Μελέτη των επιπτώσεων των ρύπων σε οργανισμούς του εδάφους

Abstract

In this thesis it was studied the effect of soil pollution by metals and olive oil mill wastewaters on soil organisms (nematodes, microarhropods, microbial activity). The experimental part of this thesis is divided into two sections. In the first section, two studies were carried out. In the first study of this section, it was studied, in edaphic mesocosm trials, the effect of copper (at the dose rates of 100, 500 and 1000 mg/Kg soil) and cadmium (at the dose rates of 20, 100 and 200 mg/Kg) in soil organisms (nematodes, mites, springtails) and in soil microbial activity. Copper decreased both basal and substrate reduced respiration, without a clear dose response effect. Microarthropod numbers decreased with increasing dose of Cu, except than Prostigmata where population decreased only at the two higher doses. Nematode population of all trophic groups as well as most of the genera decreased at the two higher Cu doses. Nematode maturity index (MI), and total index (ΣMI) decreased at the two higher Cu doses, while the index SMI 2-5 decreased only at the higher dose. Indexes of plant parasitic nematodes (PPI), structure (SI), channel (CI) and basal (BI) weren't affected by Cu addition, while Cu addition increased enrichment index (ΕΙ). Shannon index of diversity (Η') and Margalef index of richness (R1) increased at the dose rate of 500ml/Kg· index of evenness of Hill (E5) increased at the higher dose, while Simpson index of dominance (λ) decreased at the dose rate of 500mg/Kg. Cadmium decreased both basal and substrate reduced respiration. Mite populations were decreased with increasing Cd dose, while Cd addition decreased springtail populations, but without differences among doses. Even if some nematode genera weren't affected significantly, the population of all trophic groups decreased in the two higher Cd doses. The indexes ΜΙ, ΕΙ, CI and BI weren't affected significantly by Cd addition, while the indexes ΣΜΙ, ΣΜΙ 2-5 and SI decreased only in the two higher Cd doses. Finally indexes H', λ, R1 and Ε5 weren't affected from Cd addition. In the second study it was examined the effect of pollution due to industrial activities of the area of Thriasio Plain (Attica) in soil organisms. During a year period, soil samples were taken from two areas of Thriasio Plain, from an area near to industrial activities (area A) and from an area remote from the industrial activities (area B), in order to compare microarthropod (acari and springtails) and nematode community as well as microbial activity. Both basal and substrate induced respiration were higher in the area B throughout the season; both parameters displayed lower values in winter, while higher values found in autumn and summer for basal and substrate induced respiration respectively. Higher populations of microarthropods were found in the area B, that was more sound for Mesostigmata and Oribatida. In the area B were also found higher populations of plant parasitic, bacterivorous and omnivorus nematodes, while the populations of fungivore nematodes didn't differ between the two areas. Generally, higher nematode populations were found on winter and spring than summer and autumn. The indexes of MI, plant PPI and ΣΜΙ didn't differ neither between