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

[SPA] 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. [ENG] Mine tailings are wastes composed by the left-overs of the ore-processing activities, and they are considered as the main responsible for environmental health impacts in former metallic mining areas. The bare areas of the tailings are usually impacted by wind and water erosion, which may spread the metal(loid) enriched particles to their surroundings. Phytomanagement by phytostabilization is considered a suitable alternative to decrease the environmental risks associated to mine tailings. This technique relies on the generation of a stable vegetation cover at the tailings surfaces to decrease the erosion by fixing the soil. However, soil conditions at tailings usually result unfavourable for plant growth (e.g. high metal(loid) concentrations, low fertility, high salinity) and soil conditioners are proposed to overcome this issue. Although there is a general acceptance of the benefits of using amendments for improving plant growth, there is little information on the sustainment of edaphic functionality at long-term scenarios. This issue could be related to the presence of a feasible microbiological community, which tolerates tailings conditions and actively supports biogeochemical processes. The general purpose of this PhD Thesis was to increase knowledge on the relationship between edaphic and microbiological factors involved in the spontaneous plant colonisation of mine tailings. This will improve the feasibility of phytomanagement in terms of phytostabilization applied to these environments in a semiarid climate context. In order to achieve this goal, the PhD thesis has been divided in two parts corresponding to a field survey data and mesocosm experiments carried out at the climate chamber facility at the IBV-UPCT. These research studies were designed to answer four specific goals: The first goal was to elucidate which factors, including edaphic, vegetation and microbiological aspects, determine soil functionality in the phytomagement of mine tailing piles in semiarid areas. For this purpose, a field study was conducted using an experimental transect design, which included a tailing pile and a non-mining impacted zone (as control) located at southeast Spain. The changes in bacterial relative abundances through the transect were better explained by soil fertility related factors (which in turn were related to the presence of plants) than by metals concentrations. The presence of vegetation at the tailings allowed the transition from lithotrophic bacterial orders, which dominated in bare tailings areas, to organotrophic oriented taxa, some of them shared with the non-polluted samples. These results seem to indicate that natural plant mediated successional processes might stimulate biogeochemical cycles similar to those occurring at non-polluted systems. This functionality of the impacted sites, which include unfavourable edaphic conditions, should be taken into account in the phytomanagement of mine tailings, since it may support its long-term sustainability. Unlike bacteria, variations in fungal relative abundances through the transect were not clearly explained by soil parameters or the presence of plants, since they seem to be more determinant by spatial distribution or the type of organic substrates. The second goal was focused on identifying the edaphic factors, including microbiological, which affect the establishment of plant species with contrasting growth patterns during the phytomanagement of a mine tailings pile. For this purpose, a comprehensive rhizosphere characterization was performed in an early ruderal colonizer, Zygophyllum fabago and two late successional tree species, Pinus halepensis and Tetraclinis articulata, growing at a mine tailings pile in southeast Spain. Results revealed that Z. fabago selectively colonized tailings patches characterized by high salinity (3.5 dS m-1 ) and high silt percentages (42 %), showing a specific halotolerant rhizospheric microbial composition. The two tree species grew at moderate salinity areas of the tailings pile (1.7 dS m-1 ) with high sand percentages (85 %) where Actinomycetales was the most abundant bacterial order (>10 % abundance). The contrasting mycorrhizal behaviour of both tree species (ecto-mycorrhizal for P. halepensis and endo-mycorrhizal for T. articulata) could explain the differences found between their fungal rhizospheric composition. In terms of phytomanagement, the selective plant species colonization following specific soil patches at mine tailings would increase their biodiversity and resilience against environmental stressors. The third goal was to assess the effect of the application of two organic amendments, manure compost and biochar, on soil bacterial and fungal composition at metal(loid) enriched mine tailings. The addition of compost caused stronger effects on most of soil parameters and microbial composition than the biochar, especially at the initial stage of the experiment. However, the higher dependence on labile organic carbon for some bacterial groups at the treatments containing compost determined their decay along time (Flavobacteriales and Sphingobacteriales) and the appearance of other taxa more dependent on recalcitrant organic matter (Xanthomonadales and Myxococcales). Biochar favoured bacterial decomposers (Actinomycetales) specialized in high lignin substrates and other recalcitrant carbon compounds. Unlike bacteria, only a few fungal orders increased their relative abundances in the treatments containing compost (Sordariales and Microascales), while the rest showed a decrease or remained unchanged. The mix biocharcompost may result the best option to support a more diverse microbial population in terms of soil functionality that is able to decompose both labile and recalcitrant carbon compounds. This may favour the resilience of the system against environmental stressors. Finally, the fourth goal was to evaluate the effects of the presence of plants or plant litter on the microbial composition in the previously amended tailings (with biochar and/or manure compost). This would allow to determine the feasibility of amendments for the long-term phytomanagement, as well as the ability or inability of the microbial community resulted from the amended tailings to support biogeochemical cycles without additional external inputs of amendments compatible with the rhizospheric microbiome or litter. For this purpose, a pioneer plant species (Piptatherum miliaceum) of the former Cartagena-La Unión Mining District tailings was selected. Piptatherum miliaceum seeds or its litter were incorporated to previously amended tailings substrates. Our experiment showed that the effect of plant and litter on microbial composition was dependent on the previous presence of amendments, especially compost. At those treatments containing compost, the higher growth of plants was able to shape microbial composition (both, bacterial and fungi), while at the non-amended and biochar-only containing treatments (where a scarce growth of plants occurred), litter showed a more important role, especially in shaping bacterial composition. The higher growth of plants favoured some bacterial groups, whose relative abundances were previously depleted in the compost containing treatments (e.g. Actinomycetales) and other groups related to plant rhizospheres (e.g. Rhizobiales). These results revealed the ability of plants for shaping their own rhizospheric microbiome when the amendments contribute to ameliorate the low fertility of mine tailing soils. The employment of the combinations biocharcompost could result optimal to achieve the establishment of a vegetation cover at tailings, providing at the same time an effective tool to stimulate plant growth (higher plant biomass), a recalcitrant source of organic matter (biochar) and a support for the development of a plant rhizospheric microbiome. Esta tesis doctoral ha podido llevarse a cabo gracias a la financiación recibida por FEDER / Ministerio de Ciencia e Innovación - Agencia Estatal de Investigación (España) –Proyecto: “Sustainability in the phytomanagement of mine tailings: ecophysiological and microbiological aspects” (CGL2017-82264-R). Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (TAIDA)