The importance of autochthonous microbial communities in the sustainability of vegetation for the phytomanagement of semiarid mine tailings

Resumen

Los depósitos de estériles mineros (o balsas mineras) se encuentran formados por los residuos procedentes de las labores de concentración de minerales, y están considerados como uno de los principales problemas medioambientales asociados a las antiguas zonas de minería metálica. Los materiales que constituyen estas estructuras suelen presentar propiedades físico-químicas extremas como pHs ácidos o básicos, ausencia de estructura edáfica, salinidad, elevadas concentraciones de metal(oid)es, bajos contenidos en nutrientes y en materia orgánica, etc. Estas condiciones dificultan el establecimiento y crecimiento de plantas, manteniendo sus superficies desnudas, expuestas a los agentes erosivos. El empleo del fitomanejo, en términos de fitoestabilización, se considera la alternativa más eficiente para disminuir los riesgos medioambientales asociados a las balsas mineras. Esta técnica plantea la implantación de una cubierta vegetal estable sobre la superficie de las balsas mineras que evite la erosión y fije las partículas metálicas en la rizosfera. Con el fin de mejorar las deficientes condiciones de fertilidad de las balsas mineras y facilitar el establecimiento de la vegetación se recurre, de modo habitual, a la adición de enmiendas orgánicas. Si bien se ha constatado el efecto positivo que a corto plazo tiene la adición de estas enmiendas sobre la cubierta vegetal, no existe mucha información en relación al mantenimiento de la funcionalidad edáfica en estas balsas mineras en una escala temporal más amplia. Este hecho podría estar condicionado, en gran medida, por la presencia de una comunidad microbiana tolerante a las condiciones físico-químicas de los depósitos mineros, y que además, participe activamente en los procesos biogeoquímicos del suelo. La presente Tesis Doctoral pretende contribuir al avance del conocimiento de la relación entre los factores edáficos y microbiológicos implicados en el establecimiento de especies vegetales en antiguos depósitos mineros. Para ello, plantea como finalidad principal profundizar en el conocimiento de los procesos de evolución edáfica que dotan de sostenibilidad a los proyectos de fitomanejo de residuos mineros dentro del contexto de zonas áridas y semiáridas, evaluando la regeneración de la funcionalidad del suelo a través de la mejora de los ciclos biogeoquímicos y valorando los efectos concretos de la adición de enmiendas desde el punto de vista microbiológico. Para tal fin, la Tesis Doctoral fue dividida en dos partes: una fase de trabajo de campo en un depósito minero situado en el antiguo Distrito Minero de Cartagena-La Unión, y una fase experimental llevada a cabo en condiciones controladas en una cámara de cultivo situada en el Instituto de Biotecnología Vegetal de la UPCT. Los trabajos desarrollados en estas dos partes respondieron a cuatro objetivos específicos: El primer objetivo consistió en determinar qué factores, de entre los aspectos edáficos, vegetales y microbiológicos, resultaban determinantes para la funcionalidad del suelo en el fitomanejo de balsas mineras en zonas semiáridas. Para ello, se realizó un estudio de campo utilizando un diseño experimental basado en un transecto a lo largo de una antigua balsa minera del Distrito de Cartagena-La Unión. Dicho transecto incluyó tanto zonas no impactadas (control) como zonas dentro del cuerpo de la propia balsa en las que se tomaron muestras de suelo para su caracterización química y microbiológica. Los resultados mostraron que los cambios en las abundancias relativas de las bacterias a través del transecto se explicaron mejor por factores relacionados con la fertilidad del suelo y la presencia de plantas que por las concentraciones de metales. Esta presencia de vegetación espontánea en las balsas mineras permitió la transición desde órdenes de bacterias litotróficas, dominantes en áreas desprovista de vegetación, a grupos de carácter organotrófico, algunos de los cuales también estuvieron presentes en suelos no contaminados de la zona. Este último hecho permitió afirmar que los procesos de sucesión edáfica mediados por plantas podrían estimular ciclos biogeoquímicos similares a los que tienen lugar en sistemas no contaminados. A diferencia de las bacterias, las variaciones en la abundancia relativa de los hongos a través del transecto no se explicaron por los parámetros edáficos o la presencia de plantas, sino que parecían estar más relacionados con la distribución espacial o los tipos de sustratos orgánicos presentes. El segundo objetivo se centró en identificar los factores edáficos, incluidos los microbiológicos, que determinaban el establecimiento de plantas con diferentes estrategias de crecimiento en depósitos mineros de entornos semiáridos. Para este fin, se realizó una caracterización edáfica y microbiológica de la rizosfera de una especie ruderal pionera, Zygophyllum fabago, y dos especies arbóreas, Pinus halepensis y Tetraclinis articulata, que crecen espontáneamente en la balsa