Assessment of accumulation of selected metals by native plants growing in polluted peruvian post-mining areas

Abstract

Metal mining is one of the economic pillars of the Peruvian economy. Peru is the main producer of gold, zinc, lead, and tin in Latin America and the second largest producer of copper, silver, and zinc worldwide. Despite its economic importance, mining has also left a plethora of Mining Environmental Liabilities (MEL) whose inadequate waste management represents a risk for both the environment and human health and is a common trigger of social problems. The Cajamarca región is the second región in Peru in terms of the number of MEL sites with the majority of them located in the Hualgayoc district. The goal of the PhD project is the assessment of the environmental impact of MEL in the Peruvian Andes using as an example two post-mining sites in the Hualgayoc district. This evaluation includes the study of soils and native plant species in terms of their metal accumulation potential and the species involved in the process, in order to generate information on a possible use of Andean native plants for phytoremediation. The mineralogical composition of soils is dominated by illite, kaolinite, quartz, and jarosite. Soil analyses also reveals a high acidity, very low content of essential nutrients, and potentially toxic concentrations of Pb, Cd, As, Cu, Ag, and Zn out of the 34 analysed elements. Sequential fractionation soil analyses indicate that the highest content of the metals is in fractions with limitedmetal mobility. Soils are classified as extremely polluted according to several geochemical indexes, thus represent a serious risk to the local ecosystem. The main part of the project concerns native Andean flora and contributes to their inventory with the identification of 22 plants belonging to 12 family species. The metal content in plant organs is correlated with that of the soil, in order to assess the phytoremediation potential of native plant species by establishing their metal bioaccumulation and translocation capabilities. Some plants are found to be potentially suitable for phytoremediation of Cd, Cu, and Zn but none of them for Pb, As, and Ag. The speciation studies carried out by HPLC with parallel elemental (ICP) and molecular (ESI) mass spectrometricdetection allows the identification of the chemical species responsible for the translocation of Cu and Zn. Nicotianamine complexes are the major species of copper and zinc in organs of Arenaria digyna, Nicotiana thyrsiflora and Puya sp.; they are accompanied by deoxymutageneic acid complexes. In addition, a novel, never reported so far, dihydroxy-nicotianamine species was identified as the most abundant Cu and Zn ligand in Hypericum laricifolium.

L'exploitation minière des métaux est l'un des piliers économiques de l'économie péruvienne. Le Pérou est le principal producteur d'or, de zinc, de plomb et d'étain d.Amérique latine et le deuxième producteