Los “otros” usos de las técnicas isotópicas y nucleares

2012-12-12
Foro Nuclear
Asociación de la
Prensa de Madrid
Organismo Internacional de Energía Atómica
Los “otros” usos de las técnicas
isotópicas y nucleares
RED MUNDIAL DE ISOTOPOS EN LA
PRECIPITACION (1961-2010)
Madrid, 19 Dic. 2012
IAEA
Luis J. Araguás
Sección de Hidrología Isotópica,
Departamento de Ciencias y Aplicaciones Nucleares
OIEA ,Viena
Índice de la presentación
• Breve introducción del OIEA y de algunos aspectos
generales sobre las “otras” técnicas nucleares e isotópicas.
• Los áreas donde se utilizan dichas técnicas:
• Alimentación y agricultura
• Medicina, salud humana, nutrición y cáncer
• Aplicaciones científicas e industriales
• Medio ambiente y recursos hídricos
Algunas de las técnicas nucleares
utilizadas de forma cotidiana son
muy específicas (únicas) o bien
ofrecen ventajas frente a otras
técnicas más convencionales
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Unas palabras sobre el OIEA
El OIEA es un organismo de las Naciones Unidas
cuya labor se centra en tres pilares:
1) no-proliferación (“contabilidad” del material nuclear)
2) producción de energía y seguridad nuclear
3) otros usos “pacíficos” de la tecnología nuclear e isotópica
• agricultura y alimentación,
• medicina y salud,
• aplicaciones industriales,
• medio ambiente, etc.
El OIEA apoya la ejecución de
proyectos de asistencia técnica
en más de 100 países.
IAEA
Técnicas y herramientas nucleares
•
Se basan en reacciones y/o cambios que se producen, afectan, o interaccionan
con el núcleo del átomo.
•
Cada elemento de la Tabla Periódica está compuesto de varios tipos de
isótopos: unos son estables y otros radioactivos (se desintegran de forma regular
en el tiempo, cambiando la estructura de su núcleo).
•
Existen varios tipos de radiaciones (alfa, beta, gamma,
rayos X, etc.) e instrumentos que las producen y/o miden.
•
Podemos utilizar radiaciones para generar ciertos isótopos o para inducir
cambios en la materia (trazar un proceso, generar una mutación, producir
marcador biológico, etc.)
•
Podemos medir con precisión las concentraciones de isótopos, tanto naturales
como artificiales en muchos medios (seres vivos, agua, aire, sedimentos, etc.), y
éstos se pueden utilizar como trazadores de procesos o de su origen.
etc.) e
IAEA
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Producción de radioisótopos y uso de la tecnología de
radiación.
• Acceso a radiofármacos para pacientes
con cáncer  quimioterapia, braquiterapia, etc.
• Uso de la tecnología de radiación y fuentes
radioactivas en temas de salud, seguridad
alimentaria e industria  diagnostico temprano
y preciso, dosis de radiofármacos adecuadas
• Producción de radioisótopos como trazadores
en procesos industriales, en experimentos
científicos, campos de petróleo, refinerías,
pozos geotérmicos, etc.
Ciclotrón usado para la producción de
radiofármacos de uso médico
IAEA
Uso de isótopos estables y radioactivos naturales
Isótopos:
Mismo número
atómico, pero
diferente masa
(neutrones y
protones)
16O 17O 18O
Z (número de
protones)
14N 15N
12C 13C 14C
10B 11B
9Be 10Be
6Li
7Li
3He 4He
1H
2H
n
3H
Patrones isotópicos de
hidrógeno y oxígeno
N (número de
neutrones)
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Isótopos como trazadores
naturales: caso del agua
(origen y edad)
Oxígeno
18O
16O
16O
H2O
18O
Hidrógeno
2H
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1H
1H
2H
- Deuterio
3H
- Tritio
Aportaciones prácticas y cotidianas de las
“otras” aplicaciones nucleares e isotópicas
Lucha contra la epidemia global de cáncer Mejora en el diagnostico y tratamiento de las enfermedades
Estudio y protección del medio ambiente
Evaluación de recursos hídricos marinos y terrestres.
