Οικοτοξικότητα και επιδράσεις αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων στη βιοποικιλότητα ρεόντων οικοσυστημάτων σε διαφορετικά βιολογικά επίπεδα οργάνωσης

Abstract

The significant expansion of the agricultural industry during the last decades has resulted to the increased production of organic wastes, such as olive mill and citrus processing wastewaters. Olive mill wastewater (OMW), one of the major and challenging pollutant in the Mediterranean countries, is the organic effluent generated during the extraction of olive oil, where huge quantities of organic wastes are produced within a short time-period (November – February). Citrus processing wastewater (CPW) is the organic effluent generated during the production of citrus juice from November to June. The effective treatment of both wastewaters, due to their enormous organic load and their toxic components, requires expensive and advanced technologies that many units lack. This usually results to the uncontrolled disposal of untreated or partially treated OMW and CPW in aquatic and terrestrial ecosystems that may pose serious risks to aquatic and terrestrial biota and subsequently to the health of the corresponding ecosystems. Despite the acknowledged high polluting capacity of olive mill and citrus processing wastewaters, their toxicity and effects to aquatic macroinvertebrates and to the ecological status of stream ecosystems remain up to date relatively unknown. The aims of this research was to: a) assess OMW and CPW toxicity on stream macroinvertebrates using acute toxicity bioassays (LC50-24hrs), b) evaluate the effects of sub-lethal concentrations of OMW and CPW at the biochemical level of the stream fauna, c) assess the spatial and temporal effects of OMW and CPW to stream macroinvertebrate abundance and assemblages and to the ecological status of stream ecosystems, and d) assess the effects of OMW pollution in different stream types (mountainous and lowland streams) and evaluate the self-purification potential of the particular streams. Since olive trees strongly follow a biennial cycle of growth and production, a two-year monitoring campaign was conducted in order to assess spatial and temporal responses of stream fauna to high and low OMW yield years. Furthermore, two different hydrologic years (wet and dry year) were covered during the two year monitoring, thus allowing evaluation of hydrologic variation to OMW pollution intensity and effects. The toxicity and the biochemical effects of olive mill wastewater and citrus processing wastewater were evaluated using acute toxicity bioassays (Gammarus pulex and Hydropsyche peristerica) and biochemical biomarkers (AChE and GST). The bioassays indicated toxic properties of olive mill and citrus processing wastewaters. The 24 h LC50 values of olive mill wastewater ranged from 2.64% to 3.36% for G. pulex and 3.62% to 3.88% for H. peristerica, while the LC50 of citrus processing wastewater was 25.26% for G. pulex and 17.16% for H. peristerica. Based on a 5-class hazard classification system applied for wastewaters discharged into the aquatic environment, olive mill wastewater and citrus processing wastewater were classified as highly toxic and toxic, respectively. Results of the biochemical biomarkers showed that both agroindustrial effluents at increasing sub-lethal wastewater concentrations could cause inhibition of the AChE and induction