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http://hdl.handle.net/10174/15543
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Title: | Metal biogeochemical cycling in tagus estuary salt marshes: from halophytes to microbes |
Authors: | Duarte, Bernardo Afonso de Aranha Alhandra |
Advisors: | Caçador, Maria Isabel Violante Almeida, Pedro Miguel Raposo de |
Issue Date: | 2011 |
Publisher: | Universidade de Évora |
Abstract: | As zonas de sapal recebem habitualmente elevadas quantidades de poluentes
provenientes das zonas urbanas circundantes, através da circulação estuarina e da
inundação destas zonas pela maré. Por esta razão são frequentemente considerados
sumidouros de poluentes, nomeadamente metais pesados.
Quando se consideram os efeitos tóxicos dos metais pesados no ecossistema
sapal e também na saúde pública, a sua concentração total não é tão importante como
a forma química em que estes metais surgem. Esta forma vai ser determinante na a
sua biodisponibilidade para serem tomados pelas plantas e consequentemente entrar
na cadeia trófica. A actividade do sistema radicular das plantas e os microrganismos a
elas associados alteram as propriedades físicas e químicas dos sedimentos,
influenciando o fraccionamento químico dos metais e consequentemente a sua
biodisponibilidade.
Em zonas altamente poluídas, as espécies vegetais desenvolveram
mecanismos de sobrevivência a concentrações elevadas de metais pesados,
tornando-se tolerantes à contaminação por estes elementos. A absorção de metais
depende de vários factores como o pH, a especiação química do elemento, a matéria
orgânica do sedimento, entre outros. Adicionalmente, as raízes das plantas sintetizam,
acumulam e secretam inúmeros compostos, como os ácidos orgânicos, modificando
as características físico-químicas do sedimento e dos metais, influenciando a tomada
de nutrientes e na desintoxicação de metais pesados.
Durante este trabalho, pretendeu-se estudar como as diferentes espécies
vegetais absorvem os metais, os incorporam na sua biomassa e como os libertam
para o ambiente circundante durante a senescência dos seus órgãos. Pretende-se
também investigar os processos microbianos de decomposição desta matéria vegetal
contaminada e como estes vão afectar a especiação dos metais e consequentemente
a sua disponibilidade para serem novamente absorvidos pelas plantas.A quantidade total de Zn, Cu, Cd e Co presente nas folhas, caules e raízes de
Sarcocornia fruticosa, S. perennis, Halimione portulacoides e Spartina maritima foram
analisados de dois em dois meses, num sapal do estuário de Tejo. Para todos os elementos as concentrações mais elevadas foram encontradas nas raízes, sendo as
concentrações nos órgãos aéreos negligenciáveis no que diz respeito ao balanço de
metais no sedimento, como é evidente, devido às baixas taxas de translocação raízparte
aérea. Foram também avaliados outros parâmetros como a acumulação de
metais, taxas de “turnover” radicular e coeficientes de reciclagem. Os elevados
“turnovers” radiculares e coeficientes de reciclagem observados em S. maritima para a
maioria dos metais tornam esta espécie, uma espécie fito-estabilizadora. Pelo
contrário, o baixo “turnover” radicular e baixa geração de necromassa observada para
S. perennis, tornam esta espécie a mais indicada para processos de fitorremediação.
Assim, apesar das elevadas quantidades de metais devolvidos aos sedimentos,
devidas à senescência radicular, os sapais continuam a poder ser considerados
sumidouros de metais pesados, reciclando-os principalmente entre os sedimentos e as
raízes dos halófitos.
Considerando este mecanismo de tomada, reciclagem e senescência de
biomassa contaminada, tornou-se de grande importância estudar também a
decomposição desta mesma necromassa. Como caso de estudo, dirigiu-se a
investigação destes mecanismos aos sedimentos de H. portulacoides. Numa base
sazonal, avaliou-se a influência de enzimas extracelulares presentes nos sedimentos,
na especiação química dos metais e na reciclagem da matéria orgânica do sedimento,
de forma a melhor compreender a ligação entre estes mecanismos de reciclagem
orgânica e as espécies químicas de metais associadas. A especiação metálica em
sedimentos de H. portulacoides foi avaliada usando o método de Tessier, tendo
evidenciado um padrão sazonal comum no que diz respeito à fracção de metais
associados à matéria orgânica, apresentando valores elevados durante o Outono, ou
seja, na estação do ano em que os valores de matéria orgânica se apresenta mais
elevados. As fracções de metais associados à matéria orgânica, bem como a fracção
residual, apresentam-se sempre dominantes, sendo as variações sazonais verificadas
devidas principalmente ao intercâmbio de metais entre as duas fracções. As enzimas
fenol oxidase e -N-acetilglucosaminase apresentam valores elevados de actividade
durante a Primavera e Verão, contrariamente à peroxidase, que exibe o seu pico de
actividade durante o Inverno. A enzima protease apresenta os seus valores de maior
actividade durante a Primavera e Inverno. Estes períodos diferenciais de elevada
degradação de matéria orgânica levam à existência de dois períodos de decréscimo
de metais associados à matéria orgânica. Os picos de actividade da enzima sulfatase
(Primavera e Inverno) coincidem com a depleção de metais sob a forma disponível,
provavelmente devido à formação de sulfuretos e consequente mobilização dos metais. Todos estes factores mostram uma evidente interacção entre diversas
enzimas microbianas, afectando a especiação metálica.