the two areas nor among the seasons. The indexes of ΣΜΙ 2-5 , SI, BI, CI and EI were found higher in the area Β. The indexes of ΣΜΙ 2-5 and SI were higher on summer, while BI and CI were higher on summer. The indexes of H' E5 were found higher in the area B. Both indexes were found lower in summer, while H' and E5 had higher values on spring and winter respectively. The indexes of λ and R1 were found higher in the area A. The Index λ was found higher on summer and lower on spring, while the index R1 was found higher on spring and lower on winter. In the second section, two studies were carried out. In the first study of this section, it was examined, in edaphic mesocosm trials, the effect of Olive Mill Wastewaters (OMW) in soil organisms (nematodes, mites, springtails) and in soil microbial activity, in two levels of soil moisture,(0, 50 and 100ml OMW per kg of soil at moisture at 70% of soil water holding capacity and 0, 50 and 200ml OMW per kg of soil at moisture at 100% of soil water holding capacity). OMW addition increased basal respiration with dose response effect; Substrate induced respiration increased also, but not so sound as basal respiration did. OMW addition didn't affected springtail population. The Oribatida populaton decreased with increasing OMW dose, while Mesostigmata population reduced only at the higher OMW dose. The addition of OMW decreased Prostigmata population only at the first two assessments. In the lower soil moisture, the populations of plant parasitic and fungivorous nematodes decreased with increasing OMW dose, while the population of bacterivorus and omnivorous nematodes increased with the addition of OMW, but without differences among the two doses. The index MI didn't affected by OMW, while the indexes of ΣΜΙ, PPI and ΣΜI 2-5 had lower value at the dose of 50ml/Kg than that of the dose of 100ml/Kg and control. The index ΒΙ increased with time except the dose of 100ml/Kg where at 60 days BI value decreased, the index CI didn't show a constant behavior, the index ΕΙ didn't show remarkable fluctuations, while the index of SI didn't affected by OMW. OMW decreased the value of indeχ λ, while increased index E5; index H' had higher value at the dose of 50ml/Kg. In the higher moisture the populations of plant parasitic nematodes decreased also with increasing OMW dose, the bacterivorous and fungivorous nematodes showed higher populations at the dose rate of 50ml/Kg and lower at the control while omnivorous nematodes didn't affected by OMW addition. Generally nematode populations increased with time. The Indexes of MI, SMI, PPI and ΣΜΙ 2-5 generally decreased with increasing dose of OMW. Also, the index ΒΙ decreased by OMW addition only at the 15 and 30 days, while the index ΕΙ increased and indexes of CI and SI decreased with OMW addition. OMW addition also increased the value of indexes of Η' and E5, decreased that of λ, while index R1 increased only at the dose rate of 50ml/Kg. In the second study was estimated, in laboratory tests, the effect of two samples of OMW with different profile (a and b), on the reproduction and also the potential repellent action on the soil dwelling springtail Folsomia candida. The ER value of the two samples was found 110 and 224 ml OMW per Kg of soil for the samples a and b 50 respectively. The