of the GST activities. These first results showed that both species as well as their AChE and GST activities have the potential to be used as indicators and biomarkers for assessing olive mill and citrus processing wastewaters quality. A total of eight sampling sites were selected upstream and downstream the outflow of several olive mills to assess the spatial and temporal effects of OMW to stream macroinvertebrates and to the ecological status of stream ecosystems. Biotic (macroinvertebrates) and abiotic (physicochemical, hydromorphological) data were monitored for two years thus following the biennial cycle of olive growth and production and hydrological variation (drought – wet years). The results of this study revealed the spatial and temporal structural deterioration of the aquatic community due to OMW pollution with consequent reduction of the river capacity for reducing the effects of polluting substances through internal mechanisms of self-purification. OMW had severe effects on the aquatic fauna where the vast majority of macroinvertebrate taxa diminished and only a few tolerant Diptera species survived with very limited abundances (1 - 4 individuals/1.25 m2). OMW, even highly diluted, had dramatic impacts on the aquatic fauna and to the ecological status of the receiving stream ecosystems. Streams receiving OMW were classified from moderate to bad ecological status based on stream typology. Effects were more pronounced at lowland streams, which maintained flow for only some months of the year. The organic load of the wastewater expressed as BOD5, COD and total suspended solids, substrate contamination (sewage bacteria) and distance from the mill outlet, were the most important factors affecting macroinvertebrate assemblages while the typology (i.e. slope, altitude) and hydrology of the stream site (i.e. mountainous – lowland) and the intensity and volume of the wastewater were the most important determinants of self-purification processes. Macroinvertebrate fauna recovery was relatively successful in mountainous streams after the end of the OMW discharge period in contrast to lowland streams where intermittency was a restring factor. Four stream sites were selected upstream and downstream the outlet of two orange juice processing plants to examine the spatial and temporal effects of CPW to aquatic invertebrates and to the ecological status of the sites. The results revealed that the downstream benthic fauna was significantly degraded at all months of the year and only few Diptera individuals (typically 1-3 individulas/1.25m2) mainly from the Chironomidae and Simuliidae families were present. Even after the end of the CPW discharge events the benthic fauna did not recover and thus sites were classified as bad throughout the sampling period. Total suspended solids, substrate contamination (sewage bacteria), Na, K, and total phosphorus were the most important parameters associated with macroinvertebrate assemblages. Finally, trace metals and priority pesticide compounds were also investigated for the first time in water and sediment samples in streams of the Evrotas River Basin. Pesticide residues were detected only from lowland sites that also receive OMW and CPW. Overall, seven compounds were detected in water samples (Alachlor, metolachlor, penconazole, treadimenol, fenthion, dimethoate, malathion) and seven in sediments (Metolachlor, penconazole, treadimenol, fenthion, dimethoate, malathion and monocrotophos). Aquatic risk assessment revealed that all insecticides detected showed acceptable risk, suggesting adverse effects on stream biota. Nevertheless, it was shown that effects on stream fauna was attributed to OMW and CPW toxicity and not by the presence of pesticides. Among the metals analyzed, Cr, Ni and Ba presented the highest concentrations in sediments; however trace metal concentrations proved to be attributed to natural geological processes, where highest concentrations were detected in upland sites.As OMW and CPW are usually being discharged in small size streams that are not considered in the Water Framework Directive 2000/60/EC, there is a need for including of such systems into monitoring and assessment schemes as they may significantly contribute to the pollution load of the river basin. Furthermore, guidelines and management of these wastes through technologies that minimise their environmental impact and lead to a sustainable use of resources are critical.

Ένα από τα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά προβλήματα της χώρας μας και μία από τις πιο σημαντικές πηγές ρύπανσης των επιφανειακών υδάτων στις Μεσογειακές χώρες είναι η απευθείας διάθεση των υγρών αποβλήτων ελαιουργείων. Εξίσου σημαντικό, αλλά όχι τόσο διαδεδομένο περιβαλλοντικό πρόβλημα αποτελεί η διάθεση υγρών αποβλήτων χυμοποιείων. Παρά το γεγονός ότι τα απόβλητα των αγροτοβιομηχανικών αυτών μονάδων είναι από τα πιο διαδεδομένα στις Μεσογειακές χώρες, οι επιπτώσεις τους στην οικολογική κατάσταση των υδάτινων οικοσυστημάτων και στους υδρόβιους οργανισμούς είναι μέχρι σήμερα ελάχιστα μελετημένες. Όσο αφορά την επίδραση των αποβλήτων των χυμοποιείων στους μακροασπόνδυλους οργανισμούς και στην οικολογική κατάσταση επιφανειακών υδάτων, δεν έχει βρεθεί (τουλάχιστον μέχρι σήμερα) καμία επιστημονική αναφορά στην διεθνή βιβλιογραφία. Το ίδιο ισχύει και για τις επιδράσεις των ελαιουργικών αποβλήτων με εξαίρεση την διδακτορική διατριβή της Βορεάδου (1993) που μελέτησε τις επιπτώσεις των αποβλήτων των ελαιουργείων σε χείμαρρους της Κρήτης με τη χρήση μακροασπόνδυλων οργανισμών. Επιπλέον, η τοξικότητα και οι τοξικολογικές επιπτώσεις των αποβλήτων αυτών στους μακροασπόνδυλους οργανισμούς σε χαμηλότερα βιολογικά επίπεδα οργάνωσης (π.χ. κύτταρο, οργανισμός) δεν έχει αποτιμηθεί μέχρι σήμερα. Με βάση τα παραπάνω, ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι: α) να αποτιμηθεί η τοξικότητα των υγρών αποβλήτων ελαιουργείων και χυμοποιείων στα υδρόβια μακροασπόνδυλα χρησιμοποιώντας βιοδοκιμές οξείας τοξικότητας (24hrs-LC50), β) να αποτιμηθούν οι επιπτώσεις των υποθανατηφόρων (sublethal) συγκεντρώσεων των υγρών αποβλήτων ελαιουργείων και χυμοποιείων στο βιοχημικό επίπεδο βιολογικής οργάνωσης των μακροασπόνδυλων οργανισμών, γ) να αποτιμηθούν οι επιδράσεις και οι επιπτώσεις των υγρών αποβλήτων ελαιουργείων και χυμοποιείων στην σύνθεση και αφθονία της μακροασπόνδυλης πανίδας στο χώρο και στο χρόνο και στη βιολογική και στην οικολογική κατάσταση των ρεόντων οικοσυστημάτων, και δ) στην περίπτωση των ελαιουργείων, να αποτιμηθούν οι επιπτώσεις τους σε διαφορετικούς τύπους ποτάμιων οικοσυστημάτων (π.