Spontaneous vegetation colonizing abandoned metal(loid) mine tailings consistently modulates climatic, chemical and biological soil conditions throughout seasons

This study aimed to evaluate whether the improvement in soil conditions induced by the vegetation spontaneously colonizing abandoned metal(loid) mine tailings from semiarid areas is consistent throughout seasons and to identify if the temporal variability of that conditions is of similar magnitude of that of the surrounding forests. Soil climatic (temperature and moisture), chemical (pH, electrical conductivity and water-soluble salts and metal(loid)s) and biological (water-soluble organic carbon and ammonium, microbial biomass carbon, dehydrogenase and β-glucosidase activity, organic matter decomposition and feeding activity of soil dwelling organisms) parameters were seasonally evaluated for one year in bare soils and different vegetated patches within metalliferous mine tailings and surrounding forests in southeast Spain. The results indicated that the improvement in soil conditions (as shown by softening of climatic conditions and lower scores for salinity and water-soluble metals and higher for biological parameters) induced by vegetation colonization was consistent throughout seasons. This amelioration was more evident in the more complex vegetation patches (trees with herbs and shrubs under the canopy), compared to bare soils and simpler soil-plant systems (only trees), and closer to forest soils outside the tailings. Bare soils and, to a lesser extent, vegetation patches solely composed by trees, showed stronger seasonal variability in temperature, moisture content, salinity, and water-soluble metals. In contrast, changes in biological and biological-related parameters were more pronounced in the more complex vegetation patches within mine tailings and surrounding forests due to its greater biological activity. In summary, the results demonstrated that vegetation patches formed by spontaneous colonization act as microsites that modulate seasonal variability in soil conditions and stimulate biological activity. This suggests that tailings vegetation patches might have higher resilience against climate change effects than bare soils. Therefore, they should be preserved as valuable spots in the phytomanagement of metal(loid)s mine tailings from semiarid areas.The present study was supported by the project RESCLICONT (CGL2016-80981-R) funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ and FEDER A way to make Europe. A. Peñalver-Alcalá was hired by the project RESCLICONT. M.N. González-Alcaraz holds a Ramón y Cajal research contract from the Spanish Ministry of Science and Innovation (RYC2020-029322-I). We much appreciate the help of M. Carmen Tercero, Héctor M. Conesa and Irene Sánchez during field and laboratory work. Francisco J. Jiménez-Cárceles, from Biocyma environmental consulting, helped us in vegetation field work. We thank to the technicians of the SAIT-UPCT for their laboratory and analytical assessments

Functional and structural soil regeneration in abandoned mine tailings from semiarid Mediterranean areas: relationships with spontaneous plant colonization

[SPA] Los ecosistemas terrestres degradados por residuos mineros, cuyas características funcionales y estructurales están deterioradas, pueden presentar condiciones estresantes para los organismos vivos, además de suponer un riesgo de transferencia de compuestos potencialmente tóxicos al medio. El objetivo de este trabajo fue evaluar el desarrollo edáfico, estructural y funcional, del suelo asociado a distintas etapas de colonización vegetal espontánea, relacionados con la regeneración del ecosistema, en ambientes Mediterráneos afectados por residuos mineros. Se evaluaron diversos parámetros estructurales (estructura; pH; salinidad; carbono orgánico total; nitrógeno total; metales) y funcionales (carbono de la biomasa microbiana; la actividad β-glucosidasa; el estudio de grupos funcionales de microorganismos) del suelo de cinco ambientes degradados con diferente grado de colonización vegetal, además de en un bosque control sin contaminación. Se observó que existen diferencias estructurales y funcionales entre ambientes, con propiedades del suelo y respuestas funcionales de los ecosistemas más próximas a las del bosque control en los ambientes con mayor colonización vegetal. [ENG] Terrestrial ecosystems degraded by mine waste with functional and structural characteristics deteriorated, can present stressful conditions to organisms, also to mean a transfer risk of potentially toxic compounds to environment. The aim of this study was to assess the soil development, structural and functional, associated to different spontaneous plant colonization stages related with ecosystem regeneration, in Mediterranean environments affected by mine waste. Structural (structure; pH; salinity; total organic carbon; total nitrogen; metals) and functional (microbial biomass carbon; β-glucosidase activity; functional groups of microorganisms study) soil parameters were evaluated in five degraded environments with different plant colonization stage, as well as, a control forest without pollution. Structural and functional differences between environments were observed, with soil properties and functional response of ecosystems closer to control forest in the environments with higher plant colonization.Trabajo financiado por el Ministerio de Industria, Economía y Competitividad (CGL2016-80981-R) y por fondos FEDER y por Campus Mare Nostrum de Excelencia Internacional a través de su Ayuda para la realización de estancias externas de jóvenes investigadores asociados a redes y nodos CMN durante el curso académico 2018/2019

Functional regeneration of soils affected by mine wastes in Mediterranean environments and their resilience against climate change scenarios

