Contaminated soil exposure assessment in Portugal and in the EU

Este estudo baseou-se na análise dos mecanismos de transferência de elementos potencialmente tóxicos (PTE’s) entre o solo, a solução do solo e as plantas como forma de realizar uma avaliação mais eficaz do risco em áreas agrícolas. Foram aplicados conceitos recentemente desenvolvidos para a avaliação da reactividade biogeoquímica de contaminantes no solo e da sua partição sólido:solução recorrendo-se a modelos empíricos (tipo Freundlich). Estes modelos permitiram analisar a transferência de PTE’s ao longo da cadeia alimentar e avaliar o impacto da contaminação do solo na qualidade da alimentação animal (forragens) e Humana (vegetais e carne) em Portugal. Os modelos empíricos de transferência solo-planta de PTE’s foram utilizadas para obter limites críticos para estes elementos em solos agrícolas em Portugal, a partir dos seus limites legais nos alimentos para animais e teores máximos nos géneros alimentícios. Simultaneamente, modelos de exposição Humana a contaminantes do solo, desenvolvidos noutros países da UE foram analisados e foi proposto um modelo de exposição para Portugal. Este trabalho é uma contribuição para o desenvolvimento de critérios de qualidade de solos para áreas agrícolas em Portugal, tendo em vista a protecção da saúde animal e Humana. Contribuiu também para o desenvolvimento de uma estratégia de harmonização de políticas de protecção do solo (nomeadamente no que diz respeito aos problemas de contaminação) na União Europeia.

Efeitos da toxicidade por metais pesados em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii: diversidade e resposta de população isoladas de uma mina de chumbo

Nas últimas décadas verificou-se um aumento da contaminação dos solos com metais pesados resultante de processos antropogénicos. As descargas de efluentes industriais, a actividade mineira e a aplicação de lamas residuais e de fertilizantes são as principais fontes de metais pesados. Em certas regiões, a acumulação destes elementos nos solos tem atingido níveis preocupantes para o equilíbrio dos ecossistemas. Vários estudos têm demonstrado que os metais influenciam os microrganismos afectando adversamente o seu crescimento, morfologia e actividades bioquímicas resultando num decréscimo da biomassa e diversidade. Entre os microrganismos do solo, as bactérias pertencentes ao género Rhizobium têm um elevado interesse científico, económico e ecológico devido à sua capacidade para fixar azoto. Deste modo, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese incidiu sobre o efeito da toxicidade imposta pelos metais nas bactérias fixadoras de azoto, em particular em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii e teve como principais objectivos: determinar o efeito dos metais pesados na sobrevivência e na capacidade de fixar azoto dos isolados de rizóbio; avaliar a influência dos metais na diversidade das populações de rizóbio isoladas de solos contaminados; determinar os níveis de tolerância do rizóbio a diferentes metais e analisar a resposta ao stresse oxidativo imposto pelo cádmio. A Mina do Braçal foi o local de estudo escolhido uma vez que os seus solos estão muito contaminados com metais em resultado da extracção de minério durante mais de 100 anos. Foram escolhidos 3 solos com diferentes graus de contaminação, o solo BC com concentrações reduzidas de metais, escolhido por estar numa zona já fora da mina e designado por solo controlo e os solos BD e BA considerados medianamente e muito contaminados, respectivamente. O Pb e o Cd foram os metais predominantes nestes solos, assim como o metalóide As, cujas concentrações ultrapassaram largamente os limites previstos na lei. Sendo as enzimas do solo boas indicadoras da qualidade do mesmo, foi determinada a actividade de algumas como a desidrogenase (DHA) e a catalase (CAT). Ambas as enzimas correlacionaramse negativamente com as concentrações de metais nos solos. A dimensão das populações indígenas de rizóbio nos solos contaminados (BD e BA) foi bastante baixa, 9,1 bactérias g-1 de solo e 7,3 bactérias g-1 de solo, respectivamente, quando em comparação com a população do solo BC (4,24x104 bactérias g-1 de solo). Estes resultados parecem estar relacionados com o elevado conteúdo em metais e com o pH ácido dos solos. A capacidade simbiótica também foi afectada pela presença de metais, uma vez que os isolados originários do solo BD mostraram menor capacidade em fixar azoto do que os isolados do solo controlo. A diversidade das populações de rizóbio foi determinada com recurso à análise dos perfis de plasmídeos, perfis de REP e ERIC-PCR de DNA genómico e perfis de proteínas e lipopolissacarídeos. No conjunto dos 35 isolados analisados foram identificados 11 plasmídeos com pesos moleculares entre 669 kb e 56 kb. Embora a incidência de plasmídeos tenha sido superior nos isolados do solo BC verificou-se maior diversidade plasmídica na população isolada do solo BD. Resultados similares foram obtidos com os perfis de REP e ERIC-PCR e perfis de proteínas, que indicaram maior diversidade nas populações dos solos contaminados (BD e BA), contrariamente ao verificado por outros autores. O grau de tolerância aos metais pesados e ao arsénio dos vários isolados testados dependeu do metal e do local de origem. No geral, os isolados do solo BD mostraram maior tolerância aos metais do que os isolados do solo controlo, o que está de acordo com o esperado uma vez que geralmente as populações dos locais contaminados são mais tolerantes. Contudo, os isolados do local mais contaminado (BA) foram muito tolerantes apenas ao chumbo mostrando-se sensíveis aos restantes metais. A inoculação dos solos BC, BD e BA após irradiação com estirpes seleccionadas de rizóbio permitiu avaliar a sua sobrevivência ao longo de 12 meses em condições mais realistas. Verificou-se que após um decréscimo inicial, os isolados inoculados no solo BC conseguiram recuperar a dimensão das suas populações para números similares aos inicialmente introduzidos, contrariamente ao verificado no solo BD onde o número de rizóbios decresceu ao longo dos 12 meses. As condições adversas do solo BA apenas permitiram a sobrevivência de 4 isolados até aos 3 meses e apenas dois deles conseguiram sobreviver após 12 meses, designadamente C 3-1 e A 17-3. Estes isolados possuem um plasmídeo de 669 kb que poderá estar na base da sobrevivência destas estirpes. Por outro lado, o último isolado é originário do solo contaminado e por isso estará também mais adaptado a sobreviver às elevadas concentrações de Pb existentes no solo BA. Por fim, constatou-se que o cádmio, um dos metais presente em concentrações mais elevadas nos solos em estudo, é um indutor de stresse oxidativo nos isolados de rizóbio menos tolerantes o que foi confirmado pelo aumento de ROS e danos celulares ao nível dos lípidos.