Estes resultados levam à inevitável conclusão de que as plantas de sapal
actuam como “sink” temporário de metais pesados. Apesar desta característica
temporária, as plantas de sapal continuam exercer uma grande influência na
biogeoquímica do ambiente circundante. Este ciclo é completado durante o período de
senescência, geração de necromassa e consequente reintrodução de metais no
ambiente circundante, em formas químicas diferentes. Durante este processo, outro
factor que assume uma elevada importância será a reciclagem biogeoquímica
mediada pela comunidade microbiana existente na rizosfera, decompondo a matéria
orgânica e desta forma actuando sobre as ligações estabelecidas entre esta e os
metais pesados, afectando novamente a especiação química dos metais. Devido a
este mecanismo, a nova tomada de metais por parte das plantas poderá ser
potenciada ou inibida, reiniciando desta forma o ciclo dos metais. Num ambiente de
tão grande complexidade, com todos estes processos a ocorrer, torna-se evidente que
todas estas variáveis actuam em conjunto, tornando os sapais ecossistemas ideais
para o estudo da fitorremediação e das suas possibilidades de aplicação em zonas
contaminadas; ABSTRACT:Salt marshes usually receive high inputs of pollution from nearby urban areas,
river transport and tidal inundation. They are considered to act as sinks for pollutants,
namely heavy metals.
When we consider possible toxic effects of metals to the marsh ecosystem and
also to human health, the total amount of metal is not as important as the chemical
form in which it is present. This form will be responsible for the bioavailability to the
plant uptake and consequently to the introduction in the food web. The activity of plant
roots and associated microbes can alter the physical and chemical properties of the
sediment, influencing the chemical fractionation of metals and thus bioavailability.
In highly contaminated sites plant species have developed mechanisms to
survive with highly toxic concentrations, becoming therefore tolerant to heavy metal
pollution. The absorption of metals depends on varying factors such as pH, metal
speciation and soil organic matter, among others. Plant roots can synthesize,
accumulate and secrete many compounds, such as organic acids that will modify the
sediment and metals physical and chemical characteristics, influencing nutrient uptake
and heavy metal detoxification.
In this study was investigated how the different plant species uptake heavy
metals, incorporate them in their biomass and how these metals will return back into
the surrounding environment, due to the plant organ senescence. It was also an
objective of this study to investigate the microbial decomposition processes of this
contaminated vegetable material and how this affects the metal speciation and
consequently their availability to be uptake back into the plants.
Pools of Zn, Cu, Cd and Co in leaf, stem and root tissues of Sarcocornia
fruticosa, S. perennis, Halimione portulacoides and Spartina maritima were analysed
every two months, in a Tagus estuary salt marsh. All the major concentrations were
found in the root tissues, being the concentrations in the aboveground tissues/organs
neglectable for sediment budget proposes, as seen by the low root-aboveground
translocation. Metal annual accumulation, root turnovers and cycling coefficients were
also assessed. S. maritima showed the higher root turnovers and cycling coefficients
for most of the analysed metals, making this a phyto-stabilizer species. By the contrary
the low root turnover, cycling coefficient and low root necromass generation makes S.
perennis the most suitable species for phytoremediation processes. Although the high
amounts of metal return to the sediments, due to root senescence, salt marshes can still be considered sinks of heavy metals, cycling heavy metals mostly between
sediment and root.
With this it became of great importance to study also the decomposition of the
highly contaminated root necromass by the microbial community existent in the rhizosediment.
For this, H. portulacoides rhizosediment microbial processes were
evaluated, as a case study. The influence of salt marsh sediment extracellular
enzymatic activity (EEA) on metal fractions and organic matter cycling was evaluated
on a seasonal basis, in order to study the relation between organic matter cycling and
the metal species associated. Metals in the rhizosediment of H. portulacoides were
fractioned according to the Tessier’s scheme and showed a similar pattern concerning
the organic bound fraction, being always high in autumn, matching the season when
sediment organic matter presented higher values. Both organic bound and residual
fractions were always dominant, being the seasonal variations mostly due to
interchanges between these fractions. Phenol oxidase and -N-acetylglucosaminidase
had higher activities during spring and summer, contrarily to peroxidase, which had it
higher activity during winter. Protease showed high activities in both spring and winter.
These differential periods of high organic matter degradation caused two periods of
organic bound metals decrease. Sulphatase peaks (spring and winter) matched the
depletion of exchangeable forms of metals, probably due to sulphides formation and
consequent mobilization. This showed an interaction between several microbial
activities affecting metal speciation.
These findings lead to the inevitable conclusion that vascular plants may act as
temporary sinks for heavy metals. Although this temporal sinking characteristic, they
continue to influence the biogeochemistry of the surrounding environment. The cycle
becomes complete with senescence, necromass generation and consequent re-input
of metals to the surrounding environment in a different chemical form. Another key
factor at this point will be the biogeochemical cycling by the microbial community
inhabiting the rhizosphere, decomposing organic matter, acting this way on the bonds
established with heavy metals and again the chemical speciation is affected. With this
a new uptake is enhanced or delayed and the process restarted. In such a complex
environment with all these processes acting, it becomes evident that all the variables
are gathered to make salt marshes ideal ecosystems to study phytoremediation and its
possibilities of application in other contaminated areas. |
URI: | http://hdl.handle.net/10174/15543 |
Type: | masterThesis |
Appears in Collections: | BIB - Formação Avançada - Teses de Mestrado
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