Restauración de suelos contaminados por elementos traza: efecto de la vegetación arbórea en las comunidades de hongos del suelo

Memoria presentada para optar al grado de Doctora por la Universidad de Sevilla, Facultad de Química, Departamento de Cristalografía, Mineralogía y Química Agrícola del programa de Doctorado de Recursos Naturales y Medio Ambiente con la calificación de Sobresaliente Cum Laude
[EN]: The Guadiamar Green Corridor is an area contaminated by trace elements due to a mine spill in 1998. After this accident, a phytoremediation strategy was established with the aim of remediating and establishing a novel ecosystem. The first objective of this Doctoral Thesis was to evaluate the influence of the identity of the forested tree species in the Corridor on the composition and microbial activity. Soils were sampled under three tree species (wild olive, white poplar and stone pine) and in grassland soils, at two sites with different soil properties. Afforestation produced an increase in most microbial indicators. Each tree species produced specific effects on soil organic matter, pH and C:N ratio, with consequences on biomass and microbial activities. White poplar was the species that promoted a greater catabolic diversity, which could mean a greater mineralization of simple and complex carbon substrates in these soils. Furthermore, both stone pine and white poplar promoted greater enzymatic activity in these soils. The second objective of this Doctoral Thesis was to evaluate the effect of the different afforested tree species in the Corridor on the structure and composition of soil fungal communities. Afforestation of degraded soils with different plant species may promote the establishment of specific fungal diversity and functionality. Five different habitats were selected: under the canopy of three tree species (wild olive, white poplar and stone pine), on adjacent grassland soils and on non-remediated soils. We found that the phytoremediation measures promoted the fungal richness, diversity, taxonomy, and functionality along the Guadiamar Green Corridor, compared to non-remediated soils. White poplar was the tree species with the greatest diversity and richness compared to wild olive and stone pine. Ectomycorrhizal fungi were more dominant in the soils of the host species of these fungi, while saprotrophs were abundant in grassland and wild olive soils. The third objective of this Doctoral Thesis was to explore the functional changes based on the traits of the ectomycorrhizal fungal communities in symbiosis with the oak. The variation in the composition of ectomycorrhizal species was determined by C, Ca, and soil contamination; however, taxonomic diversity did not depend on the level of contamination. The values of the mean features of the ectomycorrhizal communities showed a decrease in the formation of rhizomorphs and emanating hyphae with increasing contamination, and the community converged towards species with less frequent development of rhizomorphs. This could mean a reduction in functional diversity in ectomycorrhizal fungal communities due to contamination with a potential effect on the functioning of the ecosystem. The fourth objective of this Doctoral Thesis was to evaluate the functional features of the ectomycorrhizal fungal species. In particular, how the composition of ectomycorrhizal fungi and their morphological features mediate the features of the holm oak were studied. The taxonomic and functional diversity of ectomycorrhizal fungi explained a high proportion of the variance of the functional features of the holm oak, both in roots and in leaves. The holm oaks that were dominated by the most abundant fungi Hebeloma cavipes and Thelephora terrestris showed conservative features in relation to the economic spectrum of the root, while the oaks colonized by rare ectomycorrhizal species presented an acquisitive strategy. The most conservative roots presented fungi with high formation of rhizomorphs and low melanisation. These results supported the potential of ectomycorrhizal fungi, both for their taxonomy and for their traits, in mediating the state of the host plant. The fifth and last objective of this Doctoral Thesis was to evaluate the ability of fungi to mobilize trace elements in the soil, by analysing their fruiting bodies (mushrooms). Soil-fungus relationships were explored through two wild mushrooms, the ectomycorrhizal species Laccaria laccata and the sapropharopic species Volvopluteus gloiocephalus. Isotopic analysis showed that Laccaria laccata mushrooms were 15N-enriched compared to Volvopluteus gloiocephalus mushrooms, possibly by transfer of 15N-depleted N to the host plant. Furthermore, Laccaria laccata mushrooms showed δ13C values indicating that C could come from their host, while the δ13C values of Volvopluteus gloiocephalus mushrooms were similar to those in their soil. Both species showed a high bioaccumulation of Cd and Cu in their fruiting bodies. Human consumption of these mushrooms could represent a toxicity risk due to the high concentration of Cd.
