Functional and ecotoxicological soil regeneration in abandoned metal(loid) mine tailings from semiarid Mediterranean environments spontaneously colonized by vegetation
[SPA] La minería metálica es una de las actividades más perjudiciales para el medio ambiente a nivel mundial, entre otros motivos debido a la alta cantidad de residuos potencialmente peligrosos con elevada concentración de metales y metaloides (elementos potencialmente tóxicos, PTEs) que produce. Además, las excavaciones y movimientos de tierra pueden llevar a la destrucción completa de las áreas afectadas y sus alrededores. Los depósitos de almacenamiento de residuos (grandes pilas al aire libre que almacenan residuos fangosos procedentes de lavaderos de mineral) son especialmente preocupantes, ya que presentan las mayores concentraciones de PTEs y muchas veces se abandonan in situ tras el cese de la actividad minera sin ninguna medida de restauración. Los suelos de los depósitos mineros se forman a partir de los residuos que éstos almacenan. Aparte de presentar niveles extremadamente altos de PTEs, se caracterizan generalmente por una alta salinidad, valores extremos de pH (de ácido a alcalino), baja disponibilidad de materia orgánica y nutrientes, y falta de estructura edáfica que conduce a una escasa capacidad de retención de agua y de aireación. Entre otras cosas, esto dificulta el crecimiento de la vegetación provocando que muchas veces la superficie de los depósitos permanezca desnuda, favoreciendo la propagación de PTEs a las áreas adyacentes. Las condiciones hostiles impuestas por los residuos mineros no sólo obstaculizan la colonización de las plantas sino también la biodiversidad del suelo, lo que a menudo da lugar a escasa actividad biológica en los suelos de los depósitos. Son suelos con baja capacidad para albergar organismos vivos y, por consiguiente, para desarrollar procesos biológicos. Esto provoca que la funcionalidad de los suelos de los depósitos mineros sea muy limitada, así como su capacidad para proporcionar servicios ecosistémicos. Las técnicas convencionales de remediación de depósitos mineros se basan en soluciones de ingeniería tales como operaciones de remoción y/o aislamiento in situ mediante sellado y plantación. Sin embargo, estas opciones son generalmente costosas y/o técnicamente difíciles de implementar y eso dificulta su implantación. Otras opciones, que pueden ser complementarias a las técnicas de ingeniería, son las técnicas de fitomanejo. El fitomanejo comprende un conjunto de alternativas más baratas y respetuosas con el medio ambiente que buscan manejar el sistema suelo-planta mediante el uso de enmiendas de suelo y/o la introducción de especies de plantas tolerantes a las condiciones extremas de estos ambientes, para controlar la dispersión de PTEs. Dentro del fitomanejo, la fitoestabilización tiene como objetivo reducir la movilidad de los PTEs y/o su (bio)disponibilidad a través de la absorción y/o fijación en las raíces, y/o la inmovilización en el suelo por fenómenos como la precipitación, adsorción, oxidación, reducción, para evitar su entrada en la cadena trófica, así como su migración a las aguas subterráneas. Un proceso que puede ayudar a implementar las técnicas de fitoestabilización es la denominada restauración pasiva, que se basa en la capacidad de las plantas nativas para colonizar y crecer espontáneamente en lugares perturbados. Este fenómeno conduce a la formación de parches de vegetación (llamados a veces islas de fertilidad) cuyos suelos suelen mostrar un mayor contenido de C y N orgánicos y una mayor actividad microbiana que las áreas desnudas adyacentes. Esto es particularmente interesante cuando los depósitos mineros están ubicados en mitad de áreas naturales (por ejemplo, zonas boscosas) rodeados de vegetación que puede esparcir propágulos y semillas que alcanzan con facilidad los depósitos abandonados. En este sentido, favorecer el establecimiento de especies nativas en los depósitos ayuda a crear puntos de nucleación en éstos y a desencadenar la expansión de la vegetación en su superficie. Entre otros, este proceso podría verse favorecido por la adición de enmiendas orgánicas al suelo, como biochar y residuos sólidos urbanos (RSU), que inmovilicen los metal(oid)es y mejoren las condiciones de los suelos. El objetivo general de la Tesis Doctoral fue profundizar en el conocimiento de los aspectos físicos, fisicoquímicos, funcionales y ecotoxicológicos en suelos de depósitos abandonados de minería metálica de ambientes semiáridos Mediterráneos y su relación con la colonización vegetal espontánea, y valorar si la adición de enmiendas orgánicas contribuye a mejorar estos ecosistemas al promover la recuperación de la funcionalidad del suelo y desencadenar la colonización espontánea de la vegetación. Para lograr este objetivo general, se plantearon tres objetivos específicos: 1. Evaluar en qué grado pueden modificarse las condiciones del suelo tras la colonización espontánea de la vegetación en depósitos abandonados de minería metálica, y aportar evidencias sobre el interés de esta colonización para el fitomanejo de estos depósitos. 