Organic contaminants in urban soils: major inputs and potential risks

Urban soil quality may be severely affected by hydrophobic organic contaminants (HOCs), impairing environmental quality and human health. A comprehensive study was conducted in two contrasting Portuguese urban areas (Lisbon and Viseu) in order to assess the levels and potential risks of these contaminants, to identify sources and study their behaviour in soils. The concentrations of HOCs were related to the size of the city, with much higher contamination levels observed in Lisbon urban area. Source apportionment was performed by studying the HOCs profiles, their relationship with potentially toxic elements and general characteristics of soil using multivariate statistical methods. Lisbon seems to be affected by nearby sources (traffic, industry and incineration processes) whereas in Viseu the atmospheric transport may be playing an important role. In a first tier of risk assessment (RA) it was possible to identify polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Lisbon soils as a potential hazard. The levels of PAHs in street dusts were further studied and allowed to clarify that traffic, tire and pavement debris can be an important source of PAHs to urban soils. Street dusts were also identified as being a potential concern regarding human and environmental health, especially if reaching the nearby aquatic bodies. Geostatistical tools were also used and their usefulness in a RA analysis and urban planning was discussed. In order to obtain a more realistic assessment of risks of HOCs to environment and human health it is important to evaluate their available fraction, which is also the most accessible for organisms. Therefore, a review of the processes involved on the availability of PAHs was performed and the outputs produced by the different chemical methods were evaluated. The suitability of chemical methods to predict bioavailability of PAHs in dissimilar naturally contaminated soils has not been demonstrated, being especially difficult for high molecular weight compounds. No clear relationship between chemical and biological availability was found in this work. Yet, in spite of the very high total concentrations found in some Lisbon soils, both the water soluble fraction and the body residues resulting from bioaccumulation assays were generally very low, which may be due to aging phenomena. It was observed that the percentage of soluble fraction of PAHs in soils was found to be different among compounds and mostly regulated by soil properties. Regarding bioaccumulation assays, although no significant relationship was found between soil properties and bioavailability, it was verified that biota-to-soil bioaccumulation factors were sample dependent rather than compound dependent. In conclusion, once the compounds of potential concern are targeted, then performing a chemical screening as a first tier can be a simple and effective approach to start a RA. However, reliable data is still required to improve the existing models for risk characterization.

Challenges in mercury speciation and fractionation in soil and sediment

This investigation focused on the development, test and validation of methodologies for mercury fractionation and speciation in soil and sediment. After an exhaustive review of the literature, several methods were chosen and tested in well characterised soil and sediment samples. Sequential extraction procedures that divide mercury fractions according to their mobility and potential availability in the environment were investigated. The efficiency of different solvents for fractionation of mercury was evaluated, as well as the adequacy of different analytical instruments for quantification of mercury in the extracts. Kinetic experiments to establish the equilibrium time for mercury release from soil or sediment were also performed. It was found that in the studied areas, only a very small percentage of mercury is present as mobile species and that mobility is associated to higher aluminium and manganese contents, and that high contents of organic matter and sulfur result in mercury tightly bound to the matrix. Sandy soils tend to release mercury faster that clayey soils, and therefore, texture of soil or sediment has a strong influence on the mobility of mercury. It was also understood that analytical techniques for quantification of mercury need to be further developed, with lower quantification limits, particularly for mercury quantification of less concentrated fractions: water-soluble e exchangeable. Although the results provided a better understanding of the distribution of mercury in the sample, the complexity of the procedure limits its applicability and robustness. A proficiency-testing scheme targeting total mercury determination in soil, sediment, fish and human hair was organised in order to evaluate the consistency of results obtained by different laboratories, applying their routine methods to the same test samples. Additionally, single extractions by 1 mol L-1 ammonium acetate solution, 0.1 mol L-1 HCl and 0.1 mol L-1 CaCl2, as well as extraction of the organometallic fraction were proposed for soil; the last was also suggested for sediment and fish. This study was important to update the knowledge on analytical techniques that are being used for mercury quantification, the associated problems and sources of error, and to improve and standardize mercury extraction techniques, as well as to implement effective strategies for quality control in mercury determination. A different, “non chemical-like” method for mercury species identification was developed, optimised and validated, based on the thermo-desorption of the different mercury species. Compared to conventional extraction procedures, this method has advantages: it requires little to no sample treatment; a complete identification of species present is obtained in less than two hours; mercury losses are almost neglectable; can be considered “clean”, as no residues are produced; the worldwide comparison of results obtained is easier and reliable, an important step towards the validation of the method. Therefore, the main deliverables of this PhD thesis are an improved knowledge on analytical procedures for identification and quantification of mercury species in soils and sediments, as well as a better understanding of the factors controlling the behaviour of mercury in these matrices.