[SPA] Los suelos afectados por residuos mineros pueden presentar condiciones estresantes para los organismos vivos, además de suponer un riesgo de transferencia de compuestos potencialmente tóxicos al medio. Esto podría verse agravado en un futuro, ya que tales suelos, cuyas características funcionales y estructurales están deterioradas, tendrán menor capacidad de adaptación (resiliencia) frente al cambio climático. El objetivo de la tesis doctoral es conocer aspectos funcionales y estructurales del suelo relacionados con la regeneración del ecosistema, en ambientes Mediterráneos afectados por residuos mineros, y valorar su resiliencia frente a escenarios de cambio climático. Para ello se estudiarán ambientes con distinto grado de colonización vegetal. Además, se pretende evaluar si la adición de enmiendas orgánicas puede contribuir a mejorar la funcionalidad de los suelos y su respuesta frente a dichos escenarios. Los resultados iniciales indican que pueden existir diferencias funcionales y estructurales entre los distintos ambientes seleccionados, relacionadas con diferentes etapas de colonización vegetal. La adición de enmiendas orgánicas a estos suelos puede ser una práctica de manejo adecuada para mejorar sus propiedades. [ENG] Soils affected by mine wastes might show stressful conditions for biota, as well as to pose a risk of transfer of potentially toxic compounds to the environment. This may worsen in the upcoming decades since these soils, whose functional and structural characteristics are deteriorated, will have less adaptation capability (resilience) to climate change. The objective of the thesis is to know functional and structural aspects of the soil related to ecosystem regeneration, in Mediterranean environments affected by mine wastes, and to evaluate its resilience against climate change scenarios. Moreover, the aim is also to evaluate if organic amendments addition might improve soil functionality and its response to changing climate conditions. To achieve this, environments with different degree of vegetal colonization will be studied. The initial results show that functional and structural differences might exist among the different environments selected, in relation with the distinct stage of vegetal colonization. The addition of organic amendments to these soils could be an adequate management practice to improve their properties.Proyecto financiado por el Ministerio de Industria, Economía y Competitividad (CGL2016-80981-R) y por fondos FEDER

Effect and evolution of organic amendments application on the functionality of metallic mine tailings soils in environments under Mediterranean climate

[SPA] Los depósitos de minería metálica presentan condiciones desfavorables que dificultan la funcionalidad del suelo y la colonización vegetal. El objetivo de este trabajo fue evaluar si la adicción de enmiendas orgánicas (compost de residuos sólidos urbanos + biochar de restos de podas) mejora la funcionalidad de suelos desnudos de un depósito bajo clima Mediterráneo y si favorece la colonización espontánea de la vegetación. Se evaluaron diversos parámetros estacionalmente durante un año tras la adición de las enmiendas (p.e. pH; salinidad; carbono orgánico soluble; metales solubles; carbono de la biomasa microbiana y descomposición de la materia orgánica) La adición de enmiendas orgánicas mejoro las condiciones del suelo. Esto mejoró la funcionalidad microbiana del suelo, que persistió estacionalmente, y favoreció la colonización espontánea de la vegetación. [ENG] Metallic mine tailings present unfavorable soil conditions that hinder soil functionality and plant colonization. The aim of this study was to asses if the addition of organic amendments (compost of urban solid waste + biochar from pruning trees) improved the functionality of bare tailing soils under Mediterranean climate and favored spontaneous plant colonization. A series of soil parameters were seasonally evaluated after organic amendments addition during one year (e.g., pH, salinity, soluble organic carbon, soluble metals, carbon from microbial biomass and decomposition of organic matter). Organic amendments addition improved soil conditions. This enhanced soil microbial functionality, which persisted seasonally, and favored spontaneous plant colonization.Trabajo financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España a través de fondos FEDER (Proyecto RESCLICONT- CGL2016-80981-R)

The relationships between functional and physicochemical soil parameters in metal(loid) mine tailings from Mediterranean semiarid areas support the value of spontaneous vegetation colonization for phytomanagement

