Effects of oil sands bitumen exposure on aquatic ecosystems: an integrated ecotoxicological approach

Abstract

The Athabasca oil sands deposits in northern Alberta, Canada, are a naturally occurring mixture of bitumen, sand, clay and other minerals. Bitumen, which is a heavy and extremely viscous oil, is mined and then subsequently refined to produce gasoline, diesel and other hydrocarbon-based products. Moreover, the naturally occurring Athabasca Oil sands deposits are a source of both physical and chemical stressors to local rivers that flow through the deposit. Physical stress to aquatic biota from natural bitumen results from hillslope erosion processes and slumping of material into the rivers, while chemical stress arises from bitumen-derived contaminants entering the waters. To fully understand the ecological and cumulative effects of oil sands mining activities on aquatic ecosystem water quality and associated biological structure and function, there is a need to evaluate the effects of naturally occurring bitumen in the aquatic environment. Within this, the main objective of this thesis was to evaluate the possible ecotoxicological effects associated with the slumping of river bank material (i.e., oil sands deposit that naturally enters the river systems through fluvial geomorphological processes). For that, a series of inter-related laboratory ecotoxicological assays were conducted using benthic and pelagic aquatic invertebrates exposed to oil sands material collected from four different sources in regional rivers. Organisms were sensitive to the presence of oil sands elutriates, especially to elutriates generated from bitumen material collected in the banks of the Steepbank and Ells river, with effects on the life traits of Daphnia magna, Physa acuta, Vibrio fischeri, and Dugesia tigrina. When bitumen is mixed with sediment, it was also toxic to Chironomus riparius, which responded negatively revealing to be sensitive to bitumen samples with more bitumen content in sediments with a decrease in their body size, a delay on the emergence time, reduced total emergence and a decrease in the weight of imagoes. On a more complex approach, bitumen negatively affected natural communities collected from Rio Mau (Portugal) by reducing the number of Ephemera sp. and Chironomus sp. that feed on fine sediment particles. The use of solid bitumen samples and elutriates from those samples, combined with a suite of representative species and different experiments provides a comprehensive and holistic approach to assess effects of oil sands materials arising from bank erosion-related processes, emphasising the need to discriminate natural processes from mining-related activities of surface and groundwater contamination in oil sands areas.

Os depósitos de oil sands (ou areias petrolíferas) do Atabasca, situados no Norte de Alberta, Canadá, são uma mistura natural de betume, areia, argila e outros minerais. O betume é um tipo de petróleo extremamente viscoso que é extraído e posteriormente tratado para produção de gasolina, gasóleo e outros produtos compostos por hidrocarbonetos. O depósito natural das oil sands do Atabasca é uma fonte de stressores químicos e físicos para os rios da região que desaguam/fluem sobre esses depósitos. O stress físico causado pelo betume nos organismos aquáticos é resultado dos processos de erosão das encostas dos rios, enquanto o stress químico é resultante dos contaminantes derivados do betume que são depositados nos rios através da sua erosão. Para entender os efeitos ecológicos induzidos pela pressão antropogénica da utilização do betume na exploração petrolífera, é necessário identificar e avaliar quais os efeitos adjacentes a uma contaminação natural, originada pela erosão natural do betume. Com isto, o objetivo principal desta tese consistiu em avaliar/analisar os possíveis efeitos ecotoxicológicos associados aos processos de erosão do betume nos rios. Para isso, foram realizados uma série de ensaios ecotoxicológicos, utilizando invertebrados aquáticos bentónicos e pelágicos expostos a betume recolhido das encostas de rios que correm sobre depósitos de betume. Esta exposição foi efetuada de forma direta, misturando o betume no sedimento ou através de elutriados obtidos deste betume. Verificou-se que estes organismos são sensíveis à presença de elutriados de betume recolhido nas encostas dos rios Steepbank e Ells, afetando diversos parâmetros vitais de espécies modelo como o pequeno crustáceo planctónico Daphnia magna, a bactéria Vibrio fischeri, o caracol de água doce Physa acuta e a planária Dugesia tigrina. Quando o betume foi incorporado no sedimento, induziu toxicidade na espécie Chironomus riparius, que respondeu negativamente à sua presença, revelando assim a sua sensibilidade ao betume. Verificaram-se reduções do seu tamanho larvar, aumento do seu tempo à emergência, redução da sua emergência total e uma diminuição de peso dos adultos. Utilizando uma abordagem mais complexa, um ensaio de mesocosmos foi efetuado com uma comunidade natural de invertebrados recolhida no Rio Mau (Portugal). A incorporação do betume no sedimento induziu efeitos negativos e maioritariamente observados na redução da abundância de Ephemera sp. e Chironomus sp que se alimentam essencialmente de partículas finas de sedimento onde o betume está incorporado, levando assim a efeitos tóxicos nos organismos. O uso de amostras de betume e respetivos elutriados, em combinação com o uso de uma série de organismos aquáticos utilizados em diferentes tipos de ensaios, forneceram uma abordagem mais realista e holística, na avaliação dos efeitos dos processos naturais que levam à entrada de betume em rios da área de estudo. Estes resultados enfatizam a necessidade de estudar mais aprofundadamente a influência da entrada do betume nos rios, diferenciando assim, os possíveis efeitos causados por processos naturais e os efeitos causados pela pressão antropogénica.