Assessment of phytostabilization of Pb/Zn mine soils with organic amendments and a native metallicolous ecotype of Festuca Rubra l.: implications for amendment selection and recovery of soil health

Abstract

La contaminación del suelo es una de las principales amenazas para los ecosistemas y la salud humana. Actualmente, desde un punto de vista tanto económico como ambiental, la fitoestabilización es la mejor tecnología para remediar suelos contaminados con elevadas concentraciones de metales como son los suelos mineros. La fitoestabilización asistida consiste en el empleo de plantas y enmiendas orgánicas y/o inorgánicas con el fin de reducir la movilidad y la biodisponibilidad de los contaminantes y recuperar la salud de suelo. En este trabajo se han realizado ensayos en microcosmos y en campo centrándonos en la salud del suelo minero contaminado con Pb y Zn durante un proceso de fitoestabilización empleando enmiendas orgánicas (purines vacunos, gallinaza, estiércol de oveja y lodos de papelera mezclados con gallinaza) y/o la especie metalífera Festuca rubra con el objetivo de (i) estudiar las interacciones suelo-enmienda responsables de los cambios inducidos por el proceso de quimioestabilización en las propiedades físicoquímicas y biológicas del suelo, (ii) evaluar la efectividad del proceso de fitoestabilización sobre suelos vegetados y de la revegetación sobre suelos desnudos (iii) valorar la idoneidad de distintos indicadores químicos y biológicos (parámetros microbianos y de la vegetación) para monitorizar la efectividad de la fitoestabilización asistida en términos de reducción de la biodisponibilidad de metales en el suelo, mejora de la vegetación y de la recuperación de la salud del suelo. La aplicación de enmiendas al suelo minero supone una entrada de materia orgánica y nutrientes que conduce a una disminución de la biodisponibilidad de metales, facilitando la colonización de las plantas y el crecimiento de la vegetación nativa, además de estimular la actividad microbiana del suelo. El pH del suelo es un factor crítico que condiciona la movilidad de los metales y la toxicidad del suelo. Las poblaciones microbianas de las enmiendas no modificaron la diversidad funcional de las comunidades microbianas nativas de la mina. Los purines vacunos y los lodos de papelera mezclados con gallinaza son los tratamientos más efectivos en el proceso de fitoestabilización asistida bajo condiciones de campo. La gallinaza fue el tratamiento que más estimuló el crecimiento de la vegetación nativa y la colonización en los suelos desnudos. El bioensayo de elongación radical de lechuga es un test sensible, sencillo y barato para evaluar la biodisponibilidad de metal y la ecotoxicidad del suelo. Los tocoferoles son biomarcadores de exposición a metales con potencial para su implementación en bioensayos de toxicidad. Este trabajo permite concluir que la población metalífera de F. rubra, combinada con enmiendas orgánicas, es una excelente candidata para los proyectos de fitoestabilización asistida. Además, la monitorización simultánea de los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos del suelo y de su ecotoxicidad permite una evaluación adecuada de la salud del suelo, así como la selección de enmiendas apropiadas para el desarrollo de un proceso fitoestabilizador.

Soil pollution is one the most pressing threats currently affecting ecosystems and human health. Nowadays, phytostabilization is the most cost-effective and environmentally friendly in-situ technology for remediation of soils contaminated with high levels of metals, as mine soils. Aided phytostabilization consists of using both plants and organic/inorganic amendments in order to reduce contaminants mobility and bioavailability and recover soil health. In this work, microcosms and field studies are focused on soil health of a Pb/Zn mine soil during phytostabilization process using organic amendments (cow slurry, poultry manure, sheep manure and paper mill sludge mixed with poultry manure) and/or the native metallicolous species Festuca rubra, in order to: (i) study soil-amendment interactions responsible for the stabilization-induced changes in soil physicochemical and biological properties, (ii) assess the effectiveness of amendments for phytostabilization on vegetated soils and revegetation of bare soils and (iii) assess the suitability of several chemical and biological indicators (plant and microbial parameters) to monitor the effectiveness of aided phytostabilization in terms of reduction of soil metal bioavailability, improvement of vegetation performance and soil health recovery. Amendment application to the mine soil involved an input of organic matter and nutrients which led to a decrease in soil metal availability. This factors facilitated plant colonization, native plant growth and reduction in metal phytoavailability, as well as stimulated soil microbial activity. Soil pH was a crucial factor conditioning metal mobility and soil toxicity. Besides, microbial populations from the amendments did not modify functional diversity of native microbial communities of mine soil. Cow slurry and paper mill sludge mixed with poultry manure were the most effective treatments in aided phytostabilization processes under field conditions. Poultry manure was the best treatment to stimulate native spontaneous vegetation and to promote plant growth. Plant based test, as root elongation bioassay, is a sensitive, straightforward, cost effective method to assess metal bioavailability and soil ecotoxicity. Other biomarkers of phytotoxicity, as tocopherols, could be also implemented for new bioassays. This work concludes that metallicolous population of F. rubra, combined with organic amendments, is an excellent candidate for aided phytostabilization projects. Moreover, simultaneous monitoring of soil physicochemical and microbial parameters and soil ecotoxicity allow the proper evaluation of soil health, as well as the selection of appropiate amendments for the development of a phytostabilization process.