Transference, accumulation and distribution of Hg in biotic and abiotic components of forested ecosystems

Abstract

El objetivo principal de esta Tesis es profundizar en la dinámica del Hg en el sistema suelo-planta de ecosistemas forestales no impactados por fuentes antrópicas de Hg. Objetivos complementarios de esta Tesis son:

1) Analizar la capacidad de la vegetación forestal para fijar Hg atmosférico evaluando la influencia del tiempo de exposición en la acumulación de Hg. Esta actividad se realizará en colaboración con la Universidad de Santiago (USC) tomando muestras de acículas de Pinus pinaster de diferente edad en un total de 30 parcelas distribuidas por toda Galicia.

2) Determinar las tasas de transferencia de Hg al suelo mediante la caída de material senescente y la deposición seca y húmeda (lluvia y pluviolavado). Para esta actividad se seleccionará una parcela de Quercus robur en la que se instalarán captadores adecuados para cada tipo de muestra. El muestreo se realizará con una periodicidad mensual.

3) Evaluar la influencia del uso del suelo y el efecto de la substitución de la vegetación forestal autóctona en la acumulación y movilización de Hg. En esta actividad, a realizar en colaboración con el Instituto Politécnico de Bragança (Portugal), se tomarán muestras de los horizontes orgánicos y del suelo mineral de diferentes parcelas forestales dominadas por Quercus pirenaica, Pseudotsuga menziesii e Pinus nigra.

4) Analizar el efecto del uso del territorio en la transferencia de Hg atmosférico al suelo a través de la caída de material senescente. En esta actividad se colaborará con el Centro Austral de Investigaciones Científicas (CADIC-CONICET, Argentina) y la Universidad Nacional de Tierra de Fuego (UNTDF, Argentina). Se seleccionarán tres parcelas con diferente uso (zona exenta de influencia antrópica, zona periurbana y zona urbana). En cada parcela se instalarán captadores para recoger material senescente durante los meses de enero-abril en el que se analizará Hg total y los flujos de deposición de Hg, evaluando el potencial del Hg como indicador de la actividad antrópica.

5) Evaluar la influencia del manejo forestal y el efecto del tiempo en la acumulación de Hg en el suelo. En esta actividad, en colaboración con CADIC-CONICET y UNTDF, se seleccionarán varias parcelas explotadas hace 1, 5 y 50 años en las que se tomarán muestras de suelo representativas.

6) Establecer los límites de tolerancia al Hg de las comunidades bacterianas de suelos forestales. Se realizarán dos estudios de tolerancia. El primero en una selección de 10 suelos forestales con un contenido de Hg variable, evaluando si el Hg presente causa daños sobre las comunidades microbianas. En el segundo, se investigará el incremento de tolerancia al Hg de las comunidades bacterianas en suelos contaminados artificialmente en laboratorio, determinando así qué concentraciones de Hg no suponen riesgo para las comunidades bacterianas.

Estos objetivos se enmarcan en un escenario de calentamiento global, de cambios en el uso del suelo y de la entrada en vigor de la Convención de Minamata. Con los resultados obtenidos en los diferentes estudios realizados a lo largo de la tesis se elaborarán varias publicaciones científicas.

Para la preparación y caracterización química de las muestras de suelo, vegetación y aguas se dispone del equipamiento necesario en los laboratorios del Área de Edafología de la Facultad de Ciencias. Los métodos de análisis para la caracterización de suelo serán los tradicionalmente utilizados en ciencia del suelo. La determinación de Hg total en suelos, vegetación y aguas se realizará con un autoanalizador de Hg DMA-80 existente en los laboratorios del Área de Edafología. Para la determinación de Hg orgánico se seguirá el método de Fernández-Martínez y Rucandio (2013).

O obxectivo principal desta Tese é profundar na dinámica do Hg no sistema solo-planta de ecosistemas forestais non impactados por fontes antrópicas de Hg. Obxectivos complementarios desta Tese son:

1) Analizar a capacidade da vexetación forestal para fixar Hg atmosférico avaliando a influencia do tempo de exposición na acumulación do Hg. Esta actividade realizarase en colaboración coa Universidade de Santiago (USC) tomando mostras de acículas de Pinus pinaster de diferente idade nun total de 30 parcelas distribuídas por toda Galicia.

2) Determinar as taxas de transferencia de Hg ao solo mediante a caída de material senescente e a deposición seca e húmida (chuvia e pluviolavado). Para esta actividade seleccionarase unha parcela de Quercus robur na que se instalaran captadores axeitados para cada tipo de mostra. A mostraxe realizarase cunha periodicidade mensual.

3) Avaliar a influencia do uso do solo e o efecto da substitución da vexetación forestal autóctona na acumulación e mobilización de Hg. Nesta actividade, a realizar en colaboración co Instituto Politécnico de Bragança (Portugal), tomaranse mostras dos horizontes orgánicos e do solo mineral de diferentes parcelas forestais dominadas por Quercus pirenaica, Pseudotsuga menziesii e Pinus nigra.