minera seleccionada para el primer objetivo y trabajo de la Tesis. Los resultados revelaron que Z. fabago colonizó selectivamente zonas de la balsa caracterizadas por una alta salinidad (3.5 dS m-1) y altos porcentajes de limo (42 %), mostrando una composición microbiana en su rizosfera que incluía grupos halotolerantes. Las dos especies arbóreas crecieron en áreas de salinidad moderada de la balsa (1.7 dS m-1) con altos porcentajes de arena (85 %), donde Actinomycetales fue el orden bacteriano más abundante. Las diferencias en el comportamiento micorrícico de ambas especies arbóreas (ecto-micorrícico para P. halepensis y endo-micorrícico para T. articulata) podría explicar las diferencias encontradas entre su composición fúngica. En relación al fitomanejo, estos resultados mostraron que la colonización selectiva en nichos edáficos específicos de especies vegetales con diferentes estrategias de crecimiento permitiría aumentar la biodiversidad y la resistencia del sistema frente a factores de estrés ambientales. El tercer objetivo se centró en evaluar los efectos de la aplicación de dos enmiendas orgánicas en la composición microbiana (bacteriana y fúngica) de balsas mineras. Para ello, se llevó a cabo un experimento en mesocosmos, donde un residuo minero procedente de la balsa caracterizada en el primer objetivo fue enmendado con compost de estiércol, biochar o su combinación. Estos tratamientos, junto a un tratamiento control sin enmendar, fueron mantenidos durante 6 meses en una cámara de cultivo con condiciones controladas. Se llevaron a cabo tres muestreos de suelo, para su caracterización edáfica y microbiológica, en los meses uno, tres y seis. Los resultados mostraron que el compost tuvo un efecto más marcado sobre las propiedades de suelo que el biochar, especialmente en la etapa inicial del experimento donde los tratamientos con compost presentaron un mayor aumento de los valores de carbono orgánico disuelto y metales extraíbles en agua. Sin embargo, las concentraciones de estos parámetros disminuyeron a lo largo del experimento. En cuanto a la composición bacteriana, se observó una fuerte correlación de las abundancias relativas de algunos órdenes de bacterias (Flavobacteriales y Sphingobacteriales) con las concentraciones decrecientes de carbono lábil y la aparición progresiva conforme avanzaba el experimento de otros grupos más especializados en la descomposición de fuentes de carbono más estable (Xanthomonadales y Myxococcales). El biochar favoreció la presencia de bacterias descomponedoras (Actinomycetales) especializadas en la degradación de compuestos con lignina u otras sustancias de carbono recalcitrantes. A diferencia de las bacterias, solo unos pocos órdenes de hongos (Sordariales y Microascales) aumentaron su abundancia relativa en los tratamientos que contenían compost, mientras que el resto mostró una disminución o ningún efecto. El tratamiento combinado de biochar-compost podría resultar una opción viable para optimizar la funcionalidad microbiológica de los depósitos mineros debido a su capacidad para favorecer tanto microorganismos especializados en la degradación de materia orgánica lábil como compleja. Por último, el cuarto objetivo tuvo la finalidad de evaluar los efectos de la presencia de plantas u hojarasca sobre la composición microbiana en sustratos mineros previamente enmendados con compost y/o biochar. Esto permitiría determinar la viabilidad de las comunidades microbianas presentes en residuos mineros enmendados para sustentar los ciclos biogeoquímicos desencadenados por la presencia de vegetación. Para ello, se seleccionó una especie vegetal pionera, Piptatherum miliaceum, procedente de depósitos mineros del Distrito Minero Cartagena-La Unión. Las semillas de P. miliaceum o su hojarasca se incorporaron a los mesocosmos empleados en el experimento recogido en el tercer objetivo. Los resultados mostraron que los efectos de la presencia de hojarasca o planta en la composición microbiana estuvieron muy condicionados por la presencia previa de enmiendas, especialmente de compost. En aquellos tratamientos que contenían compost el mayor crecimiento de las plantas favoreció una mayor diferenciación de la composición bacteriana y fúngica, mientras que en los tratamientos sin enmiendas o solo tratados con biochar (con menor crecimiento de plantas), la hojarasca jugó un papel más importante en la determinación de la composición microbiana, especialmente de bacterias. El mayor crecimiento de las plantas favoreció el incremento de grupos bacterianos cuyas abundancias relativas se habían visto disminuidas por la presencia de compost (e.g. Actinomycetales) y de otros grupos relacionados con el desarrollo rizosférico (e.g. Rhizobiales). Esto mostró la especial habilidad de las plantas para configurar su microbioma específico. El empleo de combinaciones biochar-compost podría resultar viable para facilitar la consecución de una cubierta vegetal estable en depósitos mineros, ya que favorece el crecimiento vegetal (mayor biomasa), aporta una fuente de carbono estable (biochar) y facilita el desarrollo del microbioma rizosférico.