Spontaneous growth of native vegetation in abandoned metal(loid) mine tailings can be valuable for phytomanagement restoration projects. This study aimed to assess the degree to which spontaneous plant colonization of abandoned metal(loid) mine tailings from Mediterranean semiarid areas led to functional soil improvement, and to identify, if possible, a critical level indicating that this functionality was moving towards that of the vegetated soils from the surroundings. Vegetation ecological indexes, plant life forms and species functional roles, together with physicochemical and functional soils parameters, were studied in metal(loid) mine tailings abandoned ~40 years ago and surrounding forests in SE Spain. Vegetation patches showed only small differences in physicochemical parameters related to soil abiotic stress conditions (pH, salinity and metals), regardless of the vegetation. However, vegetation patches with greater species diversity and richness and presence of plants with contrasted life forms and functional traits that facilitate the growth of less stress-tolerant species showed an increase of the soil microbial functionality (higher microbial biomass C, β-glucosidase activity, bacterial metabolic activity and functional diversity). Moreover, these vegetation patches showed a functional soil status comparable to that of the forests outside the mine tailings. In this sense, the present study showed the value of preserving these vegetation patches since they may act as nucleation spots favoring positive plant-soil feedbacks that may help to accelerate the functional recovery of these degraded areas. Furthermore, strategies to promote the creation of new vegetation patches including a variety of species with contrasted life forms and functional traits should be considered in phytomanagement restoration projects for abandoned metal(loid) mine tailings.The present study was supported by the project RESCLICONT (CGL2016-80981-R), funded by the Ministry of Science, Innovation and Universities of Spain through FEDER funds; by the project METOXCLIM (PTDC/CTA-AMB/29557/2017), funded by FEDER, through COMPETE2020 - Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), and by national funds (OE), through FCT/MCTES. Thanks are due to FCT/MCTES for the financial support to CESAM (UIDP/50017/2020+UIDB/50017/2020), through national funds. A. Peñalver-Alcalá was hired by the project RESCLICONT and received a grant from the Technical University of Cartagena for a short stay at the University of Aveiro. S. Peixoto holds a PhD grant (SFRH/BD/117738/2016) from FCT. I. Silva received a research fellowship from the METOXCLIM project (BI/CESAM/0063/METOXCLIM/2018). A.R.R. Silva received a research fellowship from the METOXCLIM project (BI/CESAM/00060/METOXCLIM/2018). M.N. González-Alcaraz holds a Saavedra Fajardo research contract from the Séneca Foundation of the Murcia Region. The authors thank F.J. Jiménez-Cárceles from Biocyma S.L. for his valuable help with vegetation fieldwork

Symbiosis between Cretaceous dinosaurs and feather-feeding beetles

Extant terrestrial vertebrates, including birds, have a panoply of symbiotic relationships with many insects and arachnids, such as parasitism or mutualism. Yet, identifying arthropod-vertebrate symbioses in the fossil record has been based largely on indirect evidence; findings of direct association between arthropod guests and dinosaur host remains are exceedingly scarce. Here, we present direct and indirect evidence demonstrating that beetle larvae fed on feathers from an undetermined theropod host (avian or nonavian) 105 million y ago. An exceptional amber assemblage is reported of larval molts (exuviae) intimately associated with plumulaceous feather and other remains, as well as three additional amber pieces preserving isolated conspecific exuviae. Samples were found in the roughly coeval Spanish amber deposits of El Soplao, San Just, and Peñacerrada I. Integration of the morphological, systematic, and taphonomic data shows that the beetle larval exuviae, belonging to three developmental stages, are most consistent with skin/hide beetles (family Dermestidae), an ecologically important group with extant keratophagous species that commonly inhabit bird and mammal nests. These findings show that a symbiotic relationship involving keratophagy comparable to that of beetles and birds in current ecosystems existed between their Early Cretaceous relatives

Dinosaur bonebed amber from an original swamp forest soil

Dinosaur bonebeds with amber content, yet scarce, offer a superior wealth and quality of data on ancient terrestrial ecosystems. However, the preserved palaeodiversity and/or taphonomic characteristics of these exceptional localities had hitherto limited their palaeobiological potential. Here, we describe the amber from the Lower Cretaceous dinosaur bonebed of Ariño (Teruel, Spain) using a multidisciplinary approach. Amber is found in both a root layer with amber strictly in situ and a litter layer mainly composed of aerial pieces unusually rich in bioinclusions, encompassing 11 insect orders, arachnids, and a few plant and vertebrate remains, including a feather. Additional palaeontological data—charophytes, palynomorphs, ostracods— are provided. Ariño arguably represents the most prolific and palaeobiologically diverse locality in which fossiliferous amber and a dinosaur bonebed have been found in association, and the only one known where the vast majority of the palaeontological assemblage suffered no or low-grade pre-burial transport. This has unlocked unprecedentedly complete and reliable palaeoecological data out of two complementary windows of preservation—the bonebed and the amber—from the same site.European Regional Development Fund (FEDER)Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN)/FEDERMinisterio de Economía y Competitividad (MINECO)/FEDERGeneralitat de CatalunyaGeneralitat de Catalunya/FEDERMMinisterio de Ciencia e Innovación (MICINN)Oxford UniversityAustrian Academy of SciencesUniversité de TunisGeneralitat ValencianaDepto. de Geodinámica, Estratigrafía y PaleontologíaFac. de Ciencias GeológicasTRUEpu

