La luz sincrotrón permite profundizar el conocimiento sobre el suelo brasileño

Investigadores estudian los procesos químicos, físicos y biológicos que ocurren en diversas zonas de la tierra a nivel atómico

Por Diego Freire

Agência FAPESP – Los procesos químicos, físicos y biológicos que controlan en buena medida la disponibilidad de nutrientes, el transporte de contaminantes, la polución del ambiente y otros aspectos relacionados con ellos están develándose más fácilmente con la ayuda de la luz sincrotrón, la radiación electromagnética producida por los aceleradores de partículas.

Éstas y otras aplicaciones de la radiación sincrotrón en diversas áreas del conocimiento se presentaron durante la São Paulo School of Advanced Sciences on Recent debelopments in Synchrotron Radiation - SyncLight 2015, realizada en el Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), en Brasil, entre los días 13 y 24 de julio. El SyncLight contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del programa Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA).

De acuerdo con Helio Cesar Nogueira Tolentino, investigador del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y coordinador de la Escuela que reunió a científicos y estudiantes de 17 países, el objetivo de la misma consistió en ofrecer un panorama amplio de las aplicaciones de la radiación sincrotrón para el avance de la ciencia.

“La luz sincrotrón tiene importantes aplicaciones en áreas tales como física, química, biología, geociencias, medicina, ingeniería y ciencia de materiales, entre otras. El SyncLight apuntó a motivar y ayudar a preparar a esa nueva generación de usuarios de esta importante herramienta científica para el aprovechamiento de todo el potencial que ella ofrece, mediante la presentación de técnicas avanzadas vinculadas con la radiación sincrotrón y discutiendo sus potenciales”, declaró a Agência FAPESP.

En el caso de las geociencias, la luz sincrotrón ha hecho posible la profundización del conocimiento sobre el suelo, ya que mejora la comprensión referente a diversos procesos que ocurren a escala microscópica, explicó Dalton Belchior Abdala, investigador del LNLS en el área de ciencias del suelo.

“El desarrollo de la agricultura brasileña será, en gran medida, un reflejo de los avances tecnológicos logrados mediante el empleo de estas técnicas. Las fronteras del conocimiento científico en geociencias durante las próximas décadas se ubicarán en la mejor comprensión de los procesos químicos, físicos y biológicos que ocurren en los suelos en su nivel más fundamental, es decir, el nivel atómico, y la radiación sincrotrón tendrá un papel decisivo en esto.”

Abdala presentó en esa oportunidad técnicas de espectroscopia de absorción de rayos X aplicadas a la investigación en geociencias, utilizadas especialmente para determinar la presencia de metales en suelos, que permiten entender aspectos de la reactividad de esos elementos en el ambiente.

“Las investigaciones en esta área apuntan a entender las reacciones que se producen en las interfaces entre los distintos componentes de los suelos, una mezcla heterogénea de compuestos orgánicos e inorgánicos de diferentes composiciones. La luz sincrotrón facilita dicha comprensión, pues les permite a los científicos observar reacciones que ocurren a escala atómica y molecular”, explicó.

En función de sus características, la radiación sincrotrón permite el estudio de procesos biogeoquímicos y la simulación de las condiciones de su surgimiento en la naturaleza. Generalmente, la utilización de estas técnicas requiere una mínima preparación de la muestra, que permite la observación de elementos que se encuentran naturalmente en concentraciones bastante diluidas en el suelo, y, con base en ello, elaborar protocolos destinados a mejorar la eficiencia agronómica de ciertos materiales utilizados en la agricultura, tales como fertilizantes y agroquímicos, por ejemplo, entre otros objetivos.

La elaboración de nuevos fertilizantes ha sido una de las líneas de investigación que han generado mayor utilización de las instalaciones del LNLS. En esos estudios, se ha puesto de relieve al fósforo para la producción de fertilizantes fosfatados, debido a que es un macronutriente esencial en el ciclo de vida de las plantas. Asimismo, se trata de un elemento cuyas reservas son cada vez más escasas.

La actual fuente de luz sincrotrón del LNLS, el UVX, el único acelerador de partículas en operación en América Latina, también ha sido utilizada por científicos de la Universidad Federal de Viçosa (UFV) para estudiar el fosfato en colonias de pingüinos de la Antártica.

Resulta importante hacer hincapié en que, en los estudios llevados adelante por los investigadores de la UFV, el enfoque de los trabajos consiste en monitorear las sucesiones ecológicas ocurridas en el continente antártico como consecuencia del calentamiento global, en los cuales los fosfatos pueden utilizarse como indicadores de dicha sucesiones.

Para la caracterización química y mineral de los suelos antárticos, se utilizaron tres técnicas experimentales disponibles en tres líneas de luz del LNLS: difracción, fluorescencia y espectroscopia de absorción de rayos X blandos.

“Mediante el empleo de la técnica de absorción de rayos X, una de las de mayor interés en la investigación en geociencias, es posible determinar la forma química de un elemento de manera muy directa, y de este modo se puede tener acceso al ambiente local de un determinado átomo”, explicó Abdala.

Mediante estudios como éstos es posible determinar si el fósforo, en determinada condición ambiental, está asociado con la matriz del suelo a través de una conexión bidentada o monodentada.

“De quedar determinado que el fósforo se encuentra predominantemente en su forma monodentada, se podrá arribar a la conclusión de que éste está menos asociado íntimamente con la matriz del suelo, y de este modo, la planta puede absorberlo más fácilmente; pero también puede perderse más fácilmente en el ambiente. Si la forma predominante fuera bidentada, esto implicaría que está asociado más fuertemente con la matriz del suelo, y las posibilidades de que entre en equilibrio con la solución del suelo y participe directamente en la nutrición de la planta o contamine el ambiente quedarán dificultadas. Mediante técnicas basadas en la radiación sincrotrón, es posible discutir la reactividad de estos elementos con base en la especie química y en el ambiente local de un determinado elemento en una determinada condición ambiental”, explicó.

Sirius

Ryan Tappero, del National Synchrotron Light Source (NSLS) de Estados Unidos, destacó que la nueva fuente de luz sincrotrón brasileña, Sirius, en construcción en el CNPEM, ampliará aún más las posibilidades de investigar el suelo, debido a que combina absorción, florescencia y difracción de rayos X en una misma cámara experimental y con una precisión sin precedentes.

“En el NSLS desarrollamos diversas investigaciones de punta, pero nuestro acelerador de partículas no abarca más el estado del arte en radiación sincrotrón. Sirius, una fuente de luz sincrotrón de cuarta generación, catapultará a las investigaciones en diversos campos a un nuevo nivel, ya que extenderá el espectro de radiación hacia rayos X más energéticos y con un brillo exponencialmente superior”, dijo.

Abdala explicó que la resolución espacial que se obtendrá en Sirius ampliará las posibilidades de estudios de la rizosfera, una zona que representa la interfaz entre el suelo y las raíces de las plantas.

“Se trata de una región sumamente importante, ya que es una interfaz entre el suelo y las plantas, donde trascurre la absorción de nutrientes a cargo de los vegetales y la liberación de exudados radiculares, entre otros procesos. La resolución espacial y el tiempo de adquisición de datos en Sirius facilitarán los estudios sobre cómo afectan los microbios el ciclo de nutrientes en el suelo. La comprensión de la dinámica de los procesos que ocurren en la rizosfera explicará mucho acerca de los mecanismos que las plantas utilizan para recuperar nutrientes en el suelo, tales como potasio, calcio o cinc.”

También será posible avanzar en estudios de biofortificación de alimentos, es decir, el enriquecimiento de alimentos con formas más biodisponibles de diversos nutrientes, sostuvo Abdala.

“Se sabe que los frijoles, por ejemplo, son rico en hierro. Pero mucho de éste está asociado al fitato, lo que reduce no sólo la biodisponibilidad del hierro, sino también del cinc y de otros metales presentes en el fríjol. Con el Sirius, será posible obtener una mayor precisión en la localización y la determinación de las especies químicas de esos elementos en zonas de un fruto, por ejemplo, e indicar qué partes son de mayor interés desde el punto de vista nutricional.”

Sirius, que entrará en operaciones en 2018, tendrá el mayor brillo de todos los aparatos ubicados a su alrededor en su categoría de energía en operación o en construcción en el mundo. Su infraestructura será abierta y podrán emplearla investigadores de diversas procedencias.

ESPCA

La FAPESP editó un sitio web para el programa Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA), que ofrece recursos destinados a la organización de cursos de corta duración en investigación avanzada en las más diversas áreas del conocimiento.

La página, en portugués y en inglés, reúne información sobre las próximas escuelas y las más de 40 realizadas, que reunieron a miles de estudiantes y científicos de diversos países, entre los cuales había ganadores del Nobel, como la israelí Ada Yonath, el japonés Ei-ichi Negishi, los estadounidense Alvin Roth y John Nash y el suizo Kurt Wüthrich.

Las páginas de las escuelas cuentan con un resumen sobre las mismas, el programa final, fotos de las actividades realizadas y otras informaciones. Varias páginas contienen a su vez enlaces hacia reportajes publicados sobre las escuelas en Agência FAPESP.

Cada ESPCA recibe a unos 100 estudiantes, de los cuales en alrededor del 50% proviene del exterior. Para el mantenimiento de los estudiantes seleccionados provenientes de otras ciudades, estados y países, los beneficios que se ofrecen son los siguientes: pasajes aéreos y cobertura de gastos de transporte terrestre local (aeropuerto-hotel) y de alojamiento en la ciudad sede de la escuela.

Las solicitudes deben enviarse para su análisis teniendo en cuenta los llamados a la presentación de propuestas anunciados por la FAPESP y publicados en el sitio web del programa. Ya se han emitido once llamados desde 2009, año en que se creó el programa.

Puede accederse al sitio web del programa ESPCA en: espca.fapesp.br.