Increasing the ecological relevance of the effects of metal mixtures in soil

Abstract

Current research in soil metal toxicity has mostly focused on the exposure of single species to single metals. This is a stark contrast from real world scenarios where metal contaminated sites contain complex mixtures which affect the whole soil ecosystem where organisms are heavily interconnected. In soil, some ecotoxicological research has been conducted with metal mixtures but the majority has considered simpler binary or ternary mixtures, which are still below the level of complexity observed in metal contaminated sites. For complex metal mixtures with five elements or more, performing full factorial designs is not feasible. As a result, in this thesis dosing of five element metal mixtures was performed using fixed ratios based on environmental regulation and from metal contaminated sites. Dosing soils with metal salts, the standard for soil ecotoxicology, requires leaching to remove excess salinity, which promotes the loss of metals affecting the intended fixed ratios. Therefore, alternative dosing method which better retain mixture ratios while keeping adequate levels of toxicity to soil invertebrates must be considered. In Chapter 2, metal oxides and annealed metals which do not require leaching were tested as alternatives to dosing with metal nitrate salts. Dosing methods were tested for their total metal concentrations in soil and their toxicity to Folsomia candida, Oppia nitens and Enchytraeus crypticus, using three natural soils. Compared to metal nitrate salts, oxide and annealed metal dosing had higher total metal concentrations, closer to nominal doses and maintained better mixture ratios. Regarding toxicity, metal oxides were toxic to all test species but less toxic than metal nitrate salts while the annealed metal treatments were non-toxic. Considering that annealed metals require a higher dosing effort and had no toxicity, metal oxides were used for dosing metal mixtures in the following experiments. In Chapter 3, the joint action of metals in mixtures and their deviations from CA was evaluated. In this experiment, ten fixed ratios were established with different environmental and regulatory relevance. Each ratio was tested with 10 mixture doses on three soil invertebrate test species (E. crypticus, F. candida and O. nitens) in an acid sandy forest and a loamy natural soil. In addition to mixtures, each metal was also tested as a single and used to calculate species specific toxic units. Deviations from CA were tested at different dose/effect levels (EC10 – EC90). The joint action of metals was globally additive for F. candida, while both E. crypticus and O. nitens had deviations from additivity that were more pronounced outside the EC50 dose effect level. In particular significant synergisms were at low dose effect levels, where most environmental thresholds are established. In Chapter 4, three fixed ratios (CSQG, ARL and SUD) of the five element metal mixtures were tested using a natural community microcosm experiment. In this experiment the community effect concentration was established, which assumes that as contamination increases, the community similarity between test and control treatments decreases producing a dose response curve that allows the calculation of community effect concentrations (ECs). In this experiment it was possible to successfully apply and calculate community ECx values for all three fixed ratio metal mixtures. For regulatory mixture ratios (CSQG and ARL), community EC10s were four times higher than regulatory threshold values and current regulation might be overprotective. For the contaminated site ratio (SUD), the field dose in the contaminated site corresponded to a community EC20 but larger effect level was expected, especially considering the homogenized dosing in microcosms. Results suggest that in retrospective risk assessment site specific properties should be considered to address potential additional stressors. In Chapter 5, the same mixtures tested in Chapter 4, were used in a terrestrial model ecosystem (TME) experiment. The effects of metal mixtures were measured on the microarthropod community, soil enzymes (dehydrogenase, potential nitrification and acid phosphatase) and on ecosystem functioning (feeding activity and organic matter decomposition). Each ratio was dosed with three mixture doses, (Low, Med and High) established based on the community EC values from the microcosm experiment of Chapter 3. For the invertebrate community, none of the treatments significantly affected invertebrate abundances after 16 weeks of exposure. In soil enzymes, acid phosphatase was not affected but dehydrogenase activity and potential nitrification were severely impacted with a reduction above 50% in all dosed treatments. Metal mixtures also affected ecosystem functioning, even in the absence of effects on microarthropod abundances. The results suggest that structural and functional parameters are not always corroborated. In the risk assessment of metals and their mixtures, site-specific approaches should be pursued across multiple compartments, considering both ecosystem structure and function for a complete and adequate environmental protection.