Dinosaur bonebed amber from an original swamp forest soil

[EN] Dinosaur bonebeds with amber content, yet scarce, offer a superior wealth and quality of data on ancient terrestrial ecosystems. However, the preserved palaeodiversity and/or taphonomic characteristics of these exceptional localities had hitherto limited their palaeobiological potential. Here, we describe the amber from the Lower Cretaceous dinosaur bonebed of Ariño (Teruel, Spain) using a multidisciplinary approach. Amber is found in both a root layer with amber strictly in situ and a litter layer mainly composed of aerial pieces unusually rich in bioinclusions, encompassing 11 insect orders, arachnids, and a few plant and vertebrate remains, including a feather. Additional palaeontological data-charophytes, palynomorphs, ostracods- are provided. Ariño arguably represents the most prolific and palaeobiologically diverse locality in which fossiliferous amber and a dinosaur bonebed have been found in association, and the only one known where the vast majority of the palaeontological assemblage suffered no or low-grade pre-burial transport. This has unlocked unprecedentedly complete and reliable palaeoecological data out of two complementary windows of preservation-the bonebed and the amber-from the same site.Funding Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades: CGL2017-84419 (Eduardo Barrón, Xavier Delclòs); Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades: PGC2018-094034-B-C22 (Luis Alcalá) ; Ministerio de Economía y Competitividad: CGL2015-69805-P (Carles Martín-Closas) ; Generalitat de Catalunya: 2017SGR-824 (Carles Martín-Closas, Xavier Delclòs) ; Generalitat de Catalunya: 2020FI_B1 00002 (Sergio Álvarez-Parra) ; Oxford University Museum: Research Fellowship (Ricardo Pérez-de la Fuente) ; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades: BES-2016-076469 (Jordi Pérez-Cano) ; Austrian Academy of Sciences: Project 661 (Khaled Trabelsi) ; Université de Tunis: LR18 ES07 (Khaled Trabelsi) ; Generalitat Valenciana: APOSTD2019 (Alba Sánchez-García) ; European Regional Development Fund: IGME13-4E-1518 (Rafael P Lozano)Peer reviewe

Functional and ecotoxicological soil regeneration in abandoned metal(loid) mine tailings from semiarid Mediterranean environments spontaneously colonized by vegetation

