Как корни кустарника P. juliflora извлекают и иммобилизуют мышьяк из токсичных хвостов шахт

Исследователи из Университета Аризоны в сотрудничестве с учёными из Национальной лаборатории Брукхейвен и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США выяснили детали того, как определённые растения извлекают и накапливают загрязнители в заражённой почве. Их работа показала, что корни растений эффективно «запирают» токсичный мышьяк, содержащийся в рыхлых хвостах шахт — отвалах измельчённой породы, жидкости и почвы, остающихся после добычи минералов и металлов. Исследование демонстрирует, что эта стратегия использования растений для стабилизации загрязнителей, называемая фитостабилизацией, может применяться даже в засушливых районах, где растения требуют больше полива, так как активность корней преобразует загрязнители в формы, которые вряд ли будут вымываться в грунтовые воды.

Учёные из Аризоны были особенно заинтересованы в изучении стратегий фитостабилизации для горнодобывающих регионов на юго-западе США, где хвосты могут содержать высокие уровни мышьяка — загрязнителя, токсичного для человека и животных. В засушливой среде с низкой растительностью эрозия от ветра и воды может переносить мышьяк и другие металлические загрязнители в соседние сообщества.

Посадка на загрязнённой почве или хвостах специфической растительности, способной переносить токсичные условия и физически иммобилизовать загрязнители, могла бы предотвратить их распространение. Однако учёных беспокоило, что дополнительная вода, необходимая для роста растений в таких условиях, может вызвать вымывание загрязнителей в грунтовые воды, как это происходило в Юго-Восточной Азии.

«Фитостабилизация — очень привлекательная "зелёная" технология, но мы хотели узнать, влияет ли её использование на молекулярном уровне на состояние мышьяка в хвостах шахт, и если да, то есть ли последствия для общественного здоровья», — сказал Джон Чоровер, старший автор исследования, опубликованного в Environmental Science & Technology.

Исследование на молекулярном уровне

Команда выбрала растение Prosopis juliflora — небольшое дерево, естественно растущее в обогащённых мышьяком средах в Мексике, Южной Америке и Карибском бассейне. Растения высадили в хвостах на участке Superfund шахты Iron King и плавильного завода Humboldt в центральной Аризоне.

Образцы корней затем изучили на линии SRX (Submicron Resolution X-ray Spectroscopy) в Национальном синхротронном источнике света II (NSLS-II) в Брукхейвене. Используя метод рентгенофлуоресцентной микроскопии (XRF), учёные создали 2D-карты распределения элементов в корнях. Затем с помощью спектроскопии структуры ближнего края рентгеновского поглощения (XANES) они определили химические состояния отдельных элементов.

Учёные также изучили хвосты, не обработанные растениями. Это было критически важно, так как изменение среды (например, внедрение корней) может повлиять на подвижность и токсичность химического вещества.

Изменение химических форм

Исследователи обнаружили, что до внедрения P. juliflora в хвостах доминировал только один вид мышьяка — тот же самый, что вымывается в грунтовые воды в Юго-Восточной Азии. Однако после посадки деревьев биологическое действие корней изменило химическую форму мышьяка в ризосфере — зоне почвы, непосредственно подверженной влиянию корневой активности. В обработанных хвостах учёные нашли два разных вида мышьяка, сосуществующих в непосредственной близости и связанных в две различные молекулярные среды в корневой зоне.

Один вид мышьяка был зафиксирован на поверхности корня, а другой содержался внутри корня. «Эти два тесно связанных вида мышьяка показывают, что биологические и химические процессы в корневой зоне могут изменять химическую форму мышьяка на новые», — пояснил Чоровер. После фитостабилизации мышьяк больше не свободен в почве и не может вымываться в грунтовые воды, что свидетельствует об отсутствии повышенных рисков для здоровья человека.

Теперь команда заинтересована в понимании того, что происходит с этими формами мышьяка, когда корни растений отмирают и разлагаются.