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Foro Nuclear Asociación de la Prensa de Madrid
Organismo Internacional de Energía Atómica
Los “otros” usos de las técnicas isotópicas y nucleares
Luis J. AraguásSección de Hidrología Isotópica, Departamento de Ciencias y Aplicaciones NuclearesOIEA ,Viena
Madrid, 19 Dic. 2012
RED MUNDIAL DE ISOTOPOS EN LA PRECIPITACION (1961-2010)
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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.
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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, etc.) e 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.
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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
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Uso de isótopos estables y radioactivos naturales
n
3He 4He
1H
15N
11B10B
18O
6Li
14N
17O
12C
9Be
2H
7Li
3H
10Be
13C
16O
N (número de neutrones)
Z (número de protones)
14C
Isótopos:Mismo número atómico, pero diferente masa (neutrones y protones)
Patrones isotópicos de hidrógeno y oxígeno
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Oxígeno
H2O
16O
18O
Hidrógeno
3H - Tritio2H - Deuterio1H
18O16O
2H1H
Isótopos como trazadores naturales: caso del agua (origen y edad)
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Aportaciones prácticas y cotidianas de las “otras” aplicaciones nucleares e isotópicas
Lucha contra la epidemia global de cáncer
Contribución a la seguridad alimentaria y al desarrollo
agrícola sostenible
Mejora en el diagnostico y
tratamiento de las enfermedades
Estudio y protección del
medio ambiente
Evaluación de recursos hídricos
marinos y terrestres.
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
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Técnicas nucleares en la alimentación y la agricultura
Técnicas nucleares
Control de plagas de insectos
mediante técnicas de esterilización de insectos
Genética y cultivo de plantas
mediante técnicas de mutación
Salud y producción animal
mediante RIA, ELISA, PCR, etc.
Gestión de agua, suelo y nutrientes
mediante técnicas nucleares y de isótopos ambientales
Protección ambiental y alimentaria
mediante técnicas de irradiación y radio analíticas
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Radiación gamma
1A. Control de plagas de insectos mediante la técnica del insecto estéril (SIT)
Esteril
EsterilSilvestre
Uso activo en todos los continentes: erradicación de la mosca tse-tsé, moscas de la fruta (impacto en la exportación)
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1B Genética y cultivo de plantas: Mejora de cultivos mediante técnicas de mutación inducida
• Incremento de la tasa de mutación natural en organismos vivos.
• 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.
Variedad mutante
No hay mutación
Mutación negativa
- Mejor rendimiento- Resistencia a
enfermedades/plagas- Mejor adaptación- Más nutritiva
Cereales 1206
Flores 454
Legumbres 203
Oleaginosas 198
Otros 611
Fuente: FAO/IAEA Mutant Varieties Database
Impacto se mide en millones de ha. y en millones de EUR
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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.
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1D. Mejor gestión conjunta suelo-agua-planta
• 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.
14N
32P
15N31P
14N
13CO2
12CO2
13C
12C
18O 16O
31P
32P
13CO2
12CO2
16O
18O
Impacto: Optimizar el uso de agua y fertilizantes para mitigar la contaminación de las aguas subterráneas
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1E. Mejora de la salud y producción animal
• Diagnóstico de enfermedades mediante herramientas moleculares (PCR-ELISA- Reacción en cadena de la polimerasa - Ensayo por inmuno-absorción 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.
Técnicas
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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
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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
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Preservación de la herencia cultural
Muchas obras en museos, archivos, bibliotecasson 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 lacapacidad de producir iones o radicales altamentereactivos que inactivan los microrganismos de una formasimple y eficiente.
• Restauración – La radiación de alta energía puedeutilizarse para polimerizar in-situ resinas orgánicas en losporos de la madera y restaurar así artefactos muydegradados, especialmente de madera o de materialesporosos.
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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 costerasdebido a los nutrientes aportados por la descarga submarina de aguas subterráneas.
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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
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5. Evaluación de los recursos hídricos
Las técnicas basadas en el uso de isótopos ambientalespresentes en el agua y en las sustancias disueltas proporcionan información única sobre el origen, flujos y la historia de los cuerpos de agua.
Mapa de carbono-14 en aguas subterráneas
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).
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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 aguas subterráneas, uso conjuntivo de aguas superficiales y subterráneas, gestión de cuencas, sistemas transfronterizos, zonas costeras, humedales, etc.)
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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
• 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.
Trazadores ideales del agua:
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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
Área con aguas subterráneas con edades de más de 100 años recarga limitada
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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)
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Datación de aguas subterráneas de un millón de años en el acuífero de Nubia, desierto de Egipto, mediante 36Cl+81Kr
Sturchio et al., Geophys. Res. Lett. (2004)
Uweinat Uplift
333±44 kyr
212±42 kyr
391±46 kyr
488±45 kyr
678±75 kyr
0.60.21.0 Myr
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Agua subterránea tipos 1 y 2Agua subterránea tipos 1 y 2
Agua subterránea tipo 3Agua subterránea tipo 3
Agua subterránea tipo 4Agua subterránea tipo 4
Menos de 100 añosAlto contenido de arsénicoRecarga continua
Menos de 100 añosAlto contenido de arsénicoRecarga continua
Unos 3 000 años Bajo arsénico Sin recarga actual
Unos 3 000 años Bajo arsénico Sin recarga actual
Unos 20 000 años Bajo arsénico Sin recarga actual
Unos 20 000 años Bajo arsénico Sin recarga actual
Acuífero 1
Acuífero 2
Acuífero 3
70 -100 m
200 - 300 m
???
50 m
50-150 m
NUEVO MODEL MODELO PREVIO
Bangladesh: datos isotópicos ayudan a cartografiar agua subterránea sin arsénico
Acuífero 1
Acuífero 2
Acuífero 3
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Agua para Santa Elena, Ecuador
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!!! Gracias !!!