[SPA] La minería metálica es una de las actividades más perjudiciales para el medio ambiente a nivel mundial, entre otros motivos debido a la alta cantidad de residuos potencialmente peligrosos con elevada concentración de metales y metaloides (elementos potencialmente tóxicos, PTEs) que produce. Además, las excavaciones y movimientos de tierra pueden llevar a la destrucción completa de las áreas afectadas y sus alrededores. Los depósitos de almacenamiento de residuos (grandes pilas al aire libre que almacenan residuos fangosos procedentes de lavaderos de mineral) son especialmente preocupantes, ya que presentan las mayores concentraciones de PTEs y muchas veces se abandonan in situ tras el cese de la actividad minera sin ninguna medida de restauración. Los suelos de los depósitos mineros se forman a partir de los residuos que éstos almacenan. Aparte de presentar niveles extremadamente altos de PTEs, se caracterizan generalmente por una alta salinidad, valores extremos de pH (de ácido a alcalino), baja disponibilidad de materia orgánica y nutrientes, y falta de estructura edáfica que conduce a una escasa capacidad de retención de agua y de aireación. Entre otras cosas, esto dificulta el crecimiento de la vegetación provocando que muchas veces la superficie de los depósitos permanezca desnuda, favoreciendo la propagación de PTEs a las áreas adyacentes. Las condiciones hostiles impuestas por los residuos mineros no sólo obstaculizan la colonización de las plantas sino también la biodiversidad del suelo, lo que a menudo da lugar a escasa actividad biológica en los suelos de los depósitos. Son suelos con baja capacidad para albergar organismos vivos y, por consiguiente, para desarrollar procesos biológicos. Esto provoca que la funcionalidad de los suelos de los depósitos mineros sea muy limitada, así como su capacidad para proporcionar servicios ecosistémicos. Las técnicas convencionales de remediación de depósitos mineros se basan en soluciones de ingeniería tales como operaciones de remoción y/o aislamiento in situ mediante sellado y plantación. Sin embargo, estas opciones son generalmente costosas y/o técnicamente difíciles de implementar y eso dificulta su implantación. Otras opciones, que pueden ser complementarias a las técnicas de ingeniería, son las técnicas de fitomanejo. El fitomanejo comprende un conjunto de alternativas más baratas y respetuosas con el medio ambiente que buscan manejar el sistema suelo-planta mediante el uso de enmiendas de suelo y/o la introducción de especies de plantas tolerantes a las condiciones extremas de estos ambientes, para controlar la dispersión de PTEs. Dentro del fitomanejo, la fitoestabilización tiene como objetivo reducir la movilidad de los PTEs y/o su (bio)disponibilidad a través de la absorción y/o fijación en las raíces, y/o la inmovilización en el suelo por fenómenos como la precipitación, adsorción, oxidación, reducción, para evitar su entrada en la cadena trófica, así como su migración a las aguas subterráneas. Un proceso que puede ayudar a implementar las técnicas de fitoestabilización es la denominada restauración pasiva, que se basa en la capacidad de las plantas nativas para colonizar y crecer espontáneamente en lugares perturbados. Este fenómeno conduce a la formación de parches de vegetación (llamados a veces islas de fertilidad) cuyos suelos suelen mostrar un mayor contenido de C y N orgánicos y una mayor actividad microbiana que las áreas desnudas adyacentes. Esto es particularmente interesante cuando los depósitos mineros están ubicados en mitad de áreas naturales (por ejemplo, zonas boscosas) rodeados de vegetación que puede esparcir propágulos y semillas que alcanzan con facilidad los depósitos abandonados. En este sentido, favorecer el establecimiento de especies nativas en los depósitos ayuda a crear puntos de nucleación en éstos y a desencadenar la expansión de la vegetación en su superficie. Entre otros, este proceso podría verse favorecido por la adición de enmiendas orgánicas al suelo, como biochar y residuos sólidos urbanos (RSU), que inmovilicen los metal(oid)es y mejoren las condiciones de los suelos. El objetivo general de la Tesis Doctoral fue profundizar en el conocimiento de los aspectos físicos, fisicoquímicos, funcionales y ecotoxicológicos en suelos de depósitos abandonados de minería metálica de ambientes semiáridos Mediterráneos y su relación con la colonización vegetal espontánea, y valorar si la adición de enmiendas orgánicas contribuye a mejorar estos ecosistemas al promover la recuperación de la funcionalidad del suelo y desencadenar la colonización espontánea de la vegetación. Para lograr este objetivo general, se plantearon tres objetivos específicos: 1. Evaluar en qué grado pueden modificarse las condiciones del suelo tras la colonización espontánea de la vegetación en depósitos abandonados de minería metálica, y aportar evidencias sobre el interés de esta colonización para el fitomanejo de estos depósitos. 2. Evaluar en qué medida la colonización vegetal espontánea de depósitos abandonados de minería metálica da lugar a una mejora funcional del suelo e identificar, si es posible, un nivel crítico que indique que esta funcionalidad se aproxima a la de los suelos naturales con vegetación de las áreas circundantes. 3. Evaluar la eficacia de una enmienda orgánica compuesta por biochar (procedente de podas de árboles) y compost de RSU para mejorar las condiciones de suelos ácidos sin cubierta vegetal en depósitos de residuos mineros y valorar si los efectos de dicha enmienda persisten estacionalmente durante un año y favorecen la colonización vegetal espontánea. El área de estudio seleccionada fue el antiguo distrito minero de Cartagena-La Unión (≈50 km2; Región de Murcia, SE España), cuya actividad finalizó en 1991. La zona presenta un clima semiárido Mediterráneo (precipitación media anual ≈200-300 mm, temperatura media anual ≈17 °C, y tasa media anual de evapotranspiración ≈850 mm). La vegetación natural está constituida principalmente por arbustos xerófilos mediterráneos y bosques de pino carrasco (Pinus halepensis). Los principales metales extraídos en la zona fueron Fe, Pb y Zn, obtenidos de minerales como carbonatos, sulfuros y sulfatos. En la actualidad, permanecen en la zona 89 depósitos mineros abandonados, la mayoría de ellos sin ningún tipo de intervención de restauración. El estudio se llevó a cabo en dos de estos depósitos, separados por una distancia de ≈2000 m y construidos a mediados de los años 60 para almacenar los residuos de las minas de galena (PbS), y en las áreas forestales circundantes. Ambos depósitos (ubicados a ≈170-200 m sobre el nivel del mar y situados en pequeños valles de orientación NW a SE) fueron abandonados hace ≈40 años y han sido parcialmente colonizados por la vegetación nativa formando parches irregulares que cubren entre ≈20% y ≈50% de las superficies. A finales de abril-inicios mayo de 2017 se seleccionaron seis ambientes diferentes para el estudio, estableciendo cuatro parcelas de muestreo de 2 m x 2 m en cada uno de ellos: A) Dentro de los depósitos mineros. 