Eliana Fernandes¹, Mª Manuela Abreu², Erika Santos^{1, 2} e Mª Clara Magalhães³

¹Centro de Investigação em Ciências do Ambiente e Empresariais, Instituto Superior Dom Afonso III, Convento Espírito Santo, 8100-641 Loulé. elianafernandesea@gmail.com;

²Unidade de Investigação de Química Ambiental, Instituto Superior de Agronomia, Universidade Técnica de Lisboa (TULisbon), 1349-017 Tapada da Ajuda, Portugal;

³Departamento de Química e Centro de Investigação em Materiais Cerâmicos e Compósitos, Universidade de Aveiro, P-3810-193 Aveiro, Portugal

RESUMO

Palavras-chave: Coeficiente de bioconcentração, Coeficiente de transferência, Coeficiente de translocação, Elementos vestigiais, Faixa Piritosa Ibérica Portuguesa

Cistus Ladanifer L. and Cistus Monspeliensis L. behaviour in Chança mine soils contaminated with trace elements

ABSTRACT

Trace elements accumulation and translocation in two spontaneous plants of genus Cistus, Cistus ladanifer L. and Cistus monspeliensis L., growing in the Chança mine area, were compared. Samples of plants and soils from rizosphere were collected and characterized. Soil samples showed different total content of arsenic, chromium, copper, manganese, vanadium and zinc, and some of the trace elements had the following total values (mg kg^-1): 151 (As); 320 (Cr); 926 (Cu); 1010 (Mn); 235 (V). The concentrations of chromium, manganese and vanadium in roots were different between species. In the shoots, only manganese and nickel concentrations were similar. The two species were manganese accumulators, with C. mon-speliensis exception in one of the sampled areas. Cistus monspeliensis showed the largest translocation capacity of trace elements from roots to shoots. Both species presented the translocation coefficient of chromium, manganese, nickel and zinc larger than 1,5.

Key-words:Bioconcentration coefficient, Portuguese Iberian Pyrite Belt, Transfer coefficient, Translocation coefficient, Trace elements

INTRODUÇÃO

A Faixa Piritosa Ibérica (FPI) é uma vasta área geográfica localizada na região SW da Península Ibérica, inserida na Zona Sul Portuguesa (ZSP), uma das unidades geotectónicas principais do Orógeno Varisco (Matos e Martins, 2006). Esta área tem sido intensamente explorada desde o Calcolítico, devido à sua enorme riqueza em minério, principalmente para cobre, ouro e prata. Após intensa actividade extractiva, a céu aberto e/ou em lavra subterrânea, desde os finais do século XIX até aos anos 70-80 do séc. XX, a maioria das minas da FPI foram fechadas, sem que tivesse sido planeado ou implementado qualquer programa de recuperação ambiental. A actividade mineira e seu abandono determinaram a existência de infra-estruturas degradadas e de escombreiras, por vezes de grande volumetria, e muitas delas geradoras de drenagem ácida (Abreu et al., 2010). Muitas destas escombreiras não se encontram vegetalizadas ou então apresentam uma vegetação esparsa. As características químicas e mineralógicas dos materiais de escombreiras, dão origem à contaminação dos solos, sedimentos e águas da sua envolvente, com os inerentes efeitos na fauna e flora podendo ainda, em alguns casos, originar graves problemas de saúde pública. De facto, a maioria das minas da FPI encontra-se em situação de abandono não possuindo estruturas apropriadas que diminuam o seu impacto ambiental (Matos e Rosa, 2001; Matos e Martins, 2006).

