Dynamics of nitrogen, phosphorus and metals in eutrophic wetlands affected by mine wastes. Effects of liming on plant growth and metals mobility

The Mar Menor lagoon (SE Spain) is one of the largest coastal lagoons of the Mediterranean basin (135 km2 surface). The lagoon and its associated wetlands are affected by eutrophic water of agricultural and urban origin, with high loads of nitrogen and phosphorus, and by metal mine wastes carried by the surface watercourses coming from the former mining area of Sierra de Cartagena-La Unión. The objectives of this work were: 1) To study the biogeochemical processes related to the dynamics of nitrogen and phosphorus in the soil-water-plant system of eutrophic wetlands polluted by metal mine wastes, in order to identify their possible role as sinks or sources of both nutrients, and 2) To assay the effect of liming, presence of plants, and hydric/flooding conditions on metals mobility in the soil-water-plant system of eutrophic wetlands polluted by metal mine wastes, in order to identify the advantages and drawbacks of these conventional remediation treatments. To achieve these objectives, three experimental studies were performed under greenhouse conditions. In the experiments, soils polluted by metal mine wastes from the Marina del Carmolí and the Lo Poyo salt marshes, and plant species typical of these environments (Sarcocornia fruticosa and Phragmites australis) were used. In addition, eutrophic water from local surface watercourses and eutrophic water synthetically prepared were employed. In the first experiment, loam soils from the Marina del Carmolí (pH~7.8) and sandy-loam soils from the Lo Poyo salt marsh (pH~6.2) were used. Three pot treatments were assayed: S. fruticosa, P. australis, and bare soil. The pots were flooded for 15 weeks with eutrophic water, and pH, Eh, and the concentrations of NO3-, PO43-, and water-soluble organic carbon in the soil solution were regularly monitored. Before and after the flooding period, a soil P-fractionation was performed. -In relation to N dynamics, the NO3- concentrations in the soil solution decreased between 70 and 90% by the second day of flooding, except in the unvegetated pots with the soil of pH~6.2. Denitrification was the main mechanism associated to the removal of NO3-. The role of vegetation in improving the rhizospheric environment was relevant in the soil of pH~6.2 because higher sand content, lower pH, and higher soluble metal concentrations might strongly hinder microbial activity. -In relation to P dynamics, the PO43- concentrations in the soil solution decreased between 80 and 90% after three hours of flooding, with and without vegetation. The Fe/Mn/Al oxides and the Ca/Mg compounds played an important role in soil P retention. In the pots with S. fruticosa, the reductive conditions induced P release from metal oxides and P retention to Ca/Mg compounds. In turn, P. australis may have favoured the release of P from carbonates, which was transferred to Fe/Mn/Al compounds. In the second experiment, soils with fine texture from the Marina del Carmolí (in this case of pH~6.4) and sandy soils from the Lo Poyo salt marsh (in this case of pH~3.1) were used. Each type of polluted soil was mixed with a lime amendment (dose of 20 g kg-1), assaying two treatments: non-limed and limed soil. Cuttings of S. fruticosa were planted in pots prepared with the soil treatments. The pots were irrigated for 10 months with eutrophic water and soluble metal concentrations (Al, Cd, Mn, Pb, and Zn) and plant survival, plant biomass, and plant metal content were determined. The lime amendment decreased the concentrations of soluble metals and favoured the growth of S. fruticosa, enhancing the capacity of the plant to phytostabilise metals in roots. In the third experiment, soils with fine texture from the Marina del Carmolí (in this case of pH~6.4) and sandy soils from the Lo Poyo salt marsh (in this case of pH~3.1) were used. Each type of polluted soil was mixed with a lime amendment (dose of 20 g kg-1). Simulated soil profiles (60 cm depth) were constructed and four treatments were assayed: without liming + without plant, without liming + with plant, with liming + without plant, and with liming + with plant. The plant species employed was S. fruticosa. Three horizons were differentiated in the soil profiles: A (never under water), C1 (alternating flooding-drying conditions), and C2 (always under water). The pH, Eh, and soluble metal concentrations (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, and Zn) were measured regularly at each depth for 18 weeks. At the end of the experiment a soil metal-fractionation was applied. The lime amendment favoured the growth of S. fruticosa, an increase in pH, and a drop in Eh. -In relation to Fe dynamics, liming decreased Fe solubility, mainly in the soil of pH~3.1, but also facilitated a drop in Eh, favouring the dissolution of amorphous Fe oxides and hence increasing the concentration of soluble Fe. The plant rhizosphere contributed to the decrease of Eh and actively re-distributed the dissolved Fe along the soil profiles. -In relation to Cd, Cu, Mn, Pb, and Zn dynamics in the soil of pH~6.4, the lime amendment was effective for immobilising Mn, Zn, and Cd, but not Cu and Pb. The growth of S. fruticosa counteracted the effect of liming, strongly increasing the concentrations of soluble metals and distributing them through the soil profiles. -In relation to Cd, Cu, Mn, Pb, and Zn dynamics in the soil of pH~3.1, liming was effective for immobilising Zn, Cu, and Pb, but not Mn and Cd. The amendment increased the contents of Zn, Mn, and Cd bound to potentially-mobilisable soil fractions at the expense of the most-environmentally-inert fractions. In conclusion, the choice of the most appropriate phytomanagement techniques for recovering eutrophic wetlands polluted by metal mine wastes depends on the particular characteristics of the soil-water-plant system, the hydric/flooding regime, and the type of pollutant (nitrogen, phosphorus, and metals).Universidad Politécnica de Cartagen

