Presence, distribution and accumulation of Hg in podzolic soils: Environmental implications in terrestrial ecosystems

Abstract

La preocupación medioambiental derivada de la acumulación de Hg en los ecosistemas naturales se ha visto recientemente refrendada por la Convención Minamata. Ésta trata de promover políticas y regulaciones encaminadas a limitar la explotación y utilización del Hg, para reducir los impactos que la acumulación de Hg y metil-Hg tienen sobre los ecosistemas naturales y la salud humana. Desde la Revolución Industrial, la acumulación de Hg en los ecosistemas terrestres se ha multiplicado hasta 5 veces y el Hg almacenado en la superficie del suelo ha aumentado hasta en un 20%. Esto se atribuye mayoritariamente a actividades antrópicas como la quema de combustibles fósiles, el empleo de Hg en la extracción de metales o la minería y procesamiento de metales pesados. Debido a su elevada volatilidad y tiempo de residencia en la atmósfera, el Hg se considera un contaminante global, capaz de ser transportado mundialmente por las masas de aire y depositado sobre ecosistemas terrestres y marinos de áreas remotas del planeta. Los suelos constituyen el principal reservorio global de Hg en los ecosistemas terrestres y, en particular, los suelos forestales acumulan hasta el 75% del Hg de la biosfera. Esta capacidad de almacenamiento de Hg de los suelos forestales se atribuye a su afinidad por la materia orgánica y los oxihidróxidos de Fe y Al. El papel de los suelos como sumidero o fuente de Hg resulta de un balance entre los aportes de Hg atmosférico y la re-emisión del Hg depositado. Este balance está influenciado por la dinámica de las emisiones de Hg a nivel regional y por la estrecha relación ente la dinámica del Hg y la del C en los suelos. Así pues, los suelos y sus componentes van a determinar los mecanismos de transferencia de Hg hacia la atmósfera, hacia las aguas superficiales y subterráneas o la propia dinámica del Hg en el sistema suelo-planta. Los estudios realizados sobre el comportamiento biogeoquímico del Hg suelen centrarse donde la acumulación de Hg de origen antrópico está contrastada, o donde es más probable la transformación de HgII en especies órgano-mercuriales (metil-Hg y dimetil-Hg), altamente tóxicas para el medio ambiente natural y para la salud humana. Por el contrario, existe una vasta extensión de ecosistemas terrestres distribuidos por todo el planeta donde los suelos presentan concentraciones bajas de Hg o equivalentes a los niveles de fondo geoquímico (<100 ng g-1). Es precisamente la enorme extensión que cubren lo que hace pensar que el destino del Hg que almacenan puede modificar el equilibrio biogeoquímico existente entre el Hg atmosférico y el Hg almacenado en los suelos que determina el ciclo global de este metal, y sus respuestas al fenómeno del calentamiento global y la presumible disminución de las emisiones antrópicas de Hg. El proyecto de tesis doctoral que se propone pretende estudiar el comportamiento biogeoquímico del Hg en suelos forestales de zonas cuya litología no está enriquecida en este metal o bien no están afectados por fuentes puntuales de emisión de Hg. El papel de los suelos forestales es clave en la movilización de Hg y metil-Hg en los ecosistemas terrestres y determinante para su aparición en los ecosistemas acuáticos. El calentamiento global, los cambios en las emisiones antrópicas de Hg y el cambio de uso del suelo aportan incertidumbre sobre la estabilidad del Hg almacenado en los suelos y sobre su potencial transformación en metil-Hg. El marco espacial del estudio será predominantemente el norte de España, pero también se incluirán suelos forestales del norte de Europa y del sur de Sudamérica, con el fin de establecer posibles patrones comunes en relación a la concentración, distribución y almacenamiento con la profundidad de Hg y metil-Hg en los suelos. Así se tratará de identificar los procesos y mecanismos comunes del comportamiento biogeoquímico del Hg en suelos no impactados a una escala más global.

