Bioaccumulation of radioactive cesium (137Cs) by sunflower cultivation project

Weeraphan Sridokchan (Ph.D.) Department of Agronomy

Faculty of Agriculture at KPS

2

Phyto = plant

Remediate = restoring balance  / neutralize the  contaminants

Phytoremediation is the use of plants to remove or neutralize contaminants, as in polluted soil orwater.

What is a phytoremediation?

3

Pollution

The contamination of air, water, or soil by substances that are harmful to living organisms

Toxic / hazardous  substances  (Inorganic / organic)1. Heavy metal such as Pb, Cd, Hg2. Toxic element  such as  Arsenic (As)3. Organic toxic compound such as 

polyaromatichydrocarbon (PAH), organotin, etc.4. Radioactive compound such as 238U, 137Cs, etc.

4

Major sources of soil pollution

Human made sourceDomestic waste ‐ Hazardous waste Industrial waste ‐ Radioactive waste Agriculture waste ‐ Infectious waste

5

Radioactive The element that has unstable isotope (release proton and electron all the time) therefore its mass is reduce continuously (change to another element)

Haft life = a time that each radioactive element reduce its biomass to 50%

618/01/62 ดร. วรีะพนัธุ์ สรีดอกจนัทร์

7

Cesium (Cs)

Cesium (Cs),  normal isotope is 133 and belonging to Gr1 earth element very safety for living organism.

Iodine ( I ), normal isotope is 129 and belonging to Gr7 in periodic table.

Radioactive 137Cs and 131I are rare elements in the nature but their occur as the intermediate element in nuclear fission reactor. 

8

Chain reaction

9

Nuclear Power Plant: cooling system

10

Nuclear power plant exploration

Very rare event !!2 times ‐ Chernobyl Nuclear Power Plant,  1986

U, Po, Cs and I‐ Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, 2011  Cs and I

Source://en.wikipedia.org

11

Haft life of radioactive element

131I is 8 days 

137Cs is 30 years, most contaminated in soil and water

238U is 4.47 billion years

239Po is 24,000 years  

12

Sunflower Vs radioactive element

After nuclear power plant in Chernobyl explosive, scientist found 60 plant sp. can tolerate and grow in the high radioactive contaminated area (Anspaugh et al., 1988 ).

Only sunflower can accumulate high concentration of radioactive Cs in its above ground part (stem and leaf).

13

Sunflower that grow on floating material can reduce the concentration of U up to 95% in stream water in Chernobyl’s contaminated area

The U concentration was reduce from 350 ppb to 5 ppb (the accepted level in ground water) (Anspaugh et al., 1988)

14

Type of phytoremediation

1. Phytodegradation2. Phytoextraction (or phytoaccumulation)

3. Phytostabilization4. Phytofiltration (wetlands)5. Phytovolatilization

15

Phytoremediation

16

Phytoextraction

Using the plant that can uptake and accumulate the toxic element in high concentration in its  above ground biomass without toxicity to plant

Suitable for inorganic element such as heavy metal (lead cadmium mercury) and toxic element (arsenic) and radioactive element (137Cs)

17

Plant response mechanism on metals

A: accumulator

B: IndicatorC: Excluder

18

Post harvest for hyperaccumulating plant

The harvested part should rich in accumulated contaminant and easy to harvest. 

After harvest, have to reduce its volume by drying,

ashing or composing (depend on the type of toxic substance). 

In case of bio‐radioactive, the decomposing by anaerobic bacteria is recommended to use.

19

Post harvest: reduce the volume by ashing or burning

The nickel hyperaccumulator Berkheya coddii native to South Africa.

19

High quality of nickel metal from phytoextraction technique

(Phytomining)

20

The advantage of sunflower for phytoremediation

High above ground biomass (when compare with the other hyperaccumulating plant)

Fast growing and short life span (60 days/ harvest) can grow 2 cycles per year in Sendai, Japan

Easy to grow and drought tolerant

Recreation area (people mind)

21

Soil condition for Cs phytoaccumulation

Cs is not a plant essential element, in case of high Ca concentration in soil, the Cs uptake by sunflower will extremely decrease (Massas et al., 2010 ).

Therefore the soil survey of Cs, Ca concentration and soil property before starting the Cs phytoremediation project in contaminated area is very important. 

22

Cs phytoaccumulation project Cooperation between Department of Agronomy, KPS campus and Fujitsu company group (Thailand) 

Activity plan (phase I) October – December 2011 : grow and collect the sunflower seed in KU (KPS campus) 

Send the seed to Tokyo University of Agriculture and Technology, Japan (coordinator) in February 2012

23

Activity plan (phase II)

May 2012: grow sunflower in Fukushima daiiji nuclear power plant area 

24

Soil preparation (Oct 1-3, 2011)

25

Nov 5, 2011: first fertilizer application

26

Nov 5, 2011  (21 days after planting, DAP) 

27

Nov 17, 2011  (33 DAP)

Activity during Kaset Fair ’11  (50 DAP) 

28

29

Sunflower field

Seed development  (65 DAP) 

30

Seed collection (75‐80 DAP)

31

Bioaccumulation of radioactive cesium (137 Cs)

by sunflower cultivation project

December 2, 2011at Kasetsart University Kamphaeng Saen campus

33

บทความที่ลงหนงัสือพิมพ ์ เดลินิวส์ออนไลน์ ;

วนัพธุ ที่ 04 พฤษภาคม 2554

http://www.eastasiawatch.in.th/downloads/files/sunflower%20vs%20nuke.pdf

34

Royal projectโครงการพระราชดําริ ที่แหลมผกัเบีย้