Eutrophication and metal pollution by mining waste in coastal wetlands of the Mar Menor: understanding biogeochemical processes with a view to introducing management strategies

[SPA] En este capítulo se resumen los resultados de diversos experimentos realizados con suelos (afectados y no afectados por residuos de minería) y plantas procedentes de dos humedales de la costa del Mar Menor: la Marina del Carmolí y el saladar de Lo Poyo. Se estudiaron los mecanismos biogeoquímicos que determinan la capacidad de estos ambientes para actuar como filtros verdes frente a las aguas eutrofizadas cargadas en nitratos (NO3 –) y fosfatos (PO4 3–), valorando el efecto de las plantas y del encalado de los suelos sobre dicha capacidad. También se cuantificó la transformación de NO3 – en óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero, y se discutieron los efectos negativos que pueden tener estos ambientes como emisores de dicho gas, que contribuye al calentamiento global, frente a los positivos para depurar las aguas que vierten al Mar Menor. Por otro lado, se analizaron los mecanismos implicados en la movilidad de los metales pesados en el sistema suelo-agua-planta en zonas afectadas por residuos mineros y se evaluaron alternativas de manejo para reducir los riesgos asociados a dichos metales. Como síntesis de las lecciones aprendidas podemos decir que: a) el papel de los humedales costeros del Mar Menor para depurar las aguas cargadas de NO3 – se produce a costa de emitir altas concentraciones de N2O a la atmósfera a través de la desnitrificación y la de depurar PO4 3– a costa de almacenar fósforo en los suelos; b) en suelos inundados la contribución de la vegetación (en particular carrizo, Phragmites australis) a la eliminación de NO3 – está más relacionada con crear un ambiente favorable para la actividad de los microorganismos en el entorno de sus raíces que en absorber dichos NO3 –; c) en suelos en fase de secado la absorción de NO3 – por el carrizo gana en importancia, contribuyendo a reducir la concentración de NO3 –disponible para la formación y emisión de N2O a la atmósfera a través del proceso de desnitrificación; d) muchas zonas de los humedales estudiados presentan una elevada concentración de metales pesados en sus suelos debido a la presencia de residuos mineros, lo que supone un riesgo para el medio ambiente y la salud de las personas; e) la solubilidad y movilidad de los metales depende del metal, de la humedad del suelo y de la presencia/ausencia de plantas (así como de la especie de planta), por lo que las medidas de manejo que impliquen la adición de enmiendas y la implantación de vegetación deben ser planificadas para cada caso particular conociendo con todo detalle las condiciones biogeoquímicas que van a existir tras las actuaciones que se realicen. [ENG] This chapter summarizes the results of a number of experiments carried out with soils (affected and unaffected by mining waste) and plants collected from two wetlands of the Mar Menor lagoon: the Marina del Carmolí and the Lo Poyo salt marsh. The biogeochemical mechanisms responsible for the capacity of these wetlands to act as green filters against eutrophic water with a high nitrate (NO3 –) and phosphate (PO4 3–) content were studied. The effect of plants and liming on this capacity were also evaluated. In an experiment, the transformation of NO3 – into N2O (a greenhouse gas) by denitrification was evaluated, and the negative consequences of N2O for global warming were discussed in relation with the positive effect of these wetlands in purifying eutrophic water that reaches the Mar Menor. The mechanisms influencing the solubility and mobility of heavy metals in the soil-water-plant system were also studied, and some proposals were suggested for the management of wetlands polluted by mine wastes. The lessons learned can be summed up as: a) the role of coastal wetlands of the Mar Menor in purifying eutrophic water with high NO3 – content implies high N2O emissions to the atmosphere, whilst their role in purifying PO4 3– implies that their soils act as phosphorus sinks; b) in flooded soils, the main role of plants (mainly Phragmites australis, common reed) in reducing NO3 – concentrations in eutrophic water is to promote microbial activity in the rhizosphere, which favours denitrification, the absorption of NO3 – by plants playing a secondary role; c) when soils are drying, however, the role of NO3 – absorption by Phragmites becomes more significant, this absorption reducing the NO3 available for N2O formation and emission via denitrification; d) extensive zones of the wetlands are affected by extremely high heavy metal concentrations in soil due to the presence of mining waste, which poses a risk for the environment and human health; e) the solubility and mobility of metals are specific for each metal and are influenced by soil moisture levels and the presence of different plant species; hence, the implementation of management strategies that imply the use of remedial actions and replanting must be planned on a case-by-case basis and only after a detailed analysis of the resulting biogeochemical conditions has been carried out