χ. ορεινά – πεδινά), με στόχο να αξιολογηθεί η ικανότητα αυτοκαθαρισμού τους. Η τοξικότητα και οι επιπτώσεις των υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείων και χυμοποιείων εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας δοκιμές οξείας τοξικότητας (24hrs-LC50) και βιοχημικούς βιομάρτυρες (ακετυλοχολινεστεράση-AChE και γλουταθειόνη S-τρανσφεράση-GST). Για τις τοξικολογικές δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν το αμφίποδο Gammarus pulex και το τριχόπτερο Hydropsyche peristerica. Οι τιμές οξείας τοξικότητας LC50 των υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείων κυμάνθηκε από 2,64% έως 3,36% για το G. pulex και 3,62% έως 3,88% για Η. peristerica, ενώ οι τιμές LC50 των υγρών αποβλήτων χυμοποιείων ήταν 25,26% για το G. pulex και 17,16% για το H. peristerica. Με βάση το σύστημα πενταβάθμιας ταξινόμησης τοξικότητας για τα υγρά απόβλητα που εκχέονται στο υδάτινο περιβάλλον, τα υγρά απόβλητα ελαιουργείων και χυμοποιείων ταξινομήθηκαν ως πολύ τοξικά και τοξικά, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των βιοχημικών αναλύσεων έδειξαν ότι οι υποθανατηφόρες συγκεντρώσεις των αποβλήτων μπορούν να προκαλέσουν αναστολή της AChE και επαγωγή της ενζυμικής δραστικότητας της GST. Αυτά τα πρώτα αποτελέσματα έδειξαν ότι και τα δύο είδη, καθώς και οι ενζυμικές δραστικότητες τους, έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως βιοδείκτες και βιομάρτυρες για την αξιολόγηση της ρύπανσης από τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείων και χυμοποιείων. Για την εκτίμηση των χωρικών και χρονικών μεταβολών της μακροασπόνδυλης πανίδας πραγματοποιήθηκε μια διετής εκστρατεία παρακολούθησης αβιοτικών και βιοτικών δεδομένων σε χρονιές υψηλής και χαμηλής ελαιοπαραγωγικής απόδοσης, με βάση το γεγονός ότι τα ελαιόδεντρα ακολουθούν ένα διετή κύκλο ανάπτυξης και παραγωγής,. Επιπλέον, καλύφθηκαν και δύο διαφορετικά υδρολογικά έτη (υγρό και ξηρό έτος) κατά τη διάρκεια των δύο ετών, επιτρέποντας έτσι την αξιολόγηση των υδρολογικών διακυμάνσεων στις επιπτώσεις της ρύπανσης των υγρών απόβλητων ελαιουργείων. Για να εκτιμηθούν οι χωρικές και χρονικές επιπτώσεις των υγρών αποβλήτων ελαιουργείων στην μακροασπόνδυλη πανίδα και στην οικολογική κατάσταση των ρεόντων οικοσυστημάτων επιλέχθηκαν συνολικά οκτώ σταθμοί δειγματοληψίας ανάντη και κατάντη των ελαιουργείων. Βιοτικά (μακροασπόνδυλα) και αβιοτικά (φυσικοχημικά, υδρομορφολογικά) δεδομένα συλλέχθηκαν για δύο χρόνια (2006-2008) ακολουθώντας έτσι τον διετή κύκλο ανάπτυξης και παραγωγής της ελιάς και τις υδρολογικές διακυμάνσεις (ξηρό - υγρό έτος). Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας έδειξαν τη χωρική και χρονική υποβάθμιση της μακροασπόνδυλης βιοκοινωνίας λόγω της ρύπανσης των υγρών αποβλήτων. Τα υγρά απόβλητα ελαιουργείων είχαν δραματικές επιπτώσεις στην υδρόβια πανίδα, όπου η συντριπτική πλειοψηφία των μακροασπόνδυλων ειδών είχε αφανιστεί. Μόνο μερικά ιδιαίτερα ανθεκτικά είδη δίπτερων επέζησαν με πολύ περιορισμένες αφθονίες (1 - 4 άτομα/1.25 m2). Ακόμα και σε μικρές ποσότητες, τα υγρά απόβλητα των ελαιουργείων είχαν δραματικές επιπτώσεις στην υδρόβια πανίδα και στην οικολογική κατάσταση των οικοσυστημάτων. Στους κατάντη σταθμούς που δέχονται τα υγρά απόβλητα, η οικολογική κατάσταση κυμάνθηκε από μέτρια έως κακή ανάλογα με τον τύπο ποταμού. Οι επιπτώσεις ήταν εντονότερες στα πεδινά ρέματα, τα οποία διατηρούσαν ροή μόνο για ορισμένους μήνες του έτους. Το οργανικό φορτίο των υγρών αποβλήτων που εκφράζεται ως BOD5, COD και ολικά αιωρούμενα στερεά, η υποβάθμιση του ενδιαιτήματος (μύκητες αποβλήτων) και η απόσταση από την εκροή των ελαιουργείων, ήταν οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρέασαν τις συναθροίσεις των μακροασπόνδυλων ειδών, ενώ η τυπολογία (π.