sample a, that was found more toxic, OMW had higher organic load and phenol content, and lower pH than sample b; that traits may be responsible for the differences in toxicity. Both OMW samples at tested doses (75, 150 and 300ml/Kg of soil) caused avoidance behavior of F. candida, except sample b at the lower dose rate. Both tests (reproduction and avoidance) showed differences between those two samples, that found also in analysis of OMW, so they can be useful tools for assessment of OMW toxicity. In conclusion, soil organisms can be useful tools for the monitoring of soil quality, because they are affected by disturbance. Some animal taxa, like omnivorous nematodes and mites (especially Oribatida) as well as nematode community parameters (like SI index and the graphical of the nematode community analysis) seemed to be sensitive in environmental disturbances; therefore have a potential to be used as bioindicators of the soil quality. Microbial activity also seems to be affected by soil disturbance and could be also a useful bioindicator. The studies of the soil ecosystem can leed to useful conclusions on soil health and quality, and to detect hazardous changes in soil ecosystem, probably preventing further degradation.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα καθώς και από υγρά απόβλητα ελαιουργείων (ΥΑΕ) σε οργανισμούς του εδάφους (νηματώδεις, μικροαρθρόποδα, μικροβιακή δραστηριότητα). Το ερευνητικό μέρος της διατριβής χωρίζεται σε δύο κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο διεξήχθησαν δυο μελέτες. Στην πρώτη μελέτη εξετάσθηκε σε εδαφικούς μεσόκοσμους, η επίδραση της προσθήκης χαλκού (σε δόσεις 100, 500 και 1000 mg/Kg) και καδμίου (σε δόσεις 20, 100 και 200 mg/Kg) σε οργανισμούς της εδαφόβιας πανίδας (νηματώδεις, ακάρεα, Collembola) καθώς και στην εδαφική μικροβιακή δραστηριότητα. Η προσθήκη χαλκού μείωσε τόσο την βασική όσο και την επαγόμενη δια υποστρώματος αναπνοή, χωρίς όμως σαφή δοσοεξαρτώμενο τρόπο. Επίσης οι πληθυσμοί των μικροαρθρόποδων μειώνονταν με την δόση του χαλκού, εκτός των Prostigmata των οποίων οι πληθυσμοί μειώθηκαν μόνο στις δυο υψηλότερες δόσεις. H προσθήκη χαλκού μείωσε τους πληθυσμούς των περισσότερων γενών των νηματωδών, καθώς και τους πληθυσμούς όλων των τροφικών ομάδων στις δυο υψηλότερες δόσεις. Ακόμα στις δυο υψηλότερες δόσεις του χαλκού, μειώθηκε ο δείκτης ωριμότητας της νηματωδοκοινότητας (MI), καθώς και ο ολικός δείκτης νηματωδοκοινότητας (ΣMI), ενώ ο ολικός δείκτης της νηματωδοκοινότητας πλην ευκαιριακών νηματωδών (ΣΜΙ ), μειώθηκε μόνο στην υψηλότερη δόση του χαλκού. Οι δείκτες φυτοπαρασιτικής νηματωδοκοινότητας (PPI), δομής (SI), οδού αποσύνθεσης (CI) και θεμελιώδους κατάστασης (BI) της νηματωδοκοινότητας δεν επηρεάσθηκαν από την προσθήκη χαλκού, ενώ ο δείκτης εμπλουτισμού (ΕΙ) αυξήθηκε με την προσθήκη χαλκού. Η προσθήκη χαλκού στην δόση των 500mg/Kg αύξησε την τιμή του δείκτη ποικιλότητας του Shannon (Η') και του δείκτη αφθονίας του Margalef (R1). O δείκτης ισομέρειας του Hill (E5) αυξήθηκε στην δόση των 1000mg/Kg ενώ στην δόση των 500mg/Kg μειώθηκε η τιμή του δείκτη κυριαρχίας του Simpson (λ). Η προσθήκη καδμίου μείωσε την βασική και την επαγόμενη δια υποστρώματος αναπνοή. Οι πληθυσμοί των ακάρεων μειώνονταν με την δόση του καδμίου ενώ το κάδμιο μείωσε και τους πληθυσμούς των