Influence of soil properties on the toxicity of metal-polluted soils. Comparison of different bioassay methods

Abstract

El suelo es una parte esencial del ecosistema que actúa como sumidero para la contaminación debido a su gran capacidad amortiguadora en comparación con los otros dos grandes compartimentos de los ecosistemas: el agua y el aire. Cuando algún tipo de elemento potencialmente contaminante llega al sistema suelo, éste puede ser almacenado, transformado o transferido dentro de los ciclos del agua o aire, así como a la cadena trófica. Por lo tanto, la presencia de sustancias contaminantes en los suelos requiere una evaluación ambiental adecuada para evitar la dispersión de la contaminación o para decidir qué medidas se deben tomar a la hora de realizar actuaciones de recuperación. En todo el mundo se ha constatado la existencia de millones de hectáreas de suelos contaminados, estando los metales y metaloides entre las sustancias que generan mayores problemas debido a que se trata de elementos que no se degradan y se acumulan en el medioambiente. Aunque a lo largo de los últimos años las emisiones de metales han disminuido en la Unión Europea, la producción de nuevas sustancias compuestas por metales ha aumentado drásticamente. En concreto, se ha desarrollado un amplio número de productos de uso diario con componentes de nanopartículas con base metálica, los cuales poseen propiedades químicas y biológicas muy diferentes a las formas metálicas más tradicionales. Dentro de la problemática de la contaminación ambiental, las propiedades del suelo son los principales factores que controlan la movilidad, (bio) disponibilidad y toxicidad de los metales en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, los niveles de referencia orientativos para declarar un suelo como contaminado se basan actualmente en estudios realizados en laboratorio, sin tener en cuenta muchos de los factores clave como son el efecto de las propiedades del suelo o los procesos de equilibrio que se producen a largo plazo (envejecimiento). Estos factores podrían cambiar el comportamiento y por lo tanto la biodisponibilidad de los metales en los suelos y deben ser estudiados en profundidad. A la vista de lo expuesto anteriormente, la finalidad de esta tesis es estudiar el comportamiento y los efectos ecotoxicológicos de metales (Pb, Zn y Cu) y metaloides (As), así como las emergentes formas metálicas de tamaño nanopartícula en los suelos (en concreto se estudia la tercera forma más abundante en la actualidad: ZnO NP). Para ello se evalúa la influencia de las propiedades del suelo así como los efectos del envejecimiento (equilibrio de los metales en suelo a largo plazo) en la (bio) disponibilidad y toxicidad de estos elementos. Estos estudios se realizan a partir de cuatro bioensayos con representación de los principales grupos de organismos del suelo, siguiendo directrices establecidas en pruebas estándar: i) estudio del efecto tóxico en la germinación de semillas y en la elongación de raíz de la planta Lactuca sativa (US EPA 850: 4200); ii) efecto de la toxicidad en la reducción de la luminiscencia de la bacteria marina Vibrio fischeri a partir de un test realizado con un Microtox® (ASTM, 2004); iii) estudio de la respiración heterotrófica de los organismos de suelo (ISO 17155, 2002); y iv) estudio de la supervivencia, reproducción y bioacumulación de la lombriz de tierra Eisenia andrei (OECD 207 y 222). Los estudios desarrollados en esta tesis se han realizado tanto en suelos con distintas propiedades contaminados artificialmente en laboratorio, así como en los suelos afectados por el vertido minero de 1998 de la mina de Aznalcóllar (Sevilla, SO España). El objetivo principal de esta tesis es mejorar la base científica para la evaluación del riesgo ambiental de metales y metaloides en suelos, a partir de los siguientes objetivos específicos: · estudiar la influencia del envejecimiento sobre la biodisponibilidad y toxicidad de metales en suelos; · evaluar el efecto de las propiedades del suelo en la disponibilidad de los metales y en la toxicidad que producen; · evaluar el uso de bioensayos como herramientas para definir niveles genéricos de referencia para la contaminación; · relacionar los datos obtenidos en suelos contaminados artificialmente en el laboratorio con suelos contaminados in situ; · poner en práctica los resultados obtenidos dentro del marco de evaluación del riesgo ecológico (ERE).

Soil is an essential part of the ecosystem that acts as a sink of contamination since it has a high buffer capacity compared with other ecosystem compartments like water and air. When contaminants end up in soil, they can be stored, transformed, or transferred to other media. The presence of contaminants in soils needs a proper environmental assessment to prevent pollution or to determine measures to cope with contaminated soils. Several millions of hectares of land all over the globe are polluted with a wide variety of contaminants, being metals and metalloids among the substances that generate major problems due to the fact that they do not degrade and can accumulate in the environment. Although metal emissions have decreased in the European Union over the last few years, the development of new hazards involving metals has increased. This especially concerns the widely deployed production of materials involving metal-based nanoparticles, exhibiting chemical and biological properties that are quite different from those of the corresponding bulk materials. In the problems concerning environmental contamination, soil properties are the main factors that control the mobility, (bio) availability and toxicity of metals in terrestrial ecosystems. However, guideline values to declare a soil as polluted are currently based on laboratory studies without taking into account key factors such as soil properties or longterm equilibration processes (ageing), which could change the fate and bioavailability of metals. The aim of this thesis was to study the fate and ecotoxicological effects of metals (Pb, Zn and Cu) and metalloids (As) as well as metal-based nanoparticles in soils (ZnO NP). This included determining the influence of soil properties and also the effects of ageing (long-term equilibration) on the (bio)availability and toxicity of these elements. For this purpose, four bioassays representing the major groups of soil organisms were applied, following standard test guidelines: i) Seed germination/ Root elongation Toxicity Test (U.S. EPA 850:4200) with the plant Lactuca sativa; ii) Microtox®Test (ASTM, 2004) with the bacterium Vibrio fischeri; iii) Soil Respiration Test (ISO 17155, 2002) with soil microorganisms; and iv) Earthworm Survival and Reproduction Test (OECD 207 and 222) with Eisenia andrei. These tests were performed both in laboratory-spiked soils with different properties and in soils affected by residual contamination (Aznalcóllar mine spill, Spain). The main goal of this thesis was to improve the scientific basis for the environmental risk assessment of metals and metalloids in soils, with the following specific objectives: · To study the influence of ageing on metal bioavailability and toxicity in soils, · to assess the effect of soil properties on metal availability and toxicity, · to evaluate the use of bioassays to define guideline values, · to relate the data obtained in soils spiked in laboratory with soils polluted in situ, · and, to implement the obtained results in a framework of risk assessment.