Efectos de la rizosfera y de las enmiendas orgánicas en la fitorecuperación de suelos contaminados con elementos traza
- Autores: María del Mar Montiel Rozas
- Directores de la Tesis: Engracia María Madejón Rodríguez (dir. tes.), P. Madejón (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Número de páginas: 154
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Elena Fernández Boy (presid.), Héctor Miguel Conesa Alcaraz (secret.), Emilio Benítez León (voc.), Giancarlo Renella (voc.), Teodoro Marañón Arana (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
- español
Actualmente, la degradación de los suelos es uno de los problemas ambientales de mayor importancia a nivel global. Desde un punto de vista antropogénico, los suelos además de actuar como soporte físico proveen de servicios ecosistémicos, entre los que destaca la producción de alimentos. Los cambios en sus condiciones físicas, químicas y biológicas, resultado de la actividad humana, provocan su degradación y, consecuentemente, la degradación de los organismos asociados como las comunidades vegetales y microbiológicas. Esta degradación conlleva una alteración de la funcionalidad del ecosistema repercutiendo finalmente, directa o indirectamente, sobre la salud humana. Por todo ello el mantenimiento y la recuperación de la calidad del suelo es fundamental.
Los trabajos que componen la presente Tesis doctoral se centran en el estudio de diversos factores relevantes en la recuperación de suelos contaminados por elementos traza. Este tipo de suelos se consideran un importante problema ambiental debido a los altos niveles de elementos traza que presentan y que por tanto pueden entrar en la cadena trófica. De entre las distintas técnicas para la recuperación de suelos contaminados destaca, desde el punto de vista medioambiental, la fitorecuperación, que engloba varias técnicas sostenibles. Entre ellas, la fitoestabilización implica la estabilización de los contaminantes a nivel radicular mediante el uso de plantas y de enmiendas.
En esta Tesis se evalúa el efecto de 3 enmiendas orgánicas (compost de biosólidos, compost de alperujo y leonardita) y de distintas especies vegetales potencialmente fitoestabilizadoras sobre la dinámica de los elementos traza en la interfase suelo-planta, centrándose en algunos de los procesos que se producen a nivel de rizosfera. Para ello se han llevado a cabo experimentos tanto a nivel de microcosmos como a nivel de campo. Los suelos de estudio se sitúan en el Corredor Verde del Guadiamar (Sevilla), afectado por el vertido de residuos mineros procedente de la rotura de la balsa de decantación de Aznalcóllar, y en una zona con contaminación crónica por elementos traza cercana a la explotación minera de Tharsis (Huelva).
En primer lugar, se evaluó la capacidad de tres especies vegetales ruderales (Poa annua, Medicago polymorpha y Malva sylvestris) para estabilizar elementos traza en el suelo minero de Tharsis y mejorar su calidad. Asimismo, se estudió el efecto de los compost añadidos al suelo. La adición de compost incrementó el pH, el carbono hidrosoluble y la producción de biomasa vegetal. En general, la acumulación de elementos traza en las tres especies vegetales estudiadas estuvo dentro de los intervalos normales en plantas. Las mayores concentraciones de As y Pb se encontraron en P. annua mientras que M. sylvestris fue la que acumuló mayor concentración de Mn y Zn. Salvo alguna excepción, el factor de bioconcentración fue menor que 1 (indicando la idoneidad de estas especies para la fitoestabilización). Entre las especies estudiadas, M. polymorpha fue la que reunió las características más adecuadas para promover la estabilización de elementos traza en la rizosfera y mejorar la calidad del suelo.
En segundo lugar, se estudió la exudación de ácidos orgánicos de bajo peso molecular de las tres especies analizadas anteriormente bajo diferentes niveles de Cd, Cu y Zn. Tanto la cantidad como la composición de los exudados variaron según el medio de crecimiento (arena lavada / suelos contaminados), el nivel de contaminación, el contenido en materia orgánica y la especie vegetal. Los ácidos más abundantes fueron el ácido oxálico y el málico, seguidos del cítrico y el fumárico. En general, el aumento de concentración de metales pesados en el medio estuvo relacionado con una mayor concentración de ácidos orgánicos. En los suelos con mayor contenido de materia orgánica se observó una reducción de la cantidad de exudados y de la composición de los mismos, estando compuestos únicamente por ácido oxálico (exceptuando M. polymorpha).
En tercer lugar, se identificaron los ecotipos de hongos micorrícicos arbusculares presentes en las tres especies vegetales bajo las mismas condiciones experimentales en los suelos en los que se midió la exudación de ácidos orgánicos. El diferente contenido de materia orgánica, fósforo y elementos traza de los suelos permitió evaluar el cambio en la comunidad fúngica acorde a las condiciones del suelo. La adición de ambas enmiendas (materia orgánica exógena) no afectó a la comunidad endomicorrícica. Sin embargo, el contenido en materia orgánica nativa del suelo fue, junto al contenido en elementos traza, el factor que influyó en mayor medida en la comunidad fúngica. El incremento de la calidad del suelo (es decir, un mayor contenido en materia orgánica y una menor concentración de Cd, Cu y Zn) se tradujo en la disminución de la abundancia de Glomeraceae y en un aumento de la abundancia de Claroideoglomeraceae en la comunidad.