2. Evaluar en qué medida la colonización vegetal espontánea de depósitos abandonados de minería metálica da lugar a una mejora funcional del suelo e identificar, si es posible, un nivel crítico que indique que esta funcionalidad se aproxima a la de los suelos naturales con vegetación de las áreas circundantes. 3. Evaluar la eficacia de una enmienda orgánica compuesta por biochar (procedente de podas de árboles) y compost de RSU para mejorar las condiciones de suelos ácidos sin cubierta vegetal en depósitos de residuos mineros y valorar si los efectos de dicha enmienda persisten estacionalmente durante un año y favorecen la colonización vegetal espontánea. El área de estudio seleccionada fue el antiguo distrito minero de Cartagena-La Unión (≈50 km2; Región de Murcia, SE España), cuya actividad finalizó en 1991. La zona presenta un clima semiárido Mediterráneo (precipitación media anual ≈200-300 mm, temperatura media anual ≈17 °C, y tasa media anual de evapotranspiración ≈850 mm). La vegetación natural está constituida principalmente por arbustos xerófilos mediterráneos y bosques de pino carrasco (Pinus halepensis). Los principales metales extraídos en la zona fueron Fe, Pb y Zn, obtenidos de minerales como carbonatos, sulfuros y sulfatos. En la actualidad, permanecen en la zona 89 depósitos mineros abandonados, la mayoría de ellos sin ningún tipo de intervención de restauración. El estudio se llevó a cabo en dos de estos depósitos, separados por una distancia de ≈2000 m y construidos a mediados de los años 60 para almacenar los residuos de las minas de galena (PbS), y en las áreas forestales circundantes. Ambos depósitos (ubicados a ≈170-200 m sobre el nivel del mar y situados en pequeños valles de orientación NW a SE) fueron abandonados hace ≈40 años y han sido parcialmente colonizados por la vegetación nativa formando parches irregulares que cubren entre ≈20% y ≈50% de las superficies. A finales de abril-inicios mayo de 2017 se seleccionaron seis ambientes diferentes para el estudio, estableciendo cuatro parcelas de muestreo de 2 m x 2 m en cada uno de ellos: A) Dentro de los depósitos mineros. 1. Suelos desnudos (B); 2. Parches con pequeños grupos de árboles de P. halepensis creciendo dispersos de ≈2,5-5 m de alto (P); 3. Parches formados por árboles aislados de P. halepensis creciendo dispersos de >≈4-5 m de alto arbustos y hierbas bajo su copa (P+S); 4. Parches densos que incluyen varios árboles de P. halepensis de >≈4-5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (DP+S). B) Fuera de los depósitos mineros. 5. Bosque situado junto a los depósitos mineros con árboles de P. halepensis de >≈5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (FN); 6. Bosque situado lejos de los depósitos mineros (≈1600-1800 m) con árboles de P. halepensis de >≈5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (FA). Además, en los suelos desnudos dentro de los depósitos se establecieron cuatro parcelas adicionales para un experimento de adición de enmiendas al suelo (AB). Los resultados de la Tesis Doctoral se presentan en tres capítulos: Capítulo 5. Incluye el trabajo planificado para responder al primer objetivo específico, basado en una campaña de trabajo de campo realizada en el verano de 2017. Se evaluaron un conjunto de indicadores del suelo (físicos, fisicoquímicos y biológicos) en condiciones de campo y laboratorio en los ambientes B, P, P+S, DP+S, FN y FA. Los resultados evidencian el interés de la colonización espontánea por parte de la vegetación nativa para el fitomanejo de depósitos de minería metálica, en términos de proporcionar funcionalidad al ecosistema. En los parches de vegetación dentro de los depósitos se encontraron especies de plantas pioneras y nodrizas (favorecedoras de la sucesión vegetal) y los índices ecológicos de vegetación en P+S y DP+S fueron similares a FN y FA. En los suelos de los parches se encontraron evidencias de pedogénesis, como el desarrollo de estructura edáfica y el aumento de la capacidad de intercambio catiónico y el C y N orgánicos, siguiendo un patrón de aumento/mejora B-P-P+S-DP+S. Sin embargo, los contenidos de metal(oid)es del suelo no siguieron el mismo patrón de variación. Por ejemplo (en mg kg-1): P mostró el valor máximo de Cu (≈277) y Zn (≈17860) totales, mientras que P+S de As (≈1250) y Pb (≈14570) totales. B tuvo el máximo de Pb (≈4) y Zn (≈207) solubles en agua, mientras que FA de As (≈0,192) y Cu (≈0,149). El C de la biomasa microbiana del suelo, la actividad enzimática, la respiración de suelo (emisión de CO2), la descomposición de la materia orgánica y la actividad alimentaria de los invertebrados edáficos indicaron una actividad biológica similar o incluso superior en P+S y DP+S que en FN y FA. De hecho, FA mostró alto riesgo de ecotoxicidad del suelo (reproducción reducida del invertebrado Enchytraeus crypticus), atribuible a las altas concentraciones de As soluble en agua. Por lo tanto, de estos resultados se deduce que la vegetación que coloniza espontáneamente los depósitos de residuos mineros puede modificar eficazmente sus suelos, que adquieren la capacidad de proporcionar ciertas funciones del ecosistema. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Álvarez-Rogel, J., Peñalver-Alcalá, A., Jiménez-Cárceles, F.J., Tercero, M.C., González-Alcaraz, M.N. 2021. Evidence supporting the value of spontaneous vegetation for phytomanagement of soil ecosystem functions in abandoned metal(loid) mine tailings. Catena 201, 105191; doi: https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105191. Capítulo 6. Este capítulo incluye el trabajo planificado para responder al segundo objetivo específico, basado en una campaña de trabajo de campo realizada en la primavera de 2018. Se estudiaron los índices ecológicos de la vegetación, las formas de vida de las plantas y los roles funcionales de éstas, junto con parámetros fisicoquímicos y funcionales de los suelos, en los ambientes B, P, P+S, DP+S, FN y FA. Los parches de vegetación solo mostraron pequeñas diferencias en los parámetros fisicoquímicos relacionados con las condiciones de estrés abiótico del suelo (pH, salinidad y metales), independientemente de la vegetación. Sin embargo, parches de vegetación con mayor diversidad y riqueza de especies y presencia de plantas con mayor contraste de formas de vida y rasgos funcionales más diversos que facilitan el crecimiento de especies menos tolerantes al estrés, mostraron un aumento de la funcionalidad microbiana del suelo (mayor C de la biomasa microbiana, actividad β-glucosidasa, actividad metabólica bacteriana y diversidad funcional). Además, estos parches de vegetación mostraron un estado funcional del suelo comparable al de los bosques fuera de los depósitos mineros. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Peñalver-Alcalá, A., Álvarez-Rogel, J., Peixoto, S., Silva, I., Silva, A.R.R., González-Alcaraz, M.N. 2021. The relationships between functional and physicochemical soil parameters in metal(loid) mine tailings from Mediterranean semiarid areas support the value of spontaneous vegetation colonization for phytomanagement. Ecological Engineering 168: 106293; doi: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106293. Capítulo 7. Este capítulo incluye el trabajo planificado para responder al tercer objetivo específico. En abril de 2017 se aplicó una enmienda orgánica consistente en una mezcla de 3:1 de biochar y RSU compostado (dosis de 3% peso seco) a suelos ácidos (pH ≈5,5) sin vegetación de uno de los depósitos mineros. Las concentraciones de metal(oid)es totales en los suelos enmendados fueron (en mg kg-1): As ≈220, Cd ≈40, Mn ≈1800, Pb ≈5300 y Zn ≈8600. Dos meses después de la adición de la enmienda ya se observaron mejoras en las propiedades químicas y fisicoquímicas de los suelos (reducción de la acidez, salinidad y metales solubles en agua y aumento del contenido de C orgánico y nutrientes), que resultó en una reducción de la ecotoxicidad para el invertebrado edáfico Enchytraeus crypticus. El C orgánico recalcitrante proporcionado por el biochar permaneció en el suelo, mientras que los compuestos orgánicos lábiles proporcionados por el RSU se consumieron con el tiempo. Estas mejoras fueron consistentes durante al menos un año y condujeron a una menor densidad aparente, mayor capacidad de retención de agua y mayores niveles para los parámetros microbianos y relacionados con funcionalidad (C de la biomasa microbiana, actividad microbiana catabólica y emisión de CO2) en el suelo enmendado del depósito. El crecimiento espontáneo de la vegetación nativa se favoreció con la adición de enmiendas, pero fue necesario un periodo de tres años para que las plantas colonizadoras persistieran y alcanzaran tamaño adulto. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Peñalver-Alcalá, A., Álvarez-Rogel, J., Conesa, H.M., González-Alcaraz, M.N. 2021. Biochar and urban solid refuse ameliorate the inhospitality of acidic mine tailings and foster effective spontaneous plant colonization under semiarid climate. Journal of Environmental Management 292: 112824; https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112824. Las conclusiones generales de la Tesis Doctoral son tres: 1) La colonización vegetal espontánea de depósitos abandonados de minera metálica de zonas semiáridas Mediterráneas induce mejora de las condiciones físicas, fisicoquímicas, funcionales y ecotoxicológicas del suelo, independientemente de los niveles de meta(oid)es totales. 2) La riqueza y diversidad de especies vegetales con formas de vida diferentes y rasgos funcionales distintos parecen ser factores clave para lograr una mejora funcional efectiva del suelo en los parches de vegetación de depósitos mineros espontáneamente colonizados. 3) La combinación de biochar de podas de árboles y RSU compostado es, en general, una enmienda adecuada para mejorar los suelos ácidos de depósitos de residuos mineros, promoviendo su recuperación funcional y desencadenando la colonización espontánea de la vegetación.
Bioquímica de suelos, Biología de suelos, Microbiología de suelos, Química de suelos, Mine wastes, Phytomanagement, Organic amendments, Ecotoxicity
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