χ. ορεινό, πεδινό) και η υδρολογία των σταθμών δειγματοληψίας (μικρή – μεγάλη ροή), καθώς και ο όγκος των υγρών αποβλήτων ήταν οι καθοριστικοί παράγοντες της διαδικασίας του αυτοκαθαρισμού. Τέσσερις σταθμοί δειγματοληψίας επιλέχθηκαν ανάντη και κατάντη της εκροής δύο εργοστασίων επεξεργασίας χυμών πορτοκαλιού, για να εξεταστούν οι χωρικές και οι χρονικές επιπτώσεις των υγρών αποβλήτων τους στα υδρόβια ασπόνδυλα και στην οικολογική κατάσταση των ρεμάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βενθική πανίδα ήταν σημαντικά υποβαθμισμένη καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους και μόνο λίγα άτομα δίπτερων (συνήθως 1-3 άτομα /1.25m2) κυρίως των οικογενειών Chironomidae και Simuliidae απαντήθηκαν. Ακόμα και μετά το τέλος διάθεσης των υγρών αποβλήτων χυμοποιείων η βενθική πανίδα δεν ανέκαμψε καθώς παρέμεινε στην κακή οικολογική κατάσταση καθ' όλη την περίοδο των δειγματοληψιών. Τα ολικά αιωρούμενα στερεά, η υποβάθμιση του ενδιαιτήματος (μύκητες αποβλήτων), το νάτριο, το κάλιο, και ο ολικός φώσφορος ήταν οι σημαντικότεροι περιβαλλοντικοί παράμετροι που συσχετίστηκαν με την υποβάθμιση της μακροασπόνδυλης πανίδας. Παράλληλα, προσδιορίστηκαν για πρώτη φορά τα επίπεδα βαρέων μετάλλων, ιχνοστοιχείων και φυτοφαρμάκων στο νερό και στα ιζήματα των συγκεκριμένων ρεμάτων της λεκάνης απορροής του ποταμού Ευρώτα. Υπολείμματα φυτοφαρμάκων εντοπίστηκαν στους πεδινούς σταθμούς, κυρίως σε αυτούς που δέχονται επίσης και τα υγρά απόβλητα ελαιουργείων και χυμοποιείων. Συνολικά ανιχνεύθηκαν επτά ενώσεις στα δείγματα νερού (alachlor, metolachlor, penconazole, treadimenol, fenthion, dimethoate, malathion) και επτά στα ιζήματα (metolachlor, penconazole, treadimenol, fenthion, dimethoate, malathion και monocrotophos). Η οικολογική εκτίμηση κινδύνου έδειξε ότι όλα τα εντομοκτόνα που ανιχνεύτηκαν μπορούν να προκαλέσουν τοξικότητα στο υδάτινο οικοσύστημα και στους οργανισμούς διαφορετικών τροφικών επίπεδων (φύκη, ασπόνδυλα, ψάρια). Ωστόσο, η μείωση αριθμού και αφθονίας των ειδών στους συγκεκριμένους σταθμούς δεν μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία των φυτοφαρμάκων, αφού οι επιπτώσεις στην πανίδα συγχρονίζονται με την περίοδο διάθεσης των αποβλήτων. Όσον αφορά τα μέταλλα, το χρώμιο, το βάριο και το νικέλιο παρουσίασαν τις υψηλότερες συγκεντρώσεις στα ιζήματα. Ωστόσο οι συγκεντρώσεις αυτές αποδίνονται σε φυσικές γεωλογικές διεργασίες, με υψηλότερες συγκεντρώσεις να εντοπίζονται στις ορεινές αδιατάρακτες περιοχές με αποτέλεσμα να μην αναμένεται να επηρεάσουν τη σύνθεση και αφθονία της πανίδας. Τα υγρά απόβλητα ελαιουργείων και χυμοποιείων διατίθενται συνήθως σε μικρού μεγέθους ρέματα (λεκάνη απορροής < 10km2) που δεν περιλαμβάνονται στην Οδηγία Πλαίσιο για τα Ύδατα 2000/60/ΕΚ. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας καθιστούν σαφές ότι τα μικρά ρέματα, ως αποδέκτες αποβλήτων, συμβάλουν σημαντικά στο συνολικό ρυπαντικό φορτίο της λεκάνης απορροής ενός ποταμού και ως εκ τούτου είναι απαραίτητο να συμπεριληφθούν στα πλάνα παρακολούθησης της Οδηγίας. Επιπλέον, η διαχείριση των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων μέσω τεχνολογιών που ελαχιστοποιούν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους είναι απαραίτητη αφού ακόμα και σε μεγάλη αραίωση τα απόβλητα αυτά μπορούν να προκαλέσουν σημαντική υποβάθμιση των ρεόντων οικοσυστημάτων.