Paralelamente a los experimentos en microcosmos, se analizó la diversidad filogenética de las comunidades de hongos micorrícicos arbusculares presentes en suelos enmendados en la parcela “El Vicario” (situada en el Corredor Verde). El proceso de restauración en esta parcela comenzó en 2002 por lo que se evaluó el efecto a largo plazo del compost de biosólidos y de la leonardita sobre estos microorganismos bioindicadores. Además, se identificaron los ecotipos presentes y los cambios de la comunidad en función de las condiciones del suelo. Entre las variables del suelo, la concentración de elementos traza fue el factor que afectó en mayor medida a la composición de la comunidad fúngica. El filtro ambiental causado por este factor se redujo principalmente por la adición de compost de biosólidos, encontrándose en estas parcelas la comunidad más diversa.
Finalmente, se evaluó si la aplicación de enmiendas orgánicas para la restauración de un suelo degradado (“El Vicario”) podía implicar, además de la mejora física-química del suelo, que éste actuara como un sumidero de C. Los resultados de este estudio mostraron que ambas enmiendas (compost de biosólidos y leonardita) modificaron la composición molecular de la materia orgánica del suelo promoviendo la retención de C. Entre ambas, la opción más adecuada para el secuestro de C a largo plazo en el suelo es la leonardita debido a su composición molecular rica en compuestos aromáticos y derivados de la lignina, relativamente estables.
- English
Nowadays, soil degradation is one of the most important global environmental problems. From an anthropogenic point of view, soils act as physical support and provide different ecosystem services (e.g. the food supply). Changes on soil physical, chemical and biological conditions due to human activity cause soil degradation and, consequently, damage the associated organisms such as plants and microbiological communities. Soil degradation alters ecosystem function and affects, directly or indirectly, human health; therefore, it is crucial to maintain and improve soil quality.
The experiments carried out in this Thesis are focused on the analysis of several factors affecting the remediation of trace element contaminated soils. These soils constitute an important environmental problem due the possible entrance of trace elements into the food chain. From the environmental point of view, among the different techniques for the remediation of contaminated soils, highlights phytostabilization that is a sustainable technique that involves stabilization of contaminants at root level by using plants and amendments.
This Thesis evaluates the effect of three organic amendments (biosolid compost, alperujo compost and leonardite) and different plant species with potential phytostabilizer ability on trace elements dynamics in the soil-plant interface, focusing on some of the rhizosphere processes. The results are based on field and microcosms experiments. The studied soils are located in the Green Corridor of Guadiamar (Sevilla), affected by the spill of the Aznalcóllar mine, and in Tharsis (Huelva), an area presenting chronic contamination by trace elements.
Firstly, the ability of three ruderal plant species (Poa annua, Medicago polymorpha and Malva sylvestris) to stabilize trace elements in Tharsis soil and to improve its quality was evaluated. Likewise, the effect of alperujo and biosolid composts on soil properties was also studied. Amendment addition increased pH, water-soluble carbon and plant biomass. In general, trace element accumulation in the studied plants was within normal ranges. Higher As and Pb concentrations were found in P. annua whereas M. sylvestris accumulated the highest concentration of Mn and Zn. With some exception, bioconcentration factor was lower than 1 (indicating the suitability of these species for phytostabilisation). Among the studied plant species, M. polymorpha showed the best characteristics to promote the trace element stabilization in the rhizosphere and improve soil quality.
Moreover, the exudation of low molecular weight organic acids by the mentioned plant species was analysed under different Cd, Cu and Zn concentrations. Both amount and composition of exudates varied according to the growing media (washed sand/ contaminated soils), contamination level, organic matter content and plant species. Oxalic and malic were the main acids in the exudates and, in a lesser concentration citric and fumaric acids were also identified. In general, the increase of heavy metal concentrations in the media was related to a higher organic acid concentration in the rhizosphere. A decrease of exudates and a modification of their composition (being composed solely of oxalic acid excepting M.polymorpha) were observed in soils with the highest organic matter content.
In addition, with the same plant species and experimental soil conditions of the organic acids exudation experiment, the arbuscular mycorrhizal fungi ecotypes were identified. The different organic matter content, phosphorus and trace elements in the studied soils were keys to evaluate the shift in the fungal community according to the soil conditions. The addition of both amendments (exogenous organic matter) did not affect the arbuscular mycorrhizal fungal community. However, native soil organic matter content was, besides the trace element contents, the most influential factor on fungal community. With an increase in soil quality (i.e., higher organic matter content and lower Cd, Cu and Zn concentration), a decrease of Glomeraceae abundance and an increase of Claroideoglomeraceae occurred.
While simultaneously carrying out the microcosm experiments, the phylogenetic diversity of arbuscular mycorrhizal fungal communities in amended soils of “El Vicario” plot (located in the Green Corridor) was analysed. The restoration process began in 2002 allowing the evaluation of the long-term effect of biosolid compost and leonardite on these communities. In addition, the ecotypes and community shifts were related to the soil conditions. Among soil variables, trace elements concentration was the most relevant factor affecting the composition of the fungal community. Environmental filtering caused by this factor was reduced mainly by the biosolid compost addition, and in the plots amended with this compost the most diverse community was found.
Finally, the effect of organic amendment applications on the increment of C sink in the Vicario plot was studied. Results showed that both amendments (biosolid compost and leonardite) modified the molecular composition of soil organic matter promoting the C sequestration. Between both, leonardite was the most suitable option for long-term C sequestration in the soil due to its molecular composition rich in aromatics and lignin-derived compounds, with a very slow turnover and low mineralization rate.
- español