Eutrophication and metal pollution by mining waste in coastal wetlands of the Mar Menor: understanding biogeochemical processes with a view to introducing management strategies

[SPA] En este capítulo se resumen los resultados de diversos experimentos realizados con suelos (afectados y no afectados por residuos de minería) y plantas procedentes de dos humedales de la costa del Mar Menor: la Marina del Carmolí y el saladar de Lo Poyo. Se estudiaron los mecanismos biogeoquímicos que determinan la capacidad de estos ambientes para actuar como filtros verdes frente a las aguas eutrofizadas cargadas en nitratos (NO3 –) y fosfatos (PO4 3–), valorando el efecto de las plantas y del encalado de los suelos sobre dicha capacidad. También se cuantificó la transformación de NO3 – en óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero, y se discutieron los efectos negativos que pueden tener estos ambientes como emisores de dicho gas, que contribuye al calentamiento global, frente a los positivos para depurar las aguas que vierten al Mar Menor. Por otro lado, se analizaron los mecanismos implicados en la movilidad de los metales pesados en el sistema suelo-agua-planta en zonas afectadas por residuos mineros y se evaluaron alternativas de manejo para reducir los riesgos asociados a dichos metales. Como síntesis de las lecciones aprendidas podemos decir que: a) el papel de los humedales costeros del Mar Menor para depurar las aguas cargadas de NO3 – se produce a costa de emitir altas concentraciones de N2O a la atmósfera a través de la desnitrificación y la de depurar PO4 3– a costa de almacenar fósforo en los suelos; b) en suelos inundados la contribución de la vegetación (en particular carrizo, Phragmites australis) a la eliminación de NO3 – está más relacionada con crear un ambiente favorable para la actividad de los microorganismos en el entorno de sus raíces que en absorber dichos NO3 –; c) en suelos en fase de secado la absorción de NO3 – por el carrizo gana en importancia, contribuyendo a reducir la concentración de NO3 –disponible para la formación y emisión de N2O a la atmósfera a través del proceso de desnitrificación; d) muchas zonas de los humedales estudiados presentan una elevada concentración de metales pesados en sus suelos debido a la presencia de residuos mineros, lo que supone un riesgo para el medio ambiente y la salud de las personas; e) la solubilidad y movilidad de los metales depende del metal, de la humedad del suelo y de la presencia/ausencia de plantas (así como de la especie de planta), por lo que las medidas de manejo que impliquen la adición de enmiendas y la implantación de vegetación deben ser planificadas para cada caso particular conociendo con todo detalle las condiciones biogeoquímicas que van a existir tras las actuaciones que se realicen. [ENG] This chapter summarizes the results of a number of experiments carried out with soils (affected and unaffected by mining waste) and plants collected from two wetlands of the Mar Menor lagoon: the Marina del Carmolí and the Lo Poyo salt marsh. The biogeochemical mechanisms responsible for the capacity of these wetlands to act as green filters against eutrophic water with a high nitrate (NO3 –) and phosphate (PO4 3–) content were studied. The effect of plants and liming on this capacity were also evaluated. In an experiment, the transformation of NO3 – into N2O (a greenhouse gas) by denitrification was evaluated, and the negative consequences of N2O for global warming were discussed in relation with the positive effect of these wetlands in purifying eutrophic water that reaches the Mar Menor. The mechanisms influencing the solubility and mobility of heavy metals in the soil-water-plant system were also studied, and some proposals were suggested for the management of wetlands polluted by mine wastes. The lessons learned can be summed up as: a) the role of coastal wetlands of the Mar Menor in purifying eutrophic water with high NO3 – content implies high N2O emissions to the atmosphere, whilst their role in purifying PO4 3– implies that their soils act as phosphorus sinks; b) in flooded soils, the main role of plants (mainly Phragmites australis, common reed) in reducing NO3 – concentrations in eutrophic water is to promote microbial activity in the rhizosphere, which favours denitrification, the absorption of NO3 – by plants playing a secondary role; c) when soils are drying, however, the role of NO3 – absorption by Phragmites becomes more significant, this absorption reducing the NO3 available for N2O formation and emission via denitrification; d) extensive zones of the wetlands are affected by extremely high heavy metal concentrations in soil due to the presence of mining waste, which poses a risk for the environment and human health; e) the solubility and mobility of metals are specific for each metal and are influenced by soil moisture levels and the presence of different plant species; hence, the implementation of management strategies that imply the use of remedial actions and replanting must be planned on a case-by-case basis and only after a detailed analysis of the resulting biogeochemical conditions has been carried out