A preocupación medioambiental derivada da acumulación de mercurio (Hg) nos ecosistemas naturais viuse recentemente referendada pola Convención de Minamata. Esta trata de promover políticas e regulacións encamiñadas a diminuír a explotación e o uso do Hg, coa fin de reducir os impactos que ten a acumulación de metil-Hg e Hg sobre os ecosistemas naturais e sobre a saúde humana. Dende a Revolución Industrial, a acumulación de Hg nos ecosistemas terrestres multiplicouse ata 5 veces e o Hg almacenado na superficie do solo aumentou ata un 20%. Este feito atribúese maioritariamente ás actividades antrópicas como a queima de combustibles fósiles, o emprego do Hg na extracción de metais ou a minería e o procesamento de metais pesados. Debido a súa elevada volatilidade e tempo de residencia na atmosfera, o Hg é considerado un contaminante global que pode ser transportado polas masas de aire e depositado sobre ecosistemas terrestres e mariños de areas remotas do planeta. Os solos constitúen o principal reservorio global de Hg nos ecosistemas terrestres e, en particular, os solos forestais acumulan ata o 75% de todo o Hg presente na biosfera. Esta capacidade de almacenamento dos solos forestais atribúese á afinidade do Hg pola materia orgánica e aos oxihidróxidos de Fe e Al. O papel dos solos como fontes ou sumidoiros de Hg resulta do balance entre os aportes atmosféricos de Hg e a re-emisión do Hg depositado. Este balance vese influenciado pola dinámica nas emisións de Hg a nivel rexional e pola estreita relación entre a dinámica do Hg e o C nos solos. Así, os solos e os seus compoñentes van determinar os mecanismos de transferencia de Hg á atmosfera, augas superficiais e subterráneas ou a propia dinámica do Hg no sistema solo-planta. Os estudos realizados sobre o comportamento bioxeoquímico do Hg adoitan centrarse onde a acumulación de Hg de orixe antrópica está contrastada ou ben onde a transformación de HgII a compostos organo-mercuriais (metil-Hg e dimetil-Hg), altamente tóxicos, é máis probable. Polo contrario, existe una ampla extensión de ecosistemas terrestres ao longo de todo o planeta onde os solos mostran concentracións baixas de Hg ou equivalentes aos niveis de fondo xeoquímico (100 ng g-1). É precisamente a ampla extensión que cobren o que fai pensar que o destino do Hg que almacenan podería modificar o equilibrio bioxeoquímico existente entre o Hg atmosférico e o Hg almacenado nos solos, e a súa resposta ao fenómeno de quecemento global e a diminución das emisións de Hg antrópicas. O proxecto de tese doutoral proposto ten como obxectivo estudar o comportamento bioxeoquímico de Hg nos solos forestais de zonas cuxa litoloxía non está enriquecida neste metal nin afectada por fontes puntuais de Hg. O papel dos solos forestais é chave na mobilización de Hg e metil-Hg cara aos ecosistemas terrestres e determinante para a súa aparición nos sistemas acuáticos. O quecemento global, o cambio nas emisións de Hg e mailo cambio nos usos do solo contribúen á incerteza sobre a estabilidade do Hg almacenado nos solos e a súa posible transformación a metil-Hg. O marco espacial do estudo será maioritariamente o norte de España, aínda que tamén se incluirán solos do norte de Europa e sur de Sudamérica, coa fin de establecer patróns comúns en relación a súa concentración, distribución e almacenamento coa profundidade de Hg e metil-Hg nos solos. Deste modo tentarase identificar os procesos e mecanismos comúns do comportamento bioxeoquímico do Hg en solos non impactados e escala global.

Environmental concerns about Hg accumulation in natural ecosystems has been recently endorsed by the Minamata Convention. Its aim is to promote policies and regulations to restrict the exploitation and use of Hg, so as to reduce the impact of the Hg and methyl-Hg accumulation in natural ecosystems and the human health. Mercury accumulation in terrestrial ecosystems has been increased up to 5 times since the Industrial Revolution, and the Hg stored in the soils surface has been increased up to 20%. This fact is mainly attributed to human activities such as fossil fuels burning, Hg use for metal extraction or mining and processing of heavy metals. Due to its high volatility and residence time in the atmosphere, mercury is considered a global pollutant that can be transported and deposited on terrestrial and marine ecosystems located in remote and pristine areas. Soils are the main global Hg reservoir in terrestrial ecosystems and, in particular, forest soils can accumulate the 75% of all the Hg in the biosphere. This storage capacity is attributed to the Hg affinity for the organic matter and Fe and Al oxyhydroxides. The role of soils as a sink or a source of Hg results from the balance between atmospheric Hg inputs and re-emission of the Hg deposited. This balance is influenced by the Hg emissions on a regional scale and the relationship between the Hg and C dynamics in soils. Thus, soils and their components will determine the mechanisms of Hg transfer to the atmosphere, surface and groundwater or the dynamics of Hg in the soil-plant system. Studies about the biogeochemical behaviour of Hg tend to focus in areas where the accumulation of Hg is proved, or where the transformation of Hg (II) into organo-mercuric species (methyl-Hg and dimethyl-Hg), highly toxic for the environment and human health, is likely to occur. On the contrary, there is a vast area of terrestrial ecosystems all around the world where soils show low Hg concentrations or equivalent to geochemical background levels (< 100 ng g-1). This fact suggests that the fate of the Hg stored could modify the biogeochemical balance between atmospheric and stored Hg determining its global cycle and its responses to the global warming and the reduction of anthropogenic emissions of Hg. The proposed doctoral thesis aims to study the biogeochemical behaviour of Hg in forest soils not enriched in this metal or not affected by point sources of emission of Hg. The role of forest soils is key in the Hg and methyl-Hg mobilization to terrestrial ecosystems and determining for its occurrence in aquatic ecosystems. Global warming, changes in anthropogenic Hg emissions and land uses contribute uncertainty about the stability of the Hg stored in soils and its potential transformation into methyl-Hg. The spatial framework of the study will be predominantly northern Spain, but forest soils of northern Europe and southern South America will also be included in order to establish possible common patterns in relation to the concentration, distribution and storage of Hg and methyl-Hg in soils. Therefore, we will try to identify common processes and mechanisms of the biogeochemical behaviour of Hg in soils not impacted on a global scale.