Use of soil microbial communities as indicators of soil pollution by heavy metals

Abstract

Muchas de las actividades desarrolladas por el ser humano han conducido a incrementos de la concentración de metales pesados en muchos suelos a lo largo del mundo. Una vez en el suelo, los metales pesados pueden afectar negativamente a sus funciones y poner en riesgo los servicios por él prestados. Por tanto, es necesaria la monitorización de los suelos en los que existe riesgo de contaminación por metales pesados, y en su caso, tomar medidas para minimizar los impactos de esta acumulación. Sin embargo, existe un importante problema a resolver ¿Cuándo se debe actuar?, es decir, ¿A partir de que niveles de acumulación de metales pesados en el suelo debemos actuar? El objetivo general del presente proyecto es estudiar los efectos de la acumulación de metales pesados sobre los microorganismos del suelo, contribuyendo a esclarecer cuando sería necesario intervenir en un suelo contaminado por metales pesados desde el punto de vista de las comunidades microbianas del suelo. Para lograr este fin se utilizará el concepto de tolerancia de las comunidades bacterianas a los metales pesados (PICT). En primer lugar se optimizará el método de determinación de la tolerancia de las comunidades bacterianas a 5 metales pesados (Cu, Zn, Ni, Pb y Cr), en relación a las condiciones óptimas de pH, efectos del carbono orgánico disuelto, etc. A continuación se evaluarán los niveles base de tolerancia de las comunidades microbianas a los metales pesados en suelos no contaminados en relación a sus propiedades edáficas (material de partida, textura, pH, materia orgánica, etc.). Con esto se elaborarán tablas de niveles de referencia para suelos no contaminados que serán útiles para comparar los datos obtenidos en áreas contaminadas con los niveles de referencia. A continuación se tratará de obtener medidas de tolerancia a metales pesados en suelos con muy baja actividad microbiana por poseer un pH extremadamente ácido y bajo contenido en materia orgánica, circunstancia que se intentará conseguir mediante la adición de sustratos que incrementan la actividad bacteriana. Esto será de utilidad para la evaluación de la contaminación de metales pesados en áreas mineras. A continuación, se estudiará el incremento de la tolerancia de las comunidades bacterianas a los metales en respuesta a adiciones de metales pesados al suelo en condiciones de laboratorio. Este estudio se hará comparando suelos con distinto pH y materia orgánica para estudiar el efecto de estas características del suelo sobre los incrementos de tolerancia. También se estudiará la disminución de la tolerancia de las comunidades bacterianas a metales pesados tras dos tratamientos de restauración del suelo, uno de inmovilización de los metales pesados y otro de movilización y posterior eliminación de los metales pesados del suelo. A continuación, se estudiarán las relaciones existentes entre la capacidad de los suelos para retener metales y la tolerancia de las comunidades bacterianas a los metales pesados. También se estudiarán las relaciones existentes entre la tolerancia a metales pesados desarrollada por las comunidades bacterianas del suelo y las distintas formas en las que los metales se acumulan en el suelo asociándose a diferentes componentes del mismo, es decir, su fraccionamiento. Se pretende generar un conocimiento que permita disponer de herramientas adecuadas para evaluar la contaminación del suelo por metales pesados, contribuyendo a mejorar la gestión de áreas con este tipo de suelos.

