Ecotoxicity Assessment of soils: a case study from Mina de Jales

Abstract

Actualmente, a poluição dos solos é considerada um problema ambiental, podendo ser o pilar inicial da transferência de compostos químicos numa cadeia alimentar, através da assimilação de contaminantes pelas plantas, ou podendo também levar à contaminação de águas subterrâneas. A análise química de um solo não é considerada suficiente na avaliação da toxicidade de solos, porque a biodisponibilidade de diversos xenobióticos depende de diversos factores, nomeadamente das características físicoquímicas do solo (e.g. pH, matéria orgânica, presença de catiões). Por estas razões, os bioensaios são provavelmente as ferramentas indicadas para avaliar a toxicidade da fracção biodisponível de compostos químicos dos solos. Neste estudo foram desenvolvidos diversos ensaios ecotoxicológicos, utilizando organismos-teste edáficos (plantas e invertebrados) e aquáticos (cladóceros e bactérias), na avaliação do potencial tóxico de dois solos de uma mina abandonada, Mina de Jales, localizada a nordeste de Portugal. Estes solos apresentavam níveis distintos de metais pesados: o solo JNC apresentava um baixo teor em metais pesados, enquanto o solo JC apresenta uma elevada quantidade de metais pesados. Para além destes testes foram utilizados ensaios microbianos, através da medição da actividade enzimática dos solos. Estes ensaios foram utilizados em vários tempos de amostragem, coincidindo com diferentes estágios do processo de reabilitação da mina, que foi iniciado nos finais de 2002. Com os dados obtidos dos ensaios enzimáticos, foi derivado um Índice de Qualidade dos Solos (IQS). Este índice revelou que o solo JNC tem uma baixa qualidade, quando comparado com o solo JC, cujo índice chegou a níveis próximos dos apresentados por solos nativos. Utilizando organismos edáficos, foi obtido um padrão de toxicidade semelhante. No ensaio de emergência e crescimento com a espécie de nabo Brassica rapa (RCBr), observou-se uma diminuição no crescimento e peso das plantas expostas ao solo JNC, coincidente com uma resposta bioquímica de stress oxidativo. Nos ensaios de resposta de evitamento, o isópode terrestre Porcellionides pruinosus evitou o solo JNC, enquanto na exposição ao solo JC este organismo não demonstrou qualquer tipo de preferência. Por outro lado, o ensaio de emergência e crescimento com a aveia (Avena sativa), o ensaio de reprodução com o colêmbolo Folsomia candida e o ensaio de evitamento com a minhoca Eisenia andrei não demonstraram qualquer efeito na exposição de ambos os solos. Utilizando os ensaios com organismos aquáticos, foram obtidos resultados semelhantes, na exposição ao solo JNC, embora as Unidades Tóxicas derivadas destes ensaios apresentassem valores superiores quando comparados com os outros ensaios. O Teste de Fase Sólida utilizando o Microtox® demonstrou ser o ensaio com maior sensibilidade dentro da bateria de testes utilizados. O ensaio com D. magna foi o único que apresentou toxicidade relativamente ao solo JNC. Conclui-se que possivelmente a fracção biodisponível de metais pesados presente no solo JC é menor do que no solo JNC, visto que os organismos vivos são influenciados apenas pela fracção disponível dos compostos químicos e não pela sua fracção total. Outra possibilidade para a explicação das diferentes toxicidades entre os dois solos pode ser o desconhecimento da existência de algum composto químico, que não constava na análise química e que foi, por isso, negligenciado.

Soil pollution has become nowadays a key problem in ecosystems because it can act as a starting line in food web contamination by plant uptake and/or can lead to groundwater contamination. Measuring the total amount of chemical compounds in soil is not satisfactory to evaluate its toxicity because chemical bioavailability depends on several factors, like soil physicochemical characteristics (e.g. pH, organic matter, cations). Therefore, bioassays are probably the better tools to assess the toxicity of the bioavailable fraction of contaminants in soil. In this study we carried out several ecotoxicological bioassays, using different test-organisms (e.g. plants, microorganisms, soil dwelling invertebrates, bacteria and aquatic invertebrates), to evaluate the toxicity of two soils from the surrounding area of an abandoned mine in the northeast of Portugal- Mina de Jales, in 2002. These soils showed different heavy metal contents: JNC is a soil with low heavy metal content and JC is a soil with high heavy metal content. Soil enzymatic bioassays were performed in different time sampling to assess not only the toxicity of these two soils, but also the effect of the mine rehabilitation process (started in late 2002) on microbial communities. A Soil Quality Index (SQI) was derived from the enzymatic data. This index showed that the JNC soil presented a lower quality index when compared to JC soil, which even showed a SQI similar to indexes obtained for native or climax soils. A similar trend was achieved using edaphic test-organisms. In the emergence and growth bioassay with Brassica rapa, plants showed slower growth and biomass production when exposed to JNC soil. The isopod Porcellionides pruinosus also avoided this soil as concluded from the avoidance behaviour response test. The growth bioassay with Avena sativa, the reproduction bioassay with the collembolan Folsomia candida, and the avoidance bioassay with Eisenia andrei showed no sensitivity to compounds present in both soils. Similar results were achieved using aquatic ecotoxicological tests, although these test organisms showed higher Toxic Units for JNC soils /soil elutriates exposure. The Solidphase Test performed with Microtox® was the most sensitive test enclosed in the test-battery. The D. magna bioassay was the only assay that showed toxicity responses for the JC soil exposure, by elutriates exposure. We conclude that the bioavailable fraction of heavy metals of JC soil is lower than that of the JNC soil, since most organisms are influenced by the bioavailable fraction of metals instead of the total amount present in the soil. In addition, the soil with lower heavy metal content, and that could be uncontaminated, presented high toxicity levels. Another possible explanation is the unknown presence of other contaminants that were not regarded on the chemical analysis and were therefore neglected.