1. Suelos desnudos (B); 2. Parches con pequeños grupos de árboles de P. halepensis creciendo dispersos de ≈2,5-5 m de alto (P); 3. Parches formados por árboles aislados de P. halepensis creciendo dispersos de >≈4-5 m de alto arbustos y hierbas bajo su copa (P+S); 4. Parches densos que incluyen varios árboles de P. halepensis de >≈4-5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (DP+S). B) Fuera de los depósitos mineros. 5. Bosque situado junto a los depósitos mineros con árboles de P. halepensis de >≈5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (FN); 6. Bosque situado lejos de los depósitos mineros (≈1600-1800 m) con árboles de P. halepensis de >≈5 m de altura y arbustos y hierbas bajo su copa (FA). Además, en los suelos desnudos dentro de los depósitos se establecieron cuatro parcelas adicionales para un experimento de adición de enmiendas al suelo (AB). Los resultados de la Tesis Doctoral se presentan en tres capítulos: Capítulo 5. Incluye el trabajo planificado para responder al primer objetivo específico, basado en una campaña de trabajo de campo realizada en el verano de 2017. Se evaluaron un conjunto de indicadores del suelo (físicos, fisicoquímicos y biológicos) en condiciones de campo y laboratorio en los ambientes B, P, P+S, DP+S, FN y FA. Los resultados evidencian el interés de la colonización espontánea por parte de la vegetación nativa para el fitomanejo de depósitos de minería metálica, en términos de proporcionar funcionalidad al ecosistema. En los parches de vegetación dentro de los depósitos se encontraron especies de plantas pioneras y nodrizas (favorecedoras de la sucesión vegetal) y los índices ecológicos de vegetación en P+S y DP+S fueron similares a FN y FA. En los suelos de los parches se encontraron evidencias de pedogénesis, como el desarrollo de estructura edáfica y el aumento de la capacidad de intercambio catiónico y el C y N orgánicos, siguiendo un patrón de aumento/mejora B-P-P+S-DP+S. Sin embargo, los contenidos de metal(oid)es del suelo no siguieron el mismo patrón de variación. Por ejemplo (en mg kg-1): P mostró el valor máximo de Cu (≈277) y Zn (≈17860) totales, mientras que P+S de As (≈1250) y Pb (≈14570) totales. B tuvo el máximo de Pb (≈4) y Zn (≈207) solubles en agua, mientras que FA de As (≈0,192) y Cu (≈0,149). El C de la biomasa microbiana del suelo, la actividad enzimática, la respiración de suelo (emisión de CO2), la descomposición de la materia orgánica y la actividad alimentaria de los invertebrados edáficos indicaron una actividad biológica similar o incluso superior en P+S y DP+S que en FN y FA. De hecho, FA mostró alto riesgo de ecotoxicidad del suelo (reproducción reducida del invertebrado Enchytraeus crypticus), atribuible a las altas concentraciones de As soluble en agua. Por lo tanto, de estos resultados se deduce que la vegetación que coloniza espontáneamente los depósitos de residuos mineros puede modificar eficazmente sus suelos, que adquieren la capacidad de proporcionar ciertas funciones del ecosistema. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Álvarez-Rogel, J., Peñalver-Alcalá, A., Jiménez-Cárceles, F.J., Tercero, M.C., González-Alcaraz, M.N. 2021. Evidence supporting the value of spontaneous vegetation for phytomanagement of soil ecosystem functions in abandoned metal(loid) mine tailings. Catena 201, 105191; doi: https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105191. Capítulo 6. Este capítulo incluye el trabajo planificado para responder al segundo objetivo específico, basado en una campaña de trabajo de campo realizada en la primavera de 2018. Se estudiaron los índices ecológicos de la vegetación, las formas de vida de las plantas y los roles funcionales de éstas, junto con parámetros fisicoquímicos y funcionales de los suelos, en los ambientes B, P, P+S, DP+S, FN y FA. Los parches de vegetación solo mostraron pequeñas diferencias en los parámetros fisicoquímicos relacionados con las condiciones de estrés abiótico del suelo (pH, salinidad y metales), independientemente de la vegetación. Sin embargo, parches de vegetación con mayor diversidad y riqueza de especies y presencia de plantas con mayor contraste de formas de vida y rasgos funcionales más diversos que facilitan el crecimiento de especies menos tolerantes al estrés, mostraron un aumento de la funcionalidad microbiana del suelo (mayor C de la biomasa microbiana, actividad β-glucosidasa, actividad metabólica bacteriana y diversidad funcional). Además, estos parches de vegetación mostraron un estado funcional del suelo comparable al de los bosques fuera de los depósitos mineros. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Peñalver-Alcalá, A., Álvarez-Rogel, J., Peixoto, S., Silva, I., Silva, A.R.R., González-Alcaraz, M.N. 2021. The relationships between functional and physicochemical soil parameters in metal(loid) mine tailings from Mediterranean semiarid areas support the value of spontaneous vegetation colonization for phytomanagement. Ecological Engineering 168: 106293; doi: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106293. Capítulo 7. Este capítulo incluye el trabajo planificado para responder al tercer objetivo específico. En abril de 2017 se aplicó una enmienda orgánica consistente en una mezcla de 3:1 de biochar y RSU compostado (dosis de 3% peso seco) a suelos ácidos (pH ≈5,5) sin vegetación de uno de los depósitos mineros. Las concentraciones de metal(oid)es totales en los suelos enmendados fueron (en mg kg-1): As ≈220, Cd ≈40, Mn ≈1800, Pb ≈5300 y Zn ≈8600. Dos meses después de la adición de la enmienda ya se observaron mejoras en las propiedades químicas y fisicoquímicas de los suelos (reducción de la acidez, salinidad y metales solubles en agua y aumento del contenido de C orgánico y nutrientes), que resultó en una reducción de la ecotoxicidad para el invertebrado edáfico Enchytraeus crypticus. El C orgánico recalcitrante proporcionado por el biochar permaneció en el suelo, mientras que los compuestos orgánicos lábiles proporcionados por el RSU se consumieron con el tiempo. Estas mejoras fueron consistentes durante al menos un año y condujeron a una menor densidad aparente, mayor capacidad de retención de agua y mayores niveles para los parámetros microbianos y relacionados con funcionalidad (C de la biomasa microbiana, actividad microbiana catabólica y emisión de CO2) en el suelo enmendado del depósito. El crecimiento espontáneo de la vegetación nativa se favoreció con la adición de enmiendas, pero fue necesario un periodo de tres años para que las plantas colonizadoras persistieran y alcanzaran tamaño adulto. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el artículo científico: Peñalver-Alcalá, A., Álvarez-Rogel, J., Conesa, H.M., González-Alcaraz, M.N. 2021. Biochar and urban solid refuse ameliorate the inhospitality of acidic mine tailings and foster effective spontaneous plant colonization under semiarid climate. Journal of Environmental Management 292: 112824; https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112824. Las conclusiones generales de la Tesis Doctoral son tres: 1) La colonización vegetal espontánea de depósitos abandonados de minera metálica de zonas semiáridas Mediterráneas induce mejora de las condiciones físicas, fisicoquímicas, funcionales y ecotoxicológicas del suelo, independientemente de los niveles de meta(oid)es totales. 