[ES]: El corredor Verde del Guadiamar se trata de una zona contaminada por elementos traza tras un vertido minero en 1998. Tras este accidente se estableció una estrategia de fitorremediación con el objetivo de remediar y establecer un ecosistema novel. El primer objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar la influencia de la identidad de las especies arbóreas forestadas en el Corredor en la composición y actividad microbianas. Se estudiaron los suelos bajo tres especies leñosas (acebuche, álamo blanco y pino piñonero) y en suelos de pradera, en dos sitios con diferentes propiedades edáficas. La forestación produjo un aumento en la mayoría de los indicadores microbianos. Cada especie leñosa produjo efectos específicos en la materia orgánica del suelo, el pH y la relación C:N, con consecuencias en la biomasa y la actividad microbianas. El álamo blanco fue la especie que promovió una mayor diversidad catabólica lo que podría suponer una mayor mineralización de sustratos simples y complejos de carbono en estos suelos. Además, tanto el pino piñonero como el álamo blanco promovieron una mayor actividad enzimática en estos suelos. El segundo objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar el efecto de las diferentes especies arbóreas forestadas en el Corredor en la estructura y composición de las comunidades de hongos del suelo. La forestación de suelos degradados con diferentes especies de plantas puede promover el establecimiento de una diversidad y funcionalidad fúngicas determinadas. Se seleccionaron cinco hábitats diferentes: bajo la copa de tres especies leñosas (acebuche, álamo blanco y pino piñonero), en suelos de pradera adyacentes y en suelos no remediados. Encontramos que las medidas de fitorremediación promovieron la riqueza, diversidad, taxonomía y funcionalidad de hongos del suelo en el Corredor Verde del Guadiamar, en comparación con los suelos no remediados. El álamo blanco fue la especie leñosa con la mayor diversidad y riqueza en comparación con el acebuche y el pino piñonero. Los hongos ectomicorrícicos fueron más dominantes en los suelos de las especies hospedadoras de estos hongos, mientras que los saprótrofos fueron abundantes en suelos de pradera y bajo acebuche. El tercer objetivo de esta Tesis Doctoral fue explorar los cambios funcionales basados en los rasgos de las comunidades de hongos ectomicorrícicos en simbiosis con la encina. La variación de la composición de las especies ectomicorrícicas estuvo determinada por el C, el Ca y la contaminación del suelo; sin embargo, la diversidad taxonómica no dependió del nivel de contaminación. Los valores de los rasgos medios de las comunidades ectomicorrícicas mostraron una disminución en la formación de rizomorfos e hifas emanentes al aumentar la contaminación, y la comunidad convergió hacia especies con un desarrollo de rizomorfos menos frecuente. Esto supondría una reducción de la diversidad funcional en las comunidades de hongos ectomicorrícicos debido a la contaminación con un efecto potencial en el funcionamiento del ecosistema. El cuarto objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar los rasgos funcionales de las especies de hongos ectomicorrícicos. En particular, se estudió cómo la composición de hongos ectomicorrícicos y sus rasgos morfológicos median en los rasgos de la encina. La taxonomía y la diversidad funcional de los hongos ectomicorrícicos explicaron una alta proporción de la varianza de los rasgos funcionales de la encina, tanto en raíces como en hojas. Las encinas que estuvieron dominadas por los hongos más abundantes Hebeloma cavipes y Thelephora terrestris mostraron unos rasgos conservadores en relación al espectro económico de la raíz, mientras que las encinas colonizadas por especies ectomicorrícicas poco abundantes presentaron una estrategia adquisitiva. Las raíces más conservadoras presentaron unos hongos con elevada formación de rizomorfos y baja melanización. Estos resultados apoyaron el potencial de los hongos ectomicorrícicos, tanto por su taxonomía como por sus rasgos, en la mediación del estado de la planta hospedadora. El quinto, y último, objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar la capacidad de los hongos para movilizar los elementos traza del suelo, mediante el análisis de sus cuerpos fructíferos (setas). Se exploraron las relaciones suelo-hongo a través de dos setas silvestres, la especie ectomicorrícica Laccaria laccata y la especie saprótrofa Volvopluteus gloiocephalus. El análisis isotópico mostró que las setas de Laccaria laccata estaban enriquecidas en 15N en comparación con las setas de Volvopluteus gloiocephalus, posiblemente por la transferencia de nitrógeno poco enriquecido en 15N a la planta hospedadora. Además, las setas de Laccaria laccata mostraron unos valores δ13C que indicaban que el carbono podría provenir del hospedador mientras que los valores δ13C de las setas de Volvopluteus gloiocephalus fueron similares a los del suelo. Ambas especies mostraron una alta bioacumulación de Cd y Cu en sus cuerpos fructíferos. El consumo humano de estas setas podría representar un riesgo de toxicidad por la elevada concentración de Cd.
Este trabajo de investigación ha sido financiado por: Beca para contrato predoctoral (FPI) dentro del Programa Estatal de Promoción del Talento y su Empleabilidad en I+D+i, en el marco del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016. Referencia: BES-2015-073882. Financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y el Fondo Social Europeo. Proyecto RestEco – Restauración y provisión de servicios ecosistémicos en suelos degradados en el Corredor Verde del Guadiamar (Sevilla, España). Proyecto Retos. Referencia: CGL2014 – 52858 - R. Financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. Proyecto RECARE – Evaluación de las amenazas actuales de los suelos y búsqueda de soluciones para prevenir la degradación de los suelos en Europa. Caso de estudio: Contaminación del suelo por metales pesados en el Corredor Verde del Guadiamar (Sevilla, España). ENV.2013.6.2-4 ‘Sustainable land care in Europe’. Referencia: 603498. Financiado por el 7º Programa Marco de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación de la Unión Europea (FP7). Proyecto IntArSu – Interacciones árbol-suelo y recuperación de zonas degradadas. Proyecto Retos. Referencia: CGL2017 – 82254 – R. Financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.