A collection of insights on traditional phytoremediation approaches

Abstract

[eng] Soil metal pollution is a major threat for the environment and ultimately human health. Metals are extensively found scattered in rock formations, however industrialization and urbanization have critically enlarged the anthropogenic input of metals in the biosphere. Soils of mines, smelters, foundries, coal-burning power plants, and landfill sites are typically impaired by metal contamination. The production and use of pesticides, plastics, paints, coal ash, and industrial waste, and biosolids also contributes to the accumulation of metals in urban and agricultural soils. In addition to metals, soils are often subjected to stresses like salinity or drought. Salt stress in particular, is a growing concern afflicting nearly 25% of the soils in the world that consistently converts agricultural lands in saline lands. The individual and joint effects of metals, salinity and drought on plants include growth inhibition, leaf chlorosis, impairment of mineral nutrition, imbalance of water relations, and oxidative and photosynthetic damage, which strongly limits the presence of vegetation in polluted areas, increasing erosion and the migration of pollutants. Remediation of soils polluted with metals is essentially focused on the extraction or stabilization of the pollutants. Mechanical and physicochemical techniques are usually expensive and environmentally damaging, therefore the need for alternative low-cost and less harmful remediation methods has increased exponentially. Hence, techniques such as soil amendments and phytoremediation emerged as cheap and green solutions, whose individual or combined application has proven effective on the restoration of metal polluted soils. In this thesis, a number of papers depict various phytoremediation-based approaches to mitigate soil pollution. The contents can be condensed as follows: i) two waste-derived amendments, compost and technosol, were selected to assess their ability to promote the germination and growth of Brassica juncea in copper mine tailings. Both amendments, but especially compost, successfully allowed and enhanced the germination and plant growth. ii) Brassica juncea, a crop species well known for its tolerance to toxic levels of metals, was also studied for its potential for phytoremediation of copper mine tailings, and exhibited suitable features for phytostabilization and phytoremediation. iii) Considering the importance of the discovery of new species apt for phytoremediation, Salvia verbenaca was investigated due to the literature reports about its presence in mine areas and its antioxidant properties. The results suggested the fitness of Salvia verbenaca for phytostabilization of mine soils. iv) The synergistic effect of salt and Cd on the germination and early growth of a previously unreported variety of Brassica juncea was examined. The concurrent effects of Cd and salt did not significantly affect this variety, and the results suggest that mild concentrations of NaCl enhanced Cd uptake, revealing a good prospect for phytoremediation. v) The effect of salinity on the uptake of Zn with Brassica juncea was also studied. The species exhibited tolerance to the joint effect of both stresses, and moderate to moderately high NaCl concentrations increased the uptake and translocation of Zn to noteworthy harvestable amounts, making Brassica juncea an excellent candidate for phytoremediation of saline soils polluted with Zn. vi) The influence of soil moisture on phytoremediation of Cd and Zn with Brassica juncea was investigated. Higher soil moisture levels enhanced plant growth and the uptake of greater concentrations of these metals.[spa] La contaminación del suelo por metales es una amenaza importante para el medio ambiente y en última instancia la salud del hombre. Los metales se encuentran ampliamente dispersos en formaciones rocosas, sin embargo la industrialización y la urbanización han aumentado críticamente el aporte antrópico de metales en la biosfera. Los suelos de las minas, fundiciones, centrales eléctricas de carbón y vertederos están típicamente afectados por contaminación de metales. La producción y el uso de pesticidas, plásticos, pinturas, cenizas de carbón y residuos industriales, y biosólidos también contribuye a la acumulación de metales en suelos urbanos y agrícolas. Además de los metales, los suelos suelen ser objeto de otros factores de estrés, como la salinidad o la sequía. El estrés salino en particular, es una preocupación cada vez mayor que afecta a casi el 25% de los suelos en el mundo, y que convierte constantemente tierras agrícolas en tierras salinas. Los efectos individuales y conjuntos de metales, salinidad y sequía en las plantas incluyen la inhibición del crecimiento, clorosis de las hojas, deterioro de la nutrición mineral, desequilibrio de las relaciones hídricas, y daño oxidativo y fotosintético, que limitan fuertemente la presencia de vegetación en áreas contaminadas, aumentando la erosión y la migración de los contaminantes. La remediación de suelos contaminados con metales se centra esencialmente en la extracción o la estabilización de los contaminantes. Técnicas mecánicas y físicoquímicas son generalmente caras y dañinas para el medio ambiente, por lo tanto, la necesidad de métodos de remediación alternativos de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente ha aumentado de manera exponencial. Por lo tanto, técnicas como el uso de enmiendas del suelo y fitorremediación surgieron como soluciones económicas y ecológicas, cuya aplicación individual o combinada ha demostrado ser eficaz en la restauración de suelos contaminados con metales. En esta tesis, una serie de artículos representan diversos enfoques basados en fitorremediación para mitigar la contaminación del suelo. Los contenidos se pueden condensar de la siguiente manera: i) se seleccionaron dos enmiendas provenientes de desechos, compost y tecnosol, para evaluar su capacidad para promover la germinación y el crecimiento de Brassica juncea en suelo de mina de cobre. Ambas enmiendas, pero especialmente compost, han permitido la germinación y mejorado el crecimiento de las plantas. ii) Brassica juncea, una especie de cultivo conocida por su tolerancia a niveles tóxicos de metales, se ha estudiado por su potencial para la fitorremediación de relaves de mina de cobre. Los resultados han revelado características convenientes para fitoestabilización y fitorremediación. iii) Teniendo en cuenta la importancia del descubrimiento de nuevas especies aptas para fitorremediación, Salvia verbenaca ha sido estudiada debido a los referencias de la literatura acerca de su presencia en zonas de minas y sus propiedades antioxidantes. Los resultados sugieren la idoneidad de Salvia verbenaca para fitoestabilización de suelos mineros. iv) Se examinó el efecto sinérgico de la sal y Cd en la germinación y el crecimiento temprano de una variedad de Brassica juncea no disponible en la literatura. Los efectos conjuntos de Cd y sal no afectaron significativamente esta variedad, y los resultados sugieren que concentraciones moderadas de NaCl han aumentado la acumulación de Cd, revelando un buen prospecto de esta variedad para fitorremediación. v) También se estudió el efecto de la salinidad sobre la absorción de Zn con Brassica juncea. Los resultados exhibieron tolerancia de esta especie al efecto conjunto de ambos factores de estrés, y demostraron que concentraciones moderadas a moderadamente altas de NaCl han aumentado muy significativamente la absorción y translocación de Zn, haciendo de Brassica juncea una excelente candidata para fitorremediación de suelos salinos contaminados con Zn. vi) Se investigó la influencia de la humedad del suelo en la fitorremediación de Cd y Zn con Brassica juncea. Niveles más altos de humedad del suelo han mejorado el crecimiento de las plantas y incrementado la absorción de concentraciones más elevadas de estos metales.