4) Analizar o efecto do uso do territorio na transferencia de Hg atmosférico ao solo a través de caída de material senescente. Nesta actividade colaborarase co Centro Austral de Investigacións Científicas (CADIC­ CONICET, Argentina) e a Universidade Nacional de Tierra de Fuego (UNTDF, Argentina). Seleccionaranse tres parcelas forestais con diferente uso (zona exenta de influencia antrópica, zona periurbana e zona urbana). En cada parcela instalaranse captadores para recoller material senescente durante os meses de xaneiro-abril no que se analizará Hg total e os fluxos de deposición de Hg, avaliando o potencial do Hg como indicador da actividade antrópica.

5) Avaliar a influencia do manexo forestal e o efecto do tempo na acumulación de Hg no solo. Nesta actividade, en colaboración con CADIC-CONICET e UNTDF, seleccionaranse varias parcelas explotadas fai 1, 5 e 50 anos nas que se tomarán mostras de solo representativas.

6) Establecer os límites de tolerancia ao Hg das comunidades bacterianas de solos forestais. Realizaranse dous estudos de tolerancia. O primeiro nunha selección de 10 solos forestais cun contido de Hg variable, avaliando se o Hg presente causa danos sobre as comunidades microbianas. No segundo, investigarase o incremento de tolerancia ao Hg das comunidades bacterianas en solos contaminados artificialmente en laboratorio, determinando así qué concentracións de Hg non supoñen risco para as comunidades bacterianas.

Estes obxectivos enmárcanse nun escenario de quecemento global, de cambios no uso do solo e da entrada en vigor da Convención de Minamata. Cos resultados obtidos nos diferentes estudos realizados ao longo da tese elaboraranse varias publicacións científicas.

Para a preparación e caracterización química das mostras de solo, vexetación e augas disponse do equipamento necesario nos laboratorios da área de Edafoloxía da Facultade de Ciencias. Os métodos de análises para a caracterización de solo serán os tradicionalmente utilizados en ciencia do solo. A determinación de Hg total en solos, vexetación e augas realizarase cun autoanalizador de Hg DMA-80 existente nos laboratorios da área de Edafoloxía. Para a determinación de Hg orgánico seguirase o método de Fernández-Martínez e Rucandio (2013).

The main objective of this Thesis is to go further in the dynamics of Hg in the soil-plant system of forested ecosystems not impacted by anthropogenic sources of Hg. Specific objectives of this Thesis are: 1) To analyse the ability of forest vegetation to sink atmospheric Hg evaluating the influence of exposure time on Hg accumulation. This activity will be carried out, in collaboration with the University of Santiago (USC), taking samples of Pinus pinaster needles of different ages in a total of 30 plots distributed throughout Galicia. 2) To determine the transfer rates of Hg to the soil through litterfall and dry and wet deposition (rain and throughfall). For this activity, a Quercus robur plot will be selected where suitable collectors will be installed for each type of sample. Sampling will be done on a monthly basis. 3) To assess the influence of land, through the substitution of native forest vegetation by commercial species, on the accumulation and mobilization of Hg in soil. This activity, which will be done in collaboration with the Polytechnic Institute of Bragança (Portugal), samples of the organic horizons and mineral soil of different forest plots dominated by Quercus pirenaica, Pseudotsuga menziesii and Pinus nigra will be collected. 4) To analyse the effect of land use on the transfer of atmospheric Hg to the soil through litterfall. To this activity, in collaboration with the Austral Center of Scientific Investigations (CADIC-CONICET, Argentina) and the National University of Tierra de Fuego (UNTDF, Argentina), three stands will be selected in areas with different land use (an area free of anthropic influence, an peri-urban area and an urban area). In each stand, collectors will be installed to collect litterfall during the period of January-April. In these samples, total Hg and Hg deposition fluxes will be estimated and the potential of Hg as an indicator of anthropic activity assessed. 5) To evaluate the influence the time passed since forest management on Hg accumulation in forest soils. In this activity, in collaboration with CADIC-CONICET and UNTDF, several forest plots exploited 1, 5 and 50 years ago will be selected and representative samples of the uppermost soil layers will be taken to determine Hg contents and pools. 6) To establish the tolerance threshold to Hg of the bacterial communities living in forest soils through two tolerance studies. The first study will be done in a selection of 10 forest soils with a variable Hg content, evaluating if the Hg present causes damage to the microbial communities. In the second study, the increase in tolerance to Hg of bacterial communities in artificially (laboratory) Hg contaminated soils will be investigated, thus determining which Hg concentrations do not suppose a risk for bacterial communities. These objectives are focussed in a scenario of global warming as well as man-induced land use changes affecting soils, also in a time when the Minamata Convention begging to entry into operation. It is expected to publish several scientific papers based on the results obtained in the different studies carried out by this thesis. For the preparation and chemical characterization of soil, vegetation and water samples, the necessary equipment is available in the laboratories of the Soil Science Area of the Faculty of Sciences. Soil characterization methods will be those which are traditionally for this purpose. The determination of total Hg in soils, vegetation and water will be carried out with an Hg DMA-80 autoanalyzer located in the laboratories of the Soil Science Area. For the determination of organic Hg the method of Fernández-Martínez and Rucandio (2013) will be performed.