De um modo geral, nas áreas mineiras a cobertura vegetal é afectada por vários factores de stresse inerentes a esses meios, como elevadas concentrações de elementos vestigiais nos solos, baixos valores de pH, fertilidade e água disponível. Contudo, algumas espécies vegetais, nomeadamente espécies do género Cistus, colonizam e desenvolvem-se espontaneamente em solos de zonas degradadas e contaminadas por metais e metalóides apresentando elevada plasticidade e mecanismos de tolerância aos vários factores de stresse existentes no meio (Alvarenga et al., 2004; Freitas et al., 2004; Chopin e Alloway, 2007; Fernandes et al., 2009; Santos et al., 2009; Abreu et al., 2011). Estas plantas podem contribuir para acelerar as condições de pedogénese e melhorar as características biológicas e físico-químicas dos solos incipientes das áreas mineiras (Tordoff et al., 2000; Abreu e Magalhães, 2009). Além disso, podem também minimizar a dispersão dos elementos contaminantes e ainda, porque são pioneiras, contribuir para a instalação de outras espécies vegetais (Abreu e Magalhães, 2009).

A área mineira do Chança foi muito pouco estudada, provavelmente devido à sua pequena extensão. Os estudos publicados referem-se fundamentalmente às águas superficiais (Alvarenga et al., 2002). Contudo, os impactos sobre o meio, e particularmente nos solos poderão ser significativos, embora em função da dimensão da mina possam restringir-se a uma área relativamente pequena.

O objectivo deste trabalho foi avaliar o impacto determinado pela actividade mineira em três zonas espacialmente diferentes na área mineira do Chança, e particularmente o comportamento, relativamente aos elementos vestigiais, de duas espécies espontâneas do género Cistus, C. ladanifer L. e C. monspeliensis L. que crescem em solos desenvolvidos sobre escombreiras de natureza diferente.

MATERIAIS E MÉTODOS

Seleccionaram-se três zonas representativas da área mineira do Chança cujos solos se desenvolveram sobre materiais de escombreira de diferentes naturezas: z1 e z2 - mistura de rocha encaixante e britados de pirite; z3 - gossan. A zona de colheita z3, contrariamente a z1 e z2, encontrava-se muito vegetalizada. A selecção das zonas de amostragem baseou-se na existência/predominância de duas espécies espontâneas e autóctones do género Cistus: na z1 predominava o Cistus monspeliensis L.; na z2 ocorria apenas o Cistus ladanifer L.; na z3 coexistiam as duas espécies de Cistus. Em cada zona de amostragem colheram-se três amostras compósitas de raiz e de parte aérea, provenientes de três a cinco indivíduos de cada espécie, e de solo da respectiva zona da rizosfera. O solo foi colhido até a uma profundidade de 20 cm. As respectivas amostras compósitas de plantas e solos foram devidamente homogeneizadas. Os solos foram secos ao ar e crivados para obtenção da fracção <2 mm. As amostras de plantas foram lavadas várias vezes com água corrente, seguida de água destilada, secas em estufa (40 ºC) e moídas finamente.

As amostras de solo (fracção <2 mm) foram caracterizadas relativamente à textura (análise granulométrica), pH em água (1:2,5; m:v), carbono orgânico (Corg) pelo método de combustão por via húmida, capacidade de troca catiónica (CTC) e catiões de troca pelo método do acetato de amónio a pH 7 (Póvoas e Barral, 1992). Determinou-se também a concentração de ferro nos oxi-hidróxidos de ferro; fracção total (De Endredy, 1963) e fracção não cristalina (Schwertmann, 1964).

A análise química multielementar dos solos (fracção <2 mm) foi realizada nos laboratórios Actlabs, por Espectrometria de Emissão Atómica com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-OES) e Análise Instrumental por Activação de Neutrões (INAA), após digestão ácida com uma mistura de quatro ácidos (HClO₄+HNO₃+HCl+HF) (ActLabs, 2010a). Tal como nos solos, a análise química multielementar das plantas foi também realizada nos laboratórios Actlabs, por Espectrometria de Massa com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS) (ActLabs, 2010b), após digestão com ácido nítrico. A fracção disponível dos elementos químicos nos solos foi extraída com a solução aquosa de DTPA (0,005 mol L^-1 DTPA + 0,1 mol L^-1 TEA + 0,01 mol L^-1 CaCl₂) a pH 7,3 (Lindsay e Norvell, 1978) e a concentração dos elementos químicos foi determinada por Espectrometria de Massa com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS).