2) La riqueza y diversidad de especies vegetales con formas de vida diferentes y rasgos funcionales distintos parecen ser factores clave para lograr una mejora funcional efectiva del suelo en los parches de vegetación de depósitos mineros espontáneamente colonizados. 3) La combinación de biochar de podas de árboles y RSU compostado es, en general, una enmienda adecuada para mejorar los suelos ácidos de depósitos de residuos mineros, promoviendo su recuperación funcional y desencadenando la colonización espontánea de la vegetación.[ENG] Metal mining is one of the most environmentally detrimental activities worldwide, among others, due to the high load of (hazardous) wastes disposed. Mining can cause extreme impacts on the affected ecosystem(s), which can lead to multi-elemental pollution problems and, in some cases, to the complete destruction of the affected areas and their surroundings. Of particular concern are the so-called mine tailings (open-air piles that store muddy residues), which are, on many occasions, abandoned in situ after the mining activity ceases without any restoration. Mine tailings soils are formed from the mine wastes they store. Apart from extremely high metal(loid) levels, they are generally characterized by high salinity, extreme pH values (from acid to alkaline), low availability of organic matter and nutrients, and lack of physical structure that leads to reduced water retention capacity and aeration. Among others, this tends to cause lack of vegetation and that tailing surfaces remain bare, favoring the spread of potentially toxic elements (PTEs) to adjacent areas. The hostile conditions imposed by tailing wastes not only hinder plant colonization but also soil biodiversity, often leading to low-biologically active tailing soils (soils with low capacity to shelter living organisms and, consequently, to support biological processes). Thereby, the functionality of mine tailings soils is often restricted, as well as their capacity to provide ecosystem services. Conventional mine tailings remediation techniques are based on engineering solutions such as removal operations and/or on-site isolation by sealing and afforestation. However, these options are generally expensive and/or technically difficult to implement. Other options, which can be complementary to engineering ones, are phytomanagement techniques. Phytomanagement comprises a set of cheaper and environmentally friendly alternatives that seek to manipulate the soil-plant system (by using soil amendments and/or tolerant plants) to control the fluxes of pollutants in the environment. Within phytomanagement, phytostabilization aims to reduce pollutants mobility and (bio)availability via root uptake, precipitation or reduction to prevent their entry into the food chain as well as their migration to groundwater. Phytostabilization can take advantage of the so-called passive restoration that relies on the capability of native plants to colonize and grow spontaneously in disturbed places. This phenomenon leads to the formation of vegetated patches (fertility islands) whose soils usually show higher contents of soil organic C and N and higher microbial activity than the adjacent surrounding barren areas. This is particularly interesting when mine tailings are embedded in vegetated areas that can spread propagules and seeds to tailings. In this sense, favoring the natural recruitment of native species might help to create nucleation spots and to trigger vegetation expansion within mine tailings. Among others, this process could be favored by the addition of soil organic amendments, as biochar and urban solid refuse (USR), which immobilize metal(loid)s and improve the conditions of tailing soils. The general objective of the PhD Thesis was to deepen the knowledge of physical, physicochemical, functional and ecotoxicological aspects in soils of abandoned metal(loid) mine tailings from Mediterranean semiarid environments and their relationship with spontaneous plant colonization, and whether the addition of organic amendments contributes to improving these ecosystems by promoting the recovery of soil functionality and triggering the spontaneous colonization of vegetation. To achieve this general objective, three specific objectives were raised: 1. To evaluate in which degree soil conditions can be modified following spontaneous vegetation colonization in abandoned metal(loid) mine tailings, and to provide evidence about the interest of this colonization for the phytomanagement of these structures. 2. To assess to what degree spontaneous plant colonization of abandoned metal(loid) mine tailings led to functional soil improvement and to identify, if possible, a critical level indicating that this functionality was moving towards that of the natural vegetated soils from the surrounding areas. 3. To assess the effectiveness of an organic amendment composed of biochar from pruning trees and compost from USR to ameliorate the conditions of barren metal(loid) acidic mine tailings soils and if these effects persist seasonally over a year, and whether the organic amendment favors spontaneous plant colonization. The selected study area was the former metal mining district of Cartagena‐La Unión (≈50 km2; Murcia Region, SE Spain), which ended its activity in 1991. The area presents a Mediterranean semiarid climate (mean annual precipitation ≈200-300 mm, mean annual temperature ≈17 °C, and mean annual evapotranspiration rate ≈850 mm) and the natural vegetation is mainly constituted by xerophytic shrubs and small formations of pine trees (Pinus halepensis). The principal metals extracted were Fe, Pb and Zn, obtained from minerals such as carbonates, sulfides, and sulfates. At present, 89 mine tailings remain in the area, most of them abandoned without any type of intervention. Specifically, the study was conducted in two mine tailings ≈2000 m apart built by mid-60’s to store wastes from mines exploiting galena ore, and in the surrounding forest areas. Both tailings (similar altitude, ≈170-200 m a.s.l., and embedded in small valleys NW to SE facing) were abandoned ≈40 years ago and have been partially colonized by native vegetation in a patchy structure with covers between ≈20% and ≈50%. One environment devoid of vegetation and five different types of vegetated environments inside and outside of the mine tailings were selected in April-May 2017. The environments studied were (four plots of 2 m x 2 m per environment): A) Four inside the mine tailings. 1. Bare soils (B); 2. Patches with small groups of P. halepensis trees ≈2.5-5 m high growing scattered (P); 3. Patches formed by isolated P. halepensis trees >≈4-5 m high growing scattered with shrubs and herbs under the canopy (P+S); 4. Dense patches including several P. halepensis trees >≈4-5 m high and shrubs and herbs under the canopy (DP+S). B) Two outside the mine tailings. 5. Forest located next to the mine tailings with P. halepensis trees >≈5 m high and shrubs and herbs under the canopy (FN); 6. Forest located away from the mine tailings (≈1600-1800 m) with P. halepensis trees >≈5 m high and shrubs and herbs under the canopy (FA). In addition, in bare soils, four additional plots were established for a soil amendment addition experiment (AB). The following three chapters include the results of the PhD Thesis: Cha

