Ecophysiological characterization of metallophyte species candidates for phytoremediation

Abstract

A mais extensa área metalífera da Península Ibérica, de nome Faixa Piritosa Ibérica (FPI), abrange parte de Portugal e Espanha. Atualmente, na zona portuguesa da FPI, existem apenas duas minas ativas: Aljustrel e Neves Corvo. Esta última encontra-se localizada na povoação de Santa Bárbara de Padrões. Até há poucas décadas, a atividade mineira desta formação vulcano-sedimentar era bastante intensa, no entanto tem vindo a diminuir. Como resultado deste decréscimo de atividade, existem hoje diversas minas abandonadas, como é o caso da mina de São Domingos. Além disso, uma outra consequência da atividade intensa diz respeito à degradação ambiental, causada acima de tudo por elevados níveis de poluição, nomeadamente poeiras, águas ácidas, erosão, entre outros. Estes locais apresentam um ambiente inóspito para a maioria das espécies. Existem, no entanto, algumas espécies - vegetais e não só - que conseguem tolerar as contaminações elevadas de metais tóxicos e pH ácido do solo. Estes organismos possuem adaptações fisiológicas que lhes garantem não apenas a sobrevivência, mas também a reprodução em ambientes metalíferos, sendo designadas, em face disso, de espécies metalófitas. Uma vantagem adicional da maior parte destas espécies passa pela contribuição para uma diminuição da biodisponibilidade de metais tóxicos através de processos de fitorremediação. Desta forma, para o sucesso de projetos de restauro ecológico que se venham a realizar, é essencial que os mesmos tenham em consideração a existência das espécies vegetais presentes nesse local. Um projeto de restauro ecológico que integre as espécies metalófitas vegetais provenientes do mesmo local terá fortes probabilidades de alcançar o Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 15 das Nações Unidas – Mineração e Proteção à Vida Terrestre. Este trabalho teve por base dois objetivos, ambos relacionados com oito espécies vegetais presentes na zona da mina de S. Domingos. O primeiro foi avaliar o desempenho fisiológico dessas espécies e o segundo foi avaliar o nicho ecológico das mesmas. As espécies em questão foram: Agrostis castellana, Anarrhinum bellidifolium, Cistus ladanifer, Cistus salviifolius, Cistus monspeliensis, Erica andevalensis, Erica australis and Lavandula stoechas. Como tal, foram realizados dois tipos de testes: um em estufa e outro no local. Ambos os testes foram realizados utilizando o pH como indicador de contaminação. Isto porque, os minérios descobertos, em contacto com a água e o ar, são submetidos a um processo de hidrólise. A hidrólise é um processo químico que causa a diminuição do pH, pelo que podemos inferir que o aumento da concentração de metais tóxicos está correlacionado com um pH mais acído. Os testes de estufa consistiram na germinação de sementes das oito espécies escolhidas, sementes essas que foram submetidas a dois pré-tratamentos de calor em quatro substratos de diferentes graus de contaminação, designadamente: comercial, mistura (combinação comercial:contaminado 1 50%:50%), contaminado 1 e contaminado 2. Os substratos contaminados utilizados, designados contaminado 1 e contaminado 2 são originários das minas de S. Domingos e Santa Bárbara de Padrões, respectivamente. A mina de São Domingos encontra-se atualmente abandonada, situação que se verifica desde 1966. Por sua vez, Santa Bárbara de Padrões é, presentemente, uma povoação afetada pelas poeiras derivadas da mina ativa Neves Corvo, que ainda se encontra em atividade. O solo proveniente desta povoação tem uma contaminação bastante inferior ao da mina de S. Domingos. Apesar de pertencerem a formações litológicas diferentes, estas duas minas encontram-se na zona da Faixa Piritosa Ibérica. Como tal, crêse que esta razão nos permite justificar o uso de ambos os solos para avaliar se as espécies em causa poderão ser utilizadas em programas de restauro de outras minas, também localizadas na mesma zona. Em cada tratamento, foi escolhido apenas um indivíduo sobrevivente, que foi seguido fisiologicamente através de dois parâmetros – altura e refletância das folhas. Para o efeito, foram usados três índices, tais como: Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Photochemical Reflectance Index (PRI) e Chlorophyll (CHL). Os testes levados a cabo no local consistiram em três transectos, realizados em quatro áreas de amostragem ao longo da mina de S. Domingos. As espécies de interesse que foram intercetadas nestes transectos, posicionados ao longo de um gradiente de pH, tiveram diferentes medidas fisiológicas tais como: altura, cobertura e refletância das folhas. Para além disso, os substratos dos testes da estufa, assim como os solos recolhidos nos transectos, foram caracterizados a nível de pH, matéria orgânica, granulometria e condutividade elétrica. No geral, observou-se que as espécies estudadas tendem a preferir solos acídicos, ainda que com um valor de pH superior ao encontrado na mina de S. Domingos (substrato mistura). As espécies não demonstraram alterações fisiológicas significativas entre diferentes pHs, o que poderá indicar que, como as espécies já estão adaptadas às pressões existentes, a variação destas não afeta a performance fisiológica. No entanto, o mesmo não se aplica ao desempenho ecológico. Foi constatado que, neste aspeto, a performance ecológica de algumas espécies foi afetada, especificamente, em relação à restrição do nicho. Em particular, a espécie E. andevalensis foi a que demonstrou maior adaptação ao pH mais ácido. Contudo, isto verificou-se apenas para o caso dos substratos provenientes da mina de S. Domingos, dado que as plantas não germinaram nos substratos comercial e contaminado 2, proveniente de Santa Bárbara de Padrões. Adicionalmente, esta foi a única espécie a conseguir estabelecer-se no substrato contaminado 1. Ecologicamente, foi observado que esta espécie tende a estar presente nas margens dos corpos de água com origem em Drenagem Ácida de Minas (DAM), cujo pH rondou o valor 2.5, ou junto a zonas de escorrência, sendo possível constatar que esta restrição do seu nicho poderá ser provocado devido à presença de outras espécies como, por exemplo, a C. ladanifer. No que diz respeito à C. monspeliensis e à E. australis, estas foram as espécies com menor número de indivíduos estabelecidos. Contudo, a espécie C. monspeliensis foi a que demonstrou menor viabilidade de germinação. Não foi possível encontrar uma razão específica para este resultado. Haverá várias hipóteses que o possam justificar, entre elas, a amostragem precoce das sementes que poderá ter inviabilizado a maturação destas. Localmente, C. ladanifer foi a espécie dominante da área da mina. No entanto apenas se conseguiu estabelecer nos substratos comercial e mistura, neste último substrato com um indivíduo com valor superior de NDVI. Em relação a L. stoechas e A. bellidifolium, estas duas espécies estabeleceram-se com sucesso nos substratos comercial e mistura e, no geral, mantiveram o desempenho fisiológico estável. Localmente, A. bellidifolium foi a espécie com menor cobertura. A espécie A. castellana foi a que demonstrou maior plasticidade de habitat, uma vez que foi a única a conseguir estabelecer-se no substrato contaminado 2, com valores superiores nos três índices para as plantas sobreviventes. Esta espécie da família Poaceae é, das oito espécies estudadas, a candidata com maior potencial para eventuais ações de cobertura vegetativa a efetuar noutras áreas mineiras, para além da mina de S. Domingos. Adicionalmente, com base nestes testes, foi possível verificar que a competição entre espécies é um fator mais forte e determinante do que a contaminação, dado que as espécies encontradas localmente já se encontram adaptadas ao grau de contaminação existente. Devido a tudo o que foi exposto acima, este projeto contribuiu para o aumento do conhecimento sobre os desempenhos ecológico e fisiológico das oito espécies escolhidas, que habitam esta área metalífera e que poderão ser utilizadas em futuros projetos de restauro ecológico na mina de S. Domingos.

The largest metalliferous area in the Iberian Peninsula, known as Iberian Pyrite Belt, is now an area with several abandoned mines whose intense mining activity has resulted in a degraded environment with serious pollution problems, such as dust, acid mine drainage, tailings, soil heaps and others. Although these sites exhibit an inhospitable environment for most species, there are plant species that tolerate high contaminations of toxic metals and the low soil pH. These so called metallophyte species have physiological adaptations that allow them to survive, establish and reproduce in metalliferous environments. Moreover, most of these species contribute with phytoremediation processes and thus decreasing the bioavailability of toxic metals. For these reasons, ecological restoration of these sites should take in account the use of the already present vegetation. Furthermore, with an increase of the aridity in Portuguese Iberian Pyrite Belt, it’s essential to increase the resilience of these sites and this can be achieved by considering the United Nation’s Sustainable Development Goal 15 – Mining and Life on Land. The aim of this work was to determine the ecological niche and the physiological performance of eight plant species present in São Domingos mine: Erica australis, Erica andevalensis, Lavandula stoechas, Cistus ladanifer, Cistus salviifolius, Cistus monspeliensis, Agrostis castellana and Anarrhinum bellidifolium. To accomplish this, two types of experiments were held: greenhouse and insitu tests; using the pH as a proxy for contamination. Greenhouse tests focused of germination and further following of physiological parameters (height and reflectance) on four contamination level’s substrates: commercial, mixed, contaminated 1 (from São Domingos mine) and contaminated 2 (from Santa Bárbara de Padrões). In-situ characterization was achieved by using line-intercept transects in four areas to register the cover, height and reflectance. In addition, the soils from the greenhouse tests and the in-situ points where characterized in pH, organic matter, electrical conductivity and granulometry. Generally, the results indicated a preference for the mixed substrate (amended with commercial substrate) and a general physiological adaptation to the toxic metals contamination and low pH. E. andevalensis was the species that withstand lowest values such as pH≈2.5. Furthermore, as these species are already adapted to the extreme characteristics of the mining area, this work concluded that the competition was a stronger driver than the pH, especially for the Erica sp. and Cistus sp. Therefore, this project has contributed to increase knowledge about the ecophysiological performance of the species that inhabit metalliferous areas, to support future ecological restoration projects of the polluted zones degraded by the mining industry.