Collembola, χωρίς όμως σημαντικές διαφορές μεταξύ των δόσεων. Αν και αρκετά γένη νηματωδών δεν επηρεάσθηκαν σημαντικά, οι πληθυσμοί όλων των τροφικών ομάδων μειώθηκαν στις δυο υψηλότερες δόσεις. Οι δείκτες ΣΜΙ, ΣΜΙ και SI μειώθηκαν μόνο στην υψηλότερη δόση του καδμίου, ενώ αντίθετα οι δείκτες ΜΙ, ΕΙ, CI, BI καθώς και οι δείκτες H', λ, R1, Ε5 δεν 2-5 επηρεάσθηκαν από την προσθήκη καδμίου. Στην δεύτερη μελέτη εξετάσθηκε η επίδρασης της ρύπανσης από χρόνιες βιομηχανικές δραστηριότητες στην περιοχή του Θριάσιου Πεδίου σε οργανισμούς του εδάφους. Διενεργήθηκαν δειγματοληψίες, κατά την διάρκεια ενός χρόνου, στην περιοχή του Θριασίου Πεδίου σε περιοχή πλησίον της βιομηχανικής δραστηριότητας (περιοχή Α) καθώς και σε περιοχή απομακρυσμένη από την βιομηχανική δραστηριότητα (περιοχή Β) προκειμένου να συγκριθούν οι κοινότητες μικροαρθρόποδων (ακάρεα και Collembola) και νηματωδών, καθώς και η μικροβιακή δραστηριότητα του εδάφους. Τόσο η βασική όσο και η επαγόμενη δια υποστρώματος αναπνοή βρέθηκαν υψηλότερες στην περιοχή Β σε όλες τις εποχές του χρόνου. Και οι δυο μετρήσεις είχαν χαμηλότερη τιμή τον χειμώνα ενώ υψηλότερη τιμή για την βασική αναπνοή βρέθηκε το φθινόπωρο, ενώ για την επαγόμενη δια υποστρώματος το καλοκαίρι. Στη περιοχή Β επίσης, βρέθηκαν υψηλότεροι πληθυσμοί μικροαρθροπόδων, η διαφορά στους πληθυσμούς ήταν ιδιαίτερα μεγάλη στα Mesostigmata και στα Oribatida. Στην περιοχή Β βρέθηκαν υψηλότεροι πληθυσμοί φυτοπαρασιτικών, βακτηριοφάγων, παμφάγων και αρπακτικών νηματωδών ενώ οι πληθυσμοί των μυκητοφάγων νηματωδών δεν διέφεραν μεταξύ των δυο περιοχών. Γενικά υψηλότεροι πληθυσμοί νηματωδών βρέθηκαν τον χειμώνα και την άνοιξη από ότι το καλοκαίρι και το φθινόπωρο. Οι δείκτες της νηματωδοκοινότητας MI, PPI και ΣΜΙ δεν διέφεραν μεταξύ των δυο περιοχών ούτε μεταξύ των εποχών δειγματοληψίας, ενώ οι δείκτες ΣΜΙ 2-5 SI, BI,CI και ΕΙ ήταν υψηλότεροι στην περιοχή Β. Οι δείκτες ΣΜΙ και SI είχαν χαμηλότερη τιμή το καλοκαίρι ενώ αντίθετα οι δείκτες ΒΙ και CI είχαν υψηλότερη τιμή το καλοκαίρι. Οι δείκτες Η' και Ε5 ήταν υψηλότεροι στην περιοχή Β ενώ οι δείκτες λ και R1 ήταν υψηλότεροι στην περιοχή Α, ακόμη οι δείκτες Η και R1 είχαν υψηλότερη τιμή την άνοιξη ο δείκτης λ το καλοκαίρι, και ο Ε5 τον χειμώνα. Στο δεύτερο κεφάλαιο διεξήχθησαν επίσης δυο μελέτες. Στην πρώτη μελέτη, εξετάσθηκαν οι επιπτώσεις των ΥΑΕ στην μικροπανίδα του εδάφους (μικροαρθρόποδα, νηματώδεις), καθώς και στην εδαφική μικροβιακή δραστηριότητα σε δυο επίπεδα εδαφικής υγρασίας (0, 50 και 100ml ΥΑΕ ανά kg εδάφους σε εδαφική υγρασία στο 70% της υδατοïκανότητας και 0, 50 και 200ml ΥΑΕ ανά kg εδάφους σε εδαφική υγρασία στο 100% της υδατοïκανότητας). H προσθήκη ΥΑΕ αύξησε την βασική αναπνοή με ρυθμό δοσοεξαρτώμενο καθώς και την επαγόμενη δια υποστρώματος αναπνοή όχι όμως τόσο έντονα όσο την βασική. Οι πληθυσμοί των Collembola δεν επηρεάσθηκαν από την προσθήκη ΥΑΕ, ενώ στα ακάρεα οι πληθυσμοί των Oribatida μειώνονταν με την προσθήκη ΥΑΕ, στα Mesostigmata μειώθηκε ο πληθυσμός τους μόνο στην υψηλότερη δόση, ενώ στα Prostigmata η προσθήκη ΥΑΕ μείωσε τους πληθυσμούς μόνο στις δυο πρώτες ημερομηνίες εκτίμησης. Στην χαμηλότερη υγρασία οι πληθυσμοί των φυτοπαρασιτικών και μυκητοφάγων νηματωδών μειώνονταν με την δόση των ΥΑΕ, ενώ και οι πληθυσμοί των βακτηριοφάγων και παμφάγων νηματωδών ελαττώθηκαν με την προσθήκη των ΥΑΕ χωρίς όμως διαφορές μεταξύ των δυο δόσεων. O δείκτης ΜΙ δεν επηρεάσθηκε από την προσθήκη ΥΑΕ ενώ οι δείκτες ΣΜΙ, PPI και ΣΜΙ είχαν μικρότερη τιμή στην δόση των 50ml/Kg από ότι στην δόση των 100ml/Kg και τον μάρτυρα. Ακόμα ο δείκτης ΒΙ γενικά 2-5 αυξάνονταν με τον χρόνο, ο δείκτης CI δεν έδειξε κάποια σταθερή τάση, ο δείκτης ΕΙ δεν παρουσίασε αξιόλογες μεταβολές ενώ ο δείκτης SI δεν επηρεάσθηκε από την προσθήκη ΥΑΕ. H προσθήκη ΥΑΕ μείωσε την τιμή του δείκτη R1 ενώ αύξησε την τιμή του δείκτη E5, ακόμα ο δείκτης H' είχε υψηλότερη τιμή στην δόση των 50ml/Kg. Στην υψηλότερη υγρασία οι φυτοπαρασιτικοί νηματώδεις επίσης μειώνονταν με την δόση των ΥΑΕ, οι βακτηριοφάγοι και οι μυκητοφάγοι παρουσίασαν υψηλότερους πληθυσμούς στην δόση των 50ml/Kg και χαμηλότερη στον μάρτυρα ενώ οι παμφάγοι νηματώδεις δεν επηρεάσθηκαν από την προσθήκη ΥΑΕ. Γενικά παρατηρήθηκε αύξηση των πληθυσμών των νηματωδών με τον χρόνο. Στην υψηλότερη υγρασία οι δείκτες MI, SMI, PPI και ΣΜI 2- γενικά μειώνονται με την δόση των ΥΑΕ. Ακόμα ο δείκτης ο δείκτης ΕΙ αυξήθηκε με την προσθήκη ΥΑΕ ενώ οι δείκτες ΒΙ, CI και SI μειώθηκαν. Στην υψηλότερη υγρασία η 5 προσθήκη των ΥΑΕ αύξησε την τιμή των δεικτών Η' και E5, μείωσε την τιμή του δείκτη λ, ενώ o δείκτης R1 αυξήθηκε σε σχέση με τον μάρτυρα στην δόση των 50ml/Kg. Στην δεύτερη μελέτη εξετάσθηκε σε εργαστηριακές βιοδοκιμές η επίδραση δυο δειγμάτων ΥΑΕ στην αναπαραγωγή, καθώς και η ενδεχόμενη τάση αποφυγής, στο εδαφόβιο αρθρόποδο Folsomia candida. Δοκιμάσθηκαν δυο δείγματα ΥΑΕ (α και β) με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στα δυο δείγματα ΥΑΕ εκτιμήθηκε η τιμή ER50 η οποία βρέθηκε 110 και 224 ml YAE ανά Kg χώματος για τα δείγματα α και β αντίστοιχα. Στο δείγμα α όπου παρατηρήθηκε η υψηλότερη τοξικότητα, τα ΥΑΕ είχαν υψηλότερο οργανικό φορτίο, υψηλότερη περιεκτικότητα σε φαινόλες καθώς και χαμηλότερο pH σε σχέση με το δείγμα β, στα οποία χαρακτηριστικά πιθανόν να οφείλεται η διαφορετική τοξικότητα. Tα ΥΑΕ στις δόσεις που δοκιμάσθηκαν (75, 150 και 300ml/Kg χώματος) προκάλεσαν σαφή τάση αποφυγής εκτός από το δείγμα β στην χαμηλότερη δόση. Και οι δυο δοκιμασίες (αναπαραγωγής και αποφυγής) διέκριναν διαφορές μεταξύ των δύο ΥΑΕ, οι οποίες φάνηκαν από τις αναλύσεις των ΥΑΕ, και μπορούν να χρησιμοποιούνται για την οικοτοξικολογική αξιολόγηση των ΥΑΕ. Σαν γενικό συμπέρασμα της παρούσας διατριβής οι οργανισμοί του εδάφους μπορούν να αποτελέσουν σημαντικά εργαλεία στον έλεγχο της ποιότητας του, καθώς επηρεάζονται από τις διαταραχές. Κάποια ζωικά taxa, όπως οι παμφάγοι νηματώδεις και τα ακάρεα (ιδιαίτερα τα Oribatida) καθώς και παράμετροι της νηματωδοκοινότητας (όπως ο δείκτης SI καθώς και το γράφημα ανάλυσης της νηματωδοκοινότητας) φαίνεται να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε περιβαλλοντικές διαταραχές, και ενδεχομένως να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοδείκτες για τον έλεγχο της ποιότητας του περιβάλλοντος. Η μικροβιακή δραστηριότητα επίσης φαίνεται να επηρεάζεται από τις διαταραχές και μπορεί να αποτελέσει μια χρήσιμη παράμετρο στον έλεγχο της ποιότητας του περιβάλλοντος. Μελετώντας το εδαφικό οικοσύστημα μπορούμε να οδηγηθούμε σε συμπεράσματα για την υγεία και την ποιότητα του εδάφους, και ενδεχομένως να εντοπίσουμε επιζήμιες αλλαγές στο οικοσύστημα, και πιθανά προλαβαίνοντας περαιτέρω υποβάθμιση.