O comportamento das plantas face a alguns elementos químicos no solo, foi avaliado através do coeficiente de transferência (CT = [elemento na parte aérea da planta]/[total do elemento no solo]), coeficiente de translocação (Ctrl = [elemento na parte aérea da planta]/[elemento na raiz da planta]) (McGrath e Zhao, 2003; Bu-Olayan e Thomas, 2009) e coeficiente de bioconcentração (CB = [elemento na parte aérea da planta]/[elemento na fracção disponível no solo]) (Abreu et al., 2008). Uma espécie é considerada acumuladora de um elemento químico quando apresenta um coeficiente de transferência >1 (McGrath e Zhao, 2003; Bu-Olayan e Thomas, 2009). O coeficiente de translocação raiz-folha reflecte a mobilidade do elemento entre os dois órgãos sendo que plantas que concentram os elementos vestigiais na parte aérea não são aconselháveis para recuperação ambiental em termos de fitoestabilização, pois constituem uma possível fonte para transferência e provável bioconcentração dos mesmos elementos na cadeia trófica (Mendez e Mayer, 2008). O CB traduz a capacidade de absorção da planta a partir do solo quando o elemento químico se encontra na forma disponível. Uma planta é tolerante a um elemento potencialmente tóxico quando CB >1 (Abreu et al., 2008).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Solos

Os solos apresentam textura franco-arenosa, são ácidos a moderadamente ácidos (3,73 – 6,12). Os solos das áreas onde cresce o C. monspeliensis apresentam os valores de pH mais elevados (Quadro 1). Os valores de pH dos solos desenvolvidos sobre gossan (z3) são significativamente diferentes. A concentração da matéria orgânica nos solos, avaliada através do produto do carbono orgânico pelo factor 1,724, é considerada média a muito alta (23,6-89,3 g kg^-1; Varennes, 2003), não sendo significativamente diferente nas quatro áreas amostradas. A capacidade de troca catiónica dos solos é média a baixa com valores compreendidos entre 7,15 – 19,22 cmol_c kg^-1. Os valores de CTC são semelhantes nas várias amostras de solos, independentemente da espécie e do local. No complexo de troca dominam os catiões cálcio e magnésio.

Quadro 1 – Características químicas dos solos colhidos na área da rizosfera das espécies C. monspeliensis e C. ladanifer (média±desvio padrão, n=3).

O ferro nos óxidos de ferro está maioritariamente associado à fracção cristalina (93 - 99 % do total), variando a concentração de ferro na fracção total entre 14,9 e 46,5 g kg^-1. Os valores de ferro nos óxidos de ferro (fracção total) variam significativamente entre as populações da mesma espécie, observando-se os valores mais elevados nos solos das áreas de colheita nos materiais de gossan (z3). Não se verificaram diferenças entre os solos das duas espécies na z3.

Quadro 2 – Concentração (mg kg^-1) total e fracção disponível de alguns elementos vestigiais presentes no solo da rizosfera das plantas de C. monspeliensis, e C. ladanifer (média±desvio padrão, n=3).

Para a mesma espécie (C. monspeliensis) os solos das duas áreas (z1 e z3), onde as plantas se desenvolvem, apresentam concentrações totais significativamente diferentes de crómio, vanádio e zinco; os solos desenvolvidos sobre materiais de pirite (z1) são mais ricos em crómio e vanádio, enquanto que os solos desenvolvidos sobre gossan (z3) têm maior concentração de zinco. Porém, os solos onde as plantas de C. ladanifer foram colhidas apresentam apenas concentrações estatisticamente diferentes para o arsénio e o cobre, sendo a concentração do primeiro elemento mais alta nos solos da área z3. Estas diferenças estão associadas aos materiais originais dos solos mas também, muito provavelmente, às especificidades de cada uma das espécies, pois que, em regra, estas não ocupam exactamente as mesmas áreas dentro da zona z3.

