Prediction of salinisation effects on soil ecosystems due to climate changes

Abstract

O aumento da temperatura média potencia efeitos como a perda de stocks de gelo e icebergues e o aumento do nível do mar. Os efeitos negativos da salinisação dos solos tendem a aumentar devido ao aumento do nível do mar e consequente intrusão salina. Os impactos da exposição à água do mar (constituída principalmente por cloreto de sódio – NaCl) no compartimento solo são desconhecidos. O presente estudo tem por objectivos (1) avaliar os efeitos da salinisação em invertebrados de solo, (2) avaliar a possibilidade do uso de NaCl como indicador dos efeitos da água do mar na fauna de solo, (3) avaliar a capacidade de aclimatação a baixas concentrações de sal de duas espécies de invertebrados de solo e a resistência dos organismos aclimatados quando posteriormente expostos a um gradiente de concentrações do mesmo sal, (4) avaliar os efeitos da salinisação numa comunidade natural de solo devido a intrusão e irrigação salinas. Para cumprir os objectivos (1) e (2), testes padronizados de reprodução foram efectuados usando um solo standard artifical – OECD – e um gradiente de diluições de água do mar ou concentrações de NaCl. A reprodução e mortalidade de três espécies padrão de invertebrados de solo (o colêmbolo Folsomia candida, o enquitraideo Enchytraeus crypticus e o ácaro Hypoaspis aculeifer) foram avaliadas. Os resultados mostraram ausência de efeitos da adição de água do mar ou cloreto de sódio na mortalidade dos adultos. No entanto, na reprodução dos organismos foi observado um aumento da sensibilidade na seguinte ordem: H. aculeifer << E. crypticus ≈ F. candida. Estes resultados são consistentes com as diferentes vias de exposição ao sal: colêmbolos e enquitraideos estão expostos por ingestão e contacto enquanto que os ácaros estão expostos apenas por ingestão devido à presença de um exoesqueleto rígido e contínuo. Apesar das pequenas diferenças observadas nos valores de EC’s calculados, a água do mar e o NaCl provocaram os mesmos efeitos gerais. Estes resultados indicam que o NaCl pode ser usado como indicador dos efeitos da água do mar nos organismos de solo, numa primeira etapa de avaliação de risco. Para avaliar o potencial de aclimatação de duas espécies standard de invertebrados de solo (o colêmbolo Folsomia candida e o enquitraideo Enchytraeus crypticus; objectivo (3)), os mesmos foram expostos durante 26 semanas, em solo artificial OECD contaminado com uma concentração equivalente ao EC20 (concentração que causa 20 % de efeitos na reprodução) calculado previamente. Após este período, os organismos aclimatados foram extraídos e usados num teste padrão de reprodução usando a mesma série de concentrações de sal previamente testadas com organismos não aclimatados. Numa exposição mais prolongada dos colêmbolos ao NaCl, foi observado um efeito drástico na sobrevivência e reprodução, efeito esse superior ao teoricamente esperado (20 %). Pelo contrário, os enquitraideos aclimatados mostraram uma maior tolerância ao NaCl após o tempo de aclimatação, comparativamente aos não aclimatados. Os mecanismos de sobrevivência usados por estes grupos faunais podem explicar a tolerância a níveis baixos de sal, juntamente com uma mudança na população, através da sobrevivência dos fenótipos mais resistentes. Para cumprir o objectivo (4) foram usados Modelos de Ecossistemas Terrestres (TME’s) simulando dois cenários de salinisação dos solos, com duas diluições de água do mar: a) intrusão salina, que consistiu na imersão dos últimos 10 cm dos TME’s nas diluições de água do mar e rega com água destilada e b) intrusão salina previamente descrita combinada com rega usando as mesmas diluições de água do mar. Foram estabelecidos três períodos de amostragem de macrofauna, mesofauna de solo e biomassa de plantas de forma a avaliar a comunidade inicial (T0), os efeitos da exposição à água salina (T1) e a possível recuperação das comunidades (T2). No caso dos TME’s verificou-se uma elevada variação espacial principalmente considerando a abundância de colêmbolos e ácaros. No entanto, na conductividade mais baixa a abundância de organismos de solo não foi afectada enquanto que no tratamento com a conductividade mais alta, um decréscimo no número de enquitraideos foi observado quando comparado com o controlo. No entanto, os enquitraideos foram capazes de recuperar totalmente a abundância total da população oito semanas após o terminus da rega salina, enquanto que para as minhocas e para a biomassa de plantas se verificaram efeitos retardados. Apesar da resistência de algumas espécies de solo a níveis baixos de salinisação, algumas funções de solo podem ser afectadas num cenário real devido à capacidade de algumas espécies evitarem condições salinas. Aliás, efeitos negativos podem ser observados em solos considerados não salinos pois o limite actual (4000 μScm-1) para definir solos salinos, não reflecte o conhecimento existente para a fauna de solo.