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Contribución a la seguridad alimentaria y al desarrollo agrícola sostenible
Aplicaciones y mejora del conocimiento en temas científicos e industriales
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1. Alimentación y agricultura
Las técnicas nucleares contribuyen a la
seguridad alimentaria y minimizar el impacto
ecológico en las siguientes áreas:
•
Gestión del uso del agua y del suelo
para optimizar la producción agrícola
•
Desarrollo de mejores variedades de
ciertos cultivos
•
Reducción del riesgo de transmisión
de enfermedades en animales
•
Control de plagas de insectos
•
Trazabilidad de productos agrícolas y
animales para mejorar la calidad y
seguridad de los alimentos
IAEA
Técnicas nucleares en la
alimentación y la agricultura
Control de plagas de
insectos
mediante técnicas de
esterilización de insectos
Salud y producción animal
mediante RIA, ELISA, PCR, etc.
Técnicas
nucleares
Gestión de agua, suelo y
nutrientes
mediante técnicas nucleares y de
isótopos ambientales
Genética y cultivo de
plantas
mediante técnicas de mutación
Protección ambiental y
alimentaria
mediante técnicas de irradiación
y radio analíticas
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1A. Control de plagas de insectos mediante
la técnica del insecto estéril (SIT)
Esteril
Radiación gamma
Esteril
Silvestre
Uso activo en todos los continentes:
erradicación de la mosca tse-tsé, moscas de
la fruta (impacto en la exportación)
IAEA
1B Genética y cultivo de plantas: Mejora de cultivos
mediante técnicas de mutación inducida
•
Incremento de la tasa de
mutación natural en
organismos vivos.
Mutación negativa
Variedad mutante
•
-
La mutación inducida es útil
para la mejora de cultivos.
-
•
Lo que se induce no es una
mutación genética, ya que no
se introduce material
hereditario extraño.
Legumbres 203
IAEA
Oleaginosas
198
Mejor rendimiento
Resistencia a
enfermedades/plagas
Mejor adaptación
Más nutritiva
No hay mutación
Otros 611
Impacto se mide en
millones de ha. y
Cereales 1206
en millones de EUR
Flores 454
Fuente: FAO/IAEA Mutant Varieties Database
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1C. Protección ambiental – irradiación de alimentos
•
La irradiación de alimentos es un
tratamiento mediante una radiación
ionizante. Una dosis adecuada de
radiación puede matar plagas,
bacterias o parásitos y extender la
vida de los alimentos.
•
Adicionalmente, las técnicas
isotópicas (isótopos ambientales
15N, 13C, 32P) ) se emplean para
evaluar el impacto de la
contaminación por agroquímicos.
Fuentes: rayos gamma, rayos X, haces de electrones.
IAEA
1D. Mejor gestión conjunta suelo-agua-planta
•
Impacto: Optimizar el uso de agua y
fertilizantes para mitigar la contaminación
de las aguas subterráneas
•
14N
32P
31P
13CO
2
•
12CO
2
15N
32P
14N
Uso de isotopos ambientales
(18O, 13C, 15N) como trazadores
naturales del agua y de los
nutrientes.
Isótopos artificiales para estudiar
el movimiento y distribución de
agua/nutrientes entre
suelo/agua/planta (15N, 32P, 14C).
Sondas nucleares para medir
humedad, densidad u otras
propiedades del medio.
31P
16O
13CO
2
18O
12CO
2
18O
IAEA
16O
13C
12C
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1E. Mejora de la salud y producción animal
Técnicas
•
Diagnóstico de enfermedades mediante herramientas moleculares (PCRELISA- Reacción en cadena de la polimerasa - Ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas).