Os estudos sobre toxicidade de metais em solo têm-se focado na realização de ensaios onde espécies são testadas individualmente a cada metal. Esta abordagem contrasta com a maioria dos locais contaminados por metais que contêm misturas complexas que afetam todo o ecossistema, suas funções e onde os organismos interagem entre si. Em ecotoxicologia de solos a maioria dos estudos com misturas de metais considerou apenas misturas binárias ou ternárias, que estão abaixo da complexidade normalmente observada em locais contaminados. Para misturas de metais mais complexas de cinco ou mais elementos, experiências com desenhos fatoriais completos não são viáveis. Assim, nesta tese, foram preparados solos com diferentes doses de rácios fixos de cinco metais. Estes rácios fixos foram definidos com base nas proporções e concentrações de metais estabelecidas na legislação Europeia e Canadiana e em locais contaminados. A contaminação de solos com metais em ecotoxicologia é geralmente feita com sais metálicos que requerem lixiviação posterior para remover o excesso de sais no solo. Este processo promove a perda de metais em taxas diferentes consoante o elemento, alterando as proporções dos elementos nos rácios. Por esta razão, em experiências com rácios fixos são necessários métodos alternativos de dosagem metais que não necessitem de lixiviação. No capítulo 2 deste trabalho foi testado o uso de óxidos metálicos e cinzas metálicas, que não requerem lixiviação, como alternativas aos sais metálicos. Os métodos de dosagem foram testados quanto à concentração total de metais no solo e à sua toxicidade a três espécies de invertebrados padrão (Folsomia candida, Oppia nitens e Enchytraeus crypticus) utilizando três solos naturais. Comparando com os nitratos metálicos, a dosagem com óxidos e cinzas apresentaram maiores concentrações totais, mais próximas das doses nominais, e mantiveram melhor as proporções de cada rácio. Em termos de toxicidade, os óxidos metálicos foram tóxicos para todas as espécies testadas, embora a inferior à toxicidade dos sais. Por outro lado, as cinzas metálicas não foram tóxicas para nenhuma das espécies. Embora ambos os óxidos e as cinzas tenham mantido melhor a proporção entre elementos, devido ao maior esforço de preparação e à falta de toxicidade das cinzas metálicas, foram utilizados óxidos metálicos nas experiências seguintes. No capítulo 3, foi estudada a ação conjunta dos cinco elementos metálicos em mistura e os seus desvios ao modelo CA. Nesta experiência, foram estabelecidas 10 misturas com rácios fixos com diferente relevância ambiental. Cada rácio foi testado com 10 doses, em três espécies (E. crypticus, F. candida e O. nitens) e com dois solos naturais. Além das misturas, cada metal foi testado individualmente para calcular unidades de toxicidade (TUs) específicas para cada espécie. Os desvios ao modelo CA foram testadas as a diferentes níveis de dose/efeito (EC10 - EC90). A ação conjunta dos metais, foi globalmente aditiva para F. candida, enquanto para E. crypticus e O. nitens apresentaram desvios ao modelo CA, que foram mais pronunciados em doses/efeitos acima e abaixo do EC50. Em particular, foram detetados sinergismos significativos abaixo do EC50, onde são geralmente definidos os limites de proteção ambiental. No capítulo 4, foram testados três rácios fixos (CSQG, ARL e SUD) de cinco elementos numa experiência de microcosmos com comunidades naturais. Nesta experiência foi estabelecido o conceito de concentração efeito para a comunidade, assumindo que à medida que a contaminação aumenta, a similaridade da comunidade entre os tratamentos e o controlo diminui, produzindo uma curva dose resposta e permitindo o cálculo dos valores de ECx da comunidade. O conceito de ECx da comunidade foi aplicado com sucesso para as três misturas de rácio fixo testadas. Nos rácios baseados na legislação (CSQG e ARL), os EC10 da comunidade foram quatro vezes maiores que os valores limite estabelecidos na lei, demonstrando que a legislação atual pode ser demasiado restritiva. Para a mistura estabelecida com base na proporção de metais de um local contaminado (SUD), as concentrações do local contaminado corresponderam apenas a um efeito de 20% (EC20) mas era esperado que provocassem um nível de efeito maior na comunidade, especialmente considerando a exposição mais homogénea que normalmente ocorre nos microcosmos. Estes dados sugerem que na avaliação de risco retrospetiva de metais devem ser tidas em consideração as propriedades do local de estudo, que podem influenciar o efeito dos contaminantes. No capítulo 5, as misturas testadas no capítulo 3 foram usadas numa experiência de TMEs. Nesta experiência, os efeitos das misturas foram medidos na comunidade de microartropodes, na atividade enzimática (desidrogenase, nitrificação potencial e fosfatase ácida), na atividade alimentar e na decomposição da matéria orgânica. Foram utilizadas três doses para cada rácio de mistura (baixa, média e alta) estabelecidas com base nos ECx de comunidade do capítulo 4. Nenhum dos tratamentos testados afetou significativamente a abundância da comunidade de invertebrados após 16 semanas de exposição. Nas enzimas do solo, a fosfatase ácida também não foi afetada, mas a atividade da desidrogenase e a nitrificação potencial foram fortemente afetadas, com uma redução superior a 50% em todos os tratamentos. As misturas também afetaram funcionalidades do ecossistema, mesmo na ausência de efeitos na abundância de microartropodes. Os resultados sugerem que parâmetros estruturais e funcionais nem sempre são corroborados entre si. Na avaliação de risco de metais e das suas misturas devem ser consideradas as propriedades específicas do local, os vários compartimentos do ecossistema e a estrutura e funções do ecossistema para se assegurar uma proteção ambiental adequada e integral.