The increase of global mean temperature is a rising problem due to its potential negative effects such as melting of glaciers and ice caps and sea level rise. Soil salinisation problems are increasing with the rising of the sea level and intrusion of seawater. Impacts of exposure to seawater (mainly constituted by sodium chloride - NaCl) on the soil compartment are still unknown. The present study aimed at (1) evaluating the effects of salinisation on soil invertebrates, (2) assessing the possibility of using NaCl as a surrogate of seawater effects on soil fauna, (3) evaluating the ability of two standard soil invertebrates to acclimate to low concentrations of NaCl, and the resistance of acclimated organisms exposed to a range of concentrations of the same salt, (4) evaluating the effects of salinisation on a soil natural community due to intrusion and irrigation with saltwater. To fulfill aims (1) and (2), standard ecotoxicological reproduction tests were performed using standard artificial OECD soil spiked with serial dilutions of seawater or a gradient of sodium chloride concentrations. The reproduction and mortality of three standard soil invertebrates (the springtail Folsomia candida, the enchytraeid Enchytraeus crypticus and the predatory mite Hypoaspis aculeifer) were evaluated. Results showed no effects of seawater and sodium chloride addition in adult mortality. However, for reproduction, an increased sensitivity was observed in the following order: H. aculeifer << E. crypticus ≈ F. candida. These results are consistent with the different ways of exposure: springtails and enchytraeids are exposed by ingestion and contact while mites are only exposed by ingestion due to a continuous and thick exoskeleton. Although the small differences observed in the calculated EC’s values, seawater and NaCl had the same overall effects. To assess the acclimation ability of two standard soil invertebrates (the springtail Folsomia candida and the enchytraeid Enchytraeus crypticus; aim (3)), the organisms were exposed to artificial OECD soil spiked with the equivalent EC20 concentration previously derived for NaCl exposure, during 26 weeks (acclimation). After that period, acclimated organisms were extracted and exposed to a gradient of NaCl concentrations already tested with unacclimated organisms. In a long-term exposure of springtails to NaCl, a drastic effect on survival and reproduction of the population, more than theoretically expected (20%), was observed. On the contrary, acclimated enchytraeids showed a higher tolerance to NaCl after the exposure period than the unacclimated organisms. The survival mechanisms used in these faunal groups to desiccation may explain the tolerance to low salt concentrations alongside with a change in the population with the survival of the resistant phenotypes. To fulfill aim (4), Terrestrial Model Ecosystems (TME) were used simulating two soil salinisation scenarios with two dilutions of natural seawater: 1) saltwater intrusion by immersing the lower 10 cm of the TME’s in the dilutions of seawater and surface irrigation with distilled water and 2) saltwater intrusion described earlier plus surface irrigation with the dilutions of seawater. Three sampling periods of soil macrofauna, mesofauna and plant biomass were established in order to evaluate the initial community (T0), effects of saltwater exposure (T1) and possible community recovery (T2). TME’s showed some associated variability mainly when considering springtail and mite abundance. However, at the lowest conductivity values the abundance of soil organisms was not affected while for treatments with highest conductivity, a lower number of enchytraeids were found when compared with the control. Nevertheless, enchytraeids were able to recover their population after the eight weeks of recovery while earthworms and plant biomass showed delayed effects in this sampling period. Despite the resistance of some soil species to low salinisation levels, some soil functions can be affected at field scale in a real scenario due to the ability of some species to avoid highly saline places. Besides, adverse effects can be observed on soils not consider saline since the actual limit (4000 μScm-1) does not reflect the existing knowledge considering soil fauna.