Los “otros” usos de las técnicas isotópicas y nucleares · 2012-12-12 2 IAEA Unas palabras sobre el OIEA El OIEA es un organismo de las Naciones Unidas cuya labor se centra

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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 !!!