Biochar and urban solid refuse ameliorate the inhospitality of acidic mine tailings and foster effective spontaneous plant colonization under semiarid climate

Phytomanagement is considered a suitable option in line with nature-based solutions to reduce environmental risks associated to metal(loid) mine tailings. We aimed at assessing the effectiveness of biochar from pruning trees combined with compost from urban solid refuse (USR) to ameliorate the conditions of barren acidic (pH ~5.5) metal(loid) mine tailing soils (total concentrations in mg kg-1: As ~220, Cd ~40, Mn ~1800, Pb ~5300 and Zn ~8600) from Mediterranean semiarid areas and promote spontaneous plant colonization. Two months after amendment addition were enough to observe improvements in chemical and physico-chemical tailing soil properties (reduced acidity, salinity and water-soluble metals and increased organic carbon and nutrients content), which resulted in lowered ecotoxicity for the soil invertebrate Enchytraeus crypticus. Recalcitrant organic carbon provided by biochar remained in soil whereas labile organic compounds provided by USR were consumed over time. These improvements were consistent for at least one year and led to lower bulk density, higher water retention capacity and higher scores for microbial/functional-related parameters in the amended tailing soil. Spontaneous growth of native vegetation was favored with amendment addition, but adult plants of remarkable size were only found after three years. This highlights the existence of a time-lag between the positive effects of the amendment on tailing soil properties being observed and these improvements being translated into effective spontaneous plant colonization.The present study was supported by the project RESCLICONT (CGL2016-80981-R), funded by the Ministry of Science, Innovation and Universities of Spain through FEDER funds; by the project METOXCLIM (PTDC/CTA-AMB/29557/2017), funded by FEDER, through COMPETE2020 - Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), and by national funds (OE), through FCT/MCTES. Thanks are due to FCT/MCTES for the financial support to CESAM (UIDP/50017/2020+UIDB/50017/2020), through national funds. A. Peñalver-Alcalá was hired by the project RESCLICONT. In addition, he received two mobility fellowships for short stays at the University of Aveiro, one from the Campus Mare Nostrum of the Murcia Region-Spain and the other one from the Internal PhD Mobility Program of the Technical University of Cartagena. M.N. González-Alcaraz holds a Saavedra Fajardo research contract from the Séneca Foundation of the Murcia Region-Spain. The authors thank F.J. Jiménez-Cárceles from Biocyma S.L. for his valuable help with vegetation fieldwork. We also thanks D. Sánchez Bisquert, I. Tunç and P.A. Madrid Sánchez for their valuable help during the laboratory wor