il. " A l'époque, nous en apprenions aussi sur la ligne de lumière, Je suis donc très heureux de voir que les chercheurs ont obtenu les résultats qu'ils voulaient."