Procesos biogeoquímicos y eliminación de nitrógeno y fósforo de aguas eutrofizadas en humedales del entorno del Mar Menor: resultados experimentales en mesocosmo

[SPA] Los humedales naturales y artificiales son sistemas capaces de transformar y/o eliminar compuestos nocivos, depurando las aguas eutrofizadas y/o contaminadas que fluyen a través de los mismos. Su papel como filtros verdes está determinado, fundamentalmente, por los procesos biogeoquímicos asociados a los cambios en las condiciones de oxidación-reducción, tales como la desnitrificación, así como por la fijación de contaminantes a diversos componentes del suelo, su precipitación y co-precipitación con otros compuestos e inmovilización en la biomasa vegetal. La laguna del Mar Menor y sus humedales asociados (por ejemplo, la Marina del Carmolí), se encuentran afectados por vertidos de aguas eutrofizadas de origen agrícola y urbano, con altas concentraciones de N y P. El deterioro de la calidad de las aguas de la laguna se ha acentuado en los últimos años, debido principalmente al aumento del grado de eutrofización, conduciendo a una crisis medioambiental en 2016. El objetivo principal de la Tesis fue estudiar, en condiciones experimentales, los procesos biogeoquímicos, microbiológicos y fisiológicos en el sistema suelo-agua-planta de humedales del entorno del Mar Menor afectados por aguas eutrofizadas, bajo condiciones alternantes de inundación-secado, a fin de determinar en qué medida la presencia de plantas de Phragmites australis, la carga de nutrientes (C orgánico, N y P) y el periodo del año influyen en la capacidad de estos sistemas para depurar aguas eutrofizadas y su relación con la emisión de CO2 y N2O. Los objetivos específicos fueron: 1. Evaluar el papel de la carga de nutrientes del agua de inundación y la presencia de Phragmites australis en la variabilidad estacional de las propiedades físico-químicas y microbiológicas del suelo, así como de las emisiones de CO2, en humedales afectados por aguas eutrofizadas. 2. Evaluar la capacidad de eliminación de N-N2O del suelo, el humedales afectados por aguas eutrofizadas, y determinar si dichos procesos están condicionados por la carga de nutrientes, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. 3. Evaluar la capacidad de retención de P en humedales afectados por aguas eutrofizadas y determinar si dicha retención está condicionada por la carga de nutrientes, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año, así como la contribución de las plantas y de diferentes componentes del suelo en la retención de P.[ENG] Wetlands have the capacity to transformand/or remove harmful compounds (e.g. nutrients), improving the quality of eutrophic and/or contaminated waters flowing through them. Their role as green filters mainly depend on the biogeochemical processes related to the changes in the oxidation reduction conditions, such as denitrification, as well as on the fixation of contaminants to various soil components, their precipitation or co –precipitation with other substances and their immobilization in plant biomass. The Mar Menor lagoon (SE Spain), with 135 km2 of surface area, is the largest coastal lagoon of the Mediterranean basin. The lagoon and its associated wetlands (e.g. Marina del Carmolí salt marsh) are affected by eutrophic waters of agricultural and urban origin, with high loads of nitrogen (N) and phosphorus (P). The wáter quality deterioration of the lagoon has increased in the last years, mainly due to its eutrophication, leading to an environmental crisis in 2016. The general objective of the PhD Thesis was to study, under experimental conditions, the biogeochemical, microbiological and physiological processes in the soil –water–plant system of the Mar Menor’s wetlands affected by eutrophic waters, under alternating flooding–drying conditions, in order to assess to what extent the presence of Phragmites australis ,the nutrient load (organic carbon, N and P) and the time of the year influence the capacity of these systems to depurate eutrophic waters and its relation to carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) emissions.Esta Tesis se ha realizado bajo la financiación del siguiente proyecto: Relaciones entre los ciclos biogeoquímicos y la función de los humedales como filtros verdes: efecto de la eutrofización, la especie vegetal y el periodo del año sobre el secuestro de carbono ”, cofinanciado por el Ministerio de Economía y Competitividad (CGL2010–20214)–Fondos FEDEREscuela Internacional de DoctoradoUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentari

Mar Menor: una laguna singular y sensible. Evaluación científica de su estado.

Este libro recopila las aportaciones que equipos de investigación de la Universidad de Murcia, Universidad Politécnica de Cartagena, Instituto Geológico-Minero de España, Universidad de Alicante, el Instituto Español de Oceanografía y otros organismos hicieron en las Jornadas Científicas del Mar Menor, celebradas en diciembre de 2014.La información recogida en este libro se estructura en dos grandes bloques, uno de Biología y Ecología del Mar Menor (capítulos 1 al 8) y otro de Condiciones fisicoquímicas e impacto de actividades humanas en la laguna (capítulos 9 al 14). El primer bloque resume buena parte de los estudios ecológicos realizados en el Mar Menor, que han servido para mejorar su conocimiento y también para cambiar antiguas asunciones sobre la naturaleza y el funcionamiento de estos ecosistemas lagunares (Capítulo 1). El segundo capítulo muestra que esta laguna alberga en zonas someras de su perímetro hábitats fundamentales para mantener y conservar tanto especies migratorias como residentes, que es necesario conocer para paliar el impacto de las actividades humanas que les afectan. En este sentido la reducción de la carga de nutrientes y contaminantes orgánicos e inorgánicos que fluyen hacia el Mar Menor puede ayudar a preservar la laguna en mejores condiciones, bien sea tratando las escorrentías (plantas de tratamiento, humedales artificiales u otras técnicas) y recuperar este agua para uso agrícola o evitar su descarga en la laguna (Capítulo 3). Estas actuaciones serán clave para la conservación de especies emblemáticas como el caballito de mar (Capítulo 4) y reducir el impacto de las proliferaciones masivas de medusas que se producen en la laguna desde 1993 (Capítulo 5). En este mismo sentido los cambios acaecidos en la laguna han favorecido la incursión de invertebrados marinos alóctonos (Capítulo 6) y han afectado a la respuesta de la dinámica poblacional de las aves acuáticas a distintas escalas (Capítulo 7). Para completar este bloque se ofrece una perspectiva histórica de la importancia que ha tenido la investigación sobre acuicultura realizada en esta laguna, que ha servido de base para su gran desarrollo actual (Capítulo 8). El segundo bloque se inicia con una evaluación del origen y evolución del Mar Menor desde el punto de vista geológico, y evidencia su vulnerabilidad ante el deterioro que puede sufrir la desaparición de la barrera de cierre y/o su colmatación (Capítulo 9). En el Capítulo 10 se describe la relevancia que tiene la interacción de los acuíferos del Campo de Cartagena con la laguna, que se produce no sólo a nivel superficial sino también subterráneo. Esta interacción permite el acceso de nutrientes a la laguna, a pesar de la cierta capacidad de depuración de los humedales que le circundan, y también de metales traza por los aportes de residuos mineros (Capítulo 11). De hecho los metales traza están presentes en los sedimentos de la laguna, y su distribución se ha caracterizado en la columna sedimentaria relacionándola con la granulometría y el contenido de materia orgánica del sedimento (Capítulo 12). Posteriormente se describe la entrada de diversos contaminantes orgánicos, incluyendo pesticidas y fármacos a través de la rambla del Albujón, y su distribución estacional en agua y sedimento de la laguna (Capítulo 13). Este segundo bloque finaliza con el Capítulo 14 en el que se describe la bioacumulación de hidrocarburos aromáticos policíclicos, pesticidas y fármacos en moluscos y peces del Mar Menor, así como los efectos biológicos que la carga contaminante que accede a través de la rambla del Albujón produce en los organismos que allí habitan. El libro concluye con un breve epílogo redactado por los editores de este libro.Versión del edito