No entanto, para se avaliar mais correctamente o comportamento das duas espécies de plantas face aos elementos químicos potencialmente tóxicos existentes no solo, deverá ser analisada a fracção disponível do elemento, isto é, a fracção que potencialmente a planta terá possibilidade de absorver. Tal como para a fracção total, também a fracção disponível de manganês é diferente nos solos onde crescem as duas espécies (z3), apresentando igualmente valores superiores nos solos de C. monspeliensis (cinco vezes superior). Relativamente ao arsénio, que na fracção total apresenta diferenças entre os solos das duas espécies, a concentração da fracção disponível deste elemento químico foi, em todas as amostras, inferior ao limite de detecção do método instrumental (0,2 mg kg^-1).

A comparação da fracção disponível dos elementos estudados entre as zonas de colheita de C. monspeliensis, z1 e z3, indica que existem diferenças significativas na concentração de cobre, manganês e zinco. Com excepção do manganês, os solos de C. monspeliensis apresentaram sempre valores mais elevados na escombreira de britados de pirite e rocha encaixante (z1). Por sua vez, na comparação entre as zonas de amostragem de C. ladanifer apenas ocorrem diferenças na concentração da fracção disponível de cobre; em z2, as concentrações deste elemento são 16 vezes superiores às de z3. Nos solos da zona z3 a fracção disponível dos elementos químicos é semelhante, com excepção do manganês.

De uma maneira geral, a fracção disponível dos vários elementos químicos é baixa (<11 % das concentrações totais) não representando, aparentemente, risco ambiental.

A concentração em elementos vestigiais é diferente na parte aérea das duas espécies colhidas na z3, apresentando o C. monspeliensis, com excepção do crómio, valores mais altos para os mesmos elementos (Figura 1). Com excepção do zinco na z1 e do manganês nas três áreas, a concentração dos elementos químicos analisados está abaixo do valor considerado tóxico para as plantas (Kabata-Pendias e Pendias, 2001).

Figura 1 – Concentração total (mg kg^-1) de alguns elementos vestigiais presentes na raiz e na parte aérea das plantas de C. monspeliensis (1; 2; 3) e C. ladanifer (4; 5; 6) (média±desvio padrão, n=3) e na raiz e parte aérea de ambas as espécies na área de colheita z3 (7; 8; 9). (Letras diferentes entre zonas ou espécies indicam valores de concentração com diferenças significativas (p < 0,05)).

Quando se compara a concentração dos elementos químicos na raiz e na parte aérea das plantas da mesma espécie colhidas nas duas zonas de amostragem, observa-se um comportamento diferente do C. monspeliensis para as duas áreas: em z1 as plantas apresentam maior concentração de todos os elementos químicos analisados na parte aérea, com excepção do cobre, porém em z3 este elemento tem comportamento completamente inverso, e o arsénio e o vanádio apresentam maior concentração na raiz.

O C. ladanifer colhido na zona dos solos desenvolvidos sobre britados de pirite e rocha encaixante (z2) tem um comportamento semelhante ao C. monspeliensis colhido no mesmo tipo de solos (z1). Também nos solos do local z3 as duas espécies têm comportamentos semelhantes. Os elementos químicos têm como principais mecanismos de entrada nas plantas, a absorção pelas raízes e folhas, porém a generalidade das plantas apresenta maior concentração nas raízes do que na parte aérea, principalmente dos elementos não essenciais e considerados tóxicos (Varennes, 2003). Porém, no caso das plantas em estudo a maioria dos elementos químicos potencialmente tóxicos para a planta são translocados para a parte aérea (exceptuam-se o arsénio e o vanádio nos solos da área z3). O cobre é, em regra, translocado para a parte aérea (Srivastava e Gupta, 1996; Mengel e Kirkby, 2001), no entanto nas áreas z1 e z2 as duas espécies de plantas apresentam concentração semelhante em cobre na raiz e na parte aérea. Este comportamento poderá estar relacionado com os valores muito elevados não só da fracção total mas também da fracção disponível deste elemento nos solos quando comparados com os solos de z3 (Quadro 2). De facto, Kabata-Pendias e Pendias (2001) referem que em condições de excesso de cobre no solo os tecidos das raízes podem demonstrar uma elevada capacidade para acumular este elemento em vez de o translocar para a parte aérea.