Moitas das actividades levadas a cabo polo ser humano deron lugar a incrementos da concentración de metais pesados en moitos solo en todo o mundo. Unha vez no solo, os metais pesados poden afectar negativamente ás súas funcións e poñer en risco os servizos por el prestados. Polo tanto, é necesaria a monitorización dos solos nos que existe risco de contaminación por metais pesados, e no seu caso, tomar medidas para minimizar os impactos desta acumulación. Sen embargo, existe un importante problema a resolver, cando se debe actuar?, é dicir, a partir de que niveis de acumulación de metais pesados no solo debemos actuar?. O obxectivo xeral desta Tese de Doutoramento é estudar os efectos da acumulación de metais pesados sobre os microorganismos do solo, contribuíndo a esclarecer cando sería necesario intervir nun solo contaminado por metais pesados dende o punto de vista das comunidades microbianas do solo. Para lograr este fin, utilizarase o concepto de tolerancia as comunidades bacterianas ós metais pesados (PICT). En primeiro lugar, optimizarase o método de determinación da tolerancia das comunidades bacterianas a 5 metais pesados (cobre, zinc, níquel, chumbo e cromo), en relación ás condicións óptimas de pH, efectos do carbono orgánico en disolución, etc. A continuación avaliaranse os niveis base de tolerancia das comunidades microbianas ós metais pesados en solos non contaminados en relación ás súas propiedades edáficas (material de partida, textura, pH, materia orgánica, etc.). Con isto elaboraranse táboas de niveis de referencia para solos non contaminados que será útiles para comparar os datos obtidos en áreas contaminadas cós niveis de referencia. A continuación, tratarase de obter medidas de tolerancia a metais pesados en solos con moi baixa actividade microbiana por ter un pH extremadamente ácido e baixo contido en materia orgánica, circunstancia que se intentará conseguir mediante a adición de substratos que incrementen a actividade bacteriana. Isto será de utilizade para a avaliación da contaminación de metais pesados en áreas mineiras. Seguidamente, estudarase o incremento da tolerancia das comunidades bacterianas ós metais en resposta a adicións de metais pesados ó solo en condicións de laboratorio. Este estudo farase comparando solos con distinto pH e materia orgánica para estudar o efecto destas características do solo sobre os incrementos de tolerancia. Estudarase tamén a diminución da tolerancia das comunidades bacterianas a metais pesados tras dous tratamentos de restauración do solo: un de inmobilización dos metais pesados e outro de mobilización e posterior eliminación dos metais pesados do solo. Logo estudiaranse as relacións existentes entre a capacidade dos solos para reter metais e a tolerancia das comunidades bacterianas ós metais pesados. Estudaranse tamén as relacións existentes entre a tolerancia a metais pesados desenvolvida polas comunidades bacterianas do solo e as distintas formas nas que os metais se poden acumular no solo, asociándose a diferentes compoñentes do mesmo, é dicir, o seu fraccionamento. Preténdese xerar un coñecemento que permita dispoñer de ferramentas adecuadas para avaliar a contaminación do solo por metais pesados, contribuíndo a mellorar a xestión de áreas con este tipo de solos

Many human activities have led to increases in heavy metal concentrations in soils worldwide. Once in the soil, heavy metals may affect soil functions negatively, with high risk of damage the soil services. Therefore, monitoring of soils with high risk of soil metal toxicity and actions to minimize heavy metal accumulation impacts are needed. However, there is an important problem to be solved. When must we act, that is at what heavy metal concentration must we take regulatory and/or remediation actions? The general objective of the project is to study the effects of heavy metals accumulation in the soil on soil microorganisms, contributing to clarify when we must act in heavy metal polluted soils from microbial communities’ point of view. In order to achieve this general objective, the bacterial community tolerance development to heavy metals concept (PICT) will be used. First, bacterial community tolerance to 5 heavy metals (Cu, Zn, Ni, Pb and Cr) will be optimized in relation with pH, dissolved organic carbon, etc., in order to exclude tolerance detection artifacts. After that, the bacterial community tolerance to the heavy metals will be evaluated in non-polluted soils in relation with soil characteristics (geology, texture, pH, organic matter, etc.). With these results tables with bacterial community tolerance to heavy metals base levels in relation to soil properties will be produced. The tables will be useful to compare tolerance levels found in polluted areas with reference levels in non-polluted soils. Also, we will optimize bacterial community tolerance to heavy metals measurements in soils with very low microbial activity, using a soil with an extremely acid pH and low organic matter content. Substrates which increase bacterial community growth, such as plant material, will be added to the soil with this purpose. This experiment will be useful in evaluating soil pollution by heavy metals in mining areas. The increases of bacterial community tolerance to heavy metals will be studied in response to heavy metals addition under laboratory conditions. Comparisons among soils with different pH and soil organic matter will be used in order to evaluate the effect of these characteristics on bacterial community tolerance to heavy metals development. Decreasing of bacterial community tolerance to heavy metals in response to two soil restauration treatments will also be analyzed. One treatment consists in a heavy metal immobilization in the soil, and the other in heavy metal mobilization and removal from soil. The relations between heavy metals soil sorption capacities and the increases of bacterial community tolerance to heavy metals in response to heavy metal pollution will be studied with these treatments. Finally, the relation between the bacterial community tolerance to heavy metals and heavy metal fractionation in the soil will be studied. With all these activities we will produce a method that easily can determine bacterial community tolerance to heavy metals in the soil, and provide suitable tools for evaluating soil pollution by heavy metals, contributing to a better management of areas with polluted soils.