•
Los radioinmuno-ensayos (RIA en inglés) se utilizan para medir la
presencia de hormonas reproductivas y así mejorar las cabañas ganaderas.
•
Uso de isótopos para ensayos de reacciones inmunológicas.
•
Selección mediante análisis de ADN para mejorar la productividad y la
resistencia a las enfermedades.
•
Producción de reactivos de uso más seguro mediante irradiación.
•
Evaluación de forrajes locales para corregir deficiencias nutricionales.
IAEA
Técnicas para el diagnóstico de enfermedades
• Kits de campo ELISA para diagnosticar in-situ
enfermedades como la fiebre aftosa, brucelosis,
tripanosomiasis, o la peste bovina.
• Detección temprana a nivel molecular y control de la gripe
aviar.
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Seguridad alimentaria
IAEA
2. Medicina nuclear, diagnóstico por imágenes,
dosimetría, nutrición y tratamiento del cáncer
• Tres campos principales donde trabajan médicos,
radiólogos, físicos, químicos, etc.
• Diagnóstico por medios radiológicos (100% diagnóstico)
• Rayos-X, y técnicas relacionadas
• Radioterapia (100% tratamiento)
• Fuentes selladas de alta actividad
• Aceleradores de uso médico
• Medicina nuclear (80% diagnóstico, 10%
tratamiento, 10% pruebas de laboratorio)
• Fuentes no selladas de baja actividad
• Radiofármacos
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3. Contribución de las técnicas nucleares en arte
y/o arqueología
• Verificar la autenticidad de obras de arte
• Confirmar fraude
• Determinar la edad y procedencia de objetos arqueológicos
(p. e. datación mediante C-14, uso de materiales recientes
en falsificaciones (tinta), etc.)
• Contribuir a la conservación
• Entender procesos de producción de ciertas obras
IAEA
Preservación de la herencia cultural
Muchas obras en museos, archivos, bibliotecas
son de naturaleza orgánica y frágiles:
madera, muebles, pinturas,
cuero, textiles, papel, etc.,
Están sujetas a ataques de
insectos y microbios
El uso de radiación es un método efectivo
para controlar e inactivar microrganismos,
permitiendo preservar los objetos sin afectar
al material original
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¿Cómo funciona la radiación con los objetos de arte?
• Preservación - La radiación de alta energía tiene la
capacidad de producir iones o radicales altamente
reactivos que inactivan los microrganismos de una forma
simple y eficiente.
• Restauración – La radiación de alta energía puede
utilizarse para polimerizar in-situ resinas orgánicas en los
poros de la madera y restaurar así artefactos muy
degradados, especialmente de madera o de materiales
porosos.
IAEA
Algunos ejemplos
• Uso de PIXE (Emisión de rayos X
inducidos por protones) en manuscritos,
cerámica, cuadros, etc.
• Datación mediante C-14 de los restos
humanos y utensilios del hombre de
Oetzi.
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4. Aplicaciones de técnicas isotópicas en el
medio ambiente marino
• Herramientas/trazadores en oceanografía química y física.
• Radioactividad natural y antrópica en el océano.
• Evaluación del impacto y evolución de varios tipos de
•
•
•
•
contaminación en el océano.
Radio-ecología.
Acidificación marina por aumento de CO2  cambio climático
Blooms de algas nocivas (floraciones).
Impacto en la calidad del agua en zonas costeras
debido a los nutrientes aportados por la descarga
submarina
de aguas subterráneas.
IAEA
Radioactividad en el medio marino
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14C
y tritio como trazadores de la circulación (corrientes)
en los océanos y su papel en el clima (El Niño)
Carbono-14 como
trazador de la
circulación en los
océanos
IAEA
5. Evaluación de los recursos hídricos
Las técnicas basadas en el uso de isótopos ambientales
presentes en el agua y en las sustancias disueltas
proporcionan información única sobre el origen, flujos y la
historia de los cuerpos de agua.
La información obtenida
con varios tipos de isótopos
proporciona las bases
científicas para la adopción
de medidas encaminadas a
mejorar la gestión de los
recursos hídricos (en
cantidad, calidad y
sostenibilidad).
Mapa de carbono-14 en aguas subterráneas
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Aspectos hidrológicos que se investigan con
isótopos ambientales
• Evaluación de aguas subterráneas (origen,
dinámica, flujo, transporte, – datación,
recarga, calidad del agua – causas
naturales vs. impacto de actividades
humanas, etc. )
• Aguas superficiales (hidrología de cuencas
hidrológicas, flujo de base de los ríos,
interacción entre aguas subterráneas y
ríos/lagos/humedales)
• Temas multisectoriales (gestión de las
IAEA
aguas subterráneas, uso conjuntivo de
aguas superficiales y subterráneas, gestión
de cuencas, sistemas transfronterizos,
zonas costeras, humedales, etc.)
Hidrogeología: herramientas disponibles
• Información hidro(geo)lógica básica (niveles de agua, conductividad
hidráulica, transmisividad, velocidad de los flujos, etc.).
• TRAZADORES DEL AGUA Y DE LOS SOLUTOS
• Química del agua y parámetros físico-químicos
• Sales y gases disueltos (CFCs, SF6, gases nobles)
• Trazadores inyectados artificialmente (colorantes, isótopos,…)
• Isótopos ambientales
• Isótopos estables O-18, C-13, H-2, S-34, Cl-36, …
• Isótopos radioactivos H-3, C-14, Cl-36, Kr-81, …
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Isótopos estables en el ciclo hidrológico
Trazadores ideales del agua:
•
Los contenidos isotópicos de 18O y
2H en el agua cambian durante la
evaporación, condensación, y
transporte de vapor y, por ende,
en cada compartimento del ciclo
hidrológico las aguas adquieren
firmas isotópicas características.
•
Las variaciones sistemáticas en
estos y otros tipos de isótopos en
diferentes parte del ciclo
hidrológico son usadas para trazar
el origen y la dinámica del agua.
IAEA
La desintegración de 14C y otros isótopos
permite la datación del agua subterránea
La edad del agua subterránea que se extrae de
pozos varía desde días hasta cientos de miles de
años, y los isótopos permiten su evaluación.
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Península de Santa Elena, Ecuador. Identificación de zonas de
recarga y edad del agua subterránea
Área con recarga
reciente de los
acuíferos  recursos
hídricos renovables
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Área con aguas
subterráneas con
edades de más de
100 años  recarga
limitada
Santiago de Chile: Los isótopos demuestran ser la única herramienta para
identificar las fuentes de recarga (impacto de las fugas de las redes de agua), sus
patrones de flujo y el transporte de contaminantes
Fuente: Iriarte, S. (2003)
IAEA
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Datación de aguas subterráneas de un millón de años en el
acuífero de Nubia, desierto de Egipto, mediante 36Cl+81Kr
1.0 0.6
0.2 Myr
333±44 kyr
678±75 kyr
212±42 kyr
Uweinat
Uplift
488±45 kyr
391±46 kyr
IAEA
Sturchio et al., Geophys. Res. Lett. (2004)
Bangladesh: datos isotópicos ayudan a
cartografiar agua subterránea sin arsénico
MODELO PREVIO
NUEVO MODEL
Agua subterránea tipos 1 y 2
 Menos de 100 años
Alto contenido de arsénico
Recarga continua
Acuífero 1
70 -100 m
Acuífero 1
50 m
Acuífero 2
Agua subterránea tipo 3
50-150 m
 Unos 3 000 años
 Bajo arsénico
 Sin recarga actual
Acuífero 2
200 - 300 m
Acuífero 3
Agua subterránea tipo 4
 Unos 20 000 años
 Bajo arsénico
 Sin recarga actual
?
Acuífero 3
?
?
IAEA
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Agua para Santa Elena, Ecuador
IAEA
!!! Gracias !!!
IAEA
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