De um modo geral, para a maioria dos elementos vestigiais, o C. monspeliensis possui maior capacidade de translocação (raiz-parte aérea) do que o C. ladanifer (Quadro 3). Os coeficientes de translocação de crómio, manganês, níquel e zinco são superiores a 1,5 em ambas as espécies. Na área mineira de Aljustrel (Alvarenga et al., 2004) e na região de Trás-os-Montes em solos desenvolvidos sobre rochas ultra-básicas (Lázaro et al., 2006) o manganês e o níquel eram também translocados para a parte aérea das plantas de C. ladanifer. A translocação do crómio foi superior nas plantas de C. ladanifer, contudo não parece estar associada a uma maior concentração (total e disponível) do elemento nos solos da espécie em questão (Quadro 2). Os coeficientes de translocação mais elevados de arsénio e vanádio foram obtidos nas plantas, independentemente da espécie, que crescem nos solos desenvolvidos sobre britados de pirite e rocha encaixante, porém no caso do cobre os valores mais altos foram obtidos nas plantas colhidas na área de gossan.

 

Quadro 3 – Coeficientes de transferência (CT), bioconcentração (CB) e translocação (Ctrl) de alguns elementos vestigiais presentes no solo da rizosfera e em plantas de C. monspeliensis, e C. ladanifer (média, n=3).

A capacidade de acumulação dos elementos nas plantas, avaliada através do coeficiente de transferência, varia consoante a zona de amostragem (Quadro 3).

O C. monspeliensis comporta-se como acumuladora de manganês apenas na zona 1. Porém, já o C. ladanifer tem comportamento de planta acumuladora de manganês em ambas as áreas de colheita (zonas 2 e 3) e de zinco apenas na zona 3, onde a fracção disponível do elemento é maior. Estas espécies não são acumuladoras dos outros elementos químicos analisados. O comportamento de planta acumuladora de zinco (Alvarenga et al., 2004 Chopin e Alloway, 2007; Santos, 2007) e de manganês (Alvarenga et al., 2004) também foi observado em C. ladanifer colhido em outras áreas mineiras da FPI.

O comportamento observado em relação às espécies em estudo, não acumuladoras de arsénio, cobre, crómio, níquel e vanádio, é uma característica comum à generalidade das plantas, o que indicia a existência de um mecanismo de defesa face às concentrações totais elevadas de alguns elementos químicos nos solos. As duas espécies do género Cistus têm elevada capacidade de absorção, avaliada através do coeficiente de bioconcentração, de crómio, manganês, níquel e zinco em todos os locais de amostragem (excepto o C. monspeliensis em z3 para o crómio). Na área de gossan (z3), as duas espécies também apresentam elevada capacidade de absorção de cobre. De facto, nas áreas z1 e z2 este elemento, como já referido anteriormente, é acumulado na raiz das plantas que crescem nessas áreas, provavelmente como um mecanismo de defesa por existir em concentrações elevadas nos solos (Quadro 2) (Kabata-Pendias e Pendias, 2001). As populações de C. monspeliensis apresentam maior capacidade de absorção de zinco na área de gossan, no entanto esta área apresenta menor concentração (total e disponível) daquele elemento do que a área de britados de pirite.

CONCLUSÕES

Em todos os locais de amostragem as espécies de Cistus ladanifer e Cistus monspeliensis mostraram boa capacidade de adaptação aos solos, embora alguns dos solos apresentassem concentração em elementos vestigiais (arsénio, crómio, cobre, manganês, vanádio e zinco) superiores aos valores limite da legislação Portuguesa e Canadiana. A capacidade de acumulação e translocação dos elementos químicos varia com o local de colheita mas, de um modo geral, o C. monspeliensis apresentou valores mais altos dos respectivos coeficientes do que o C. ladanifer. As populações de C. ladanifer parecem apresentar maior tolerância aos elementos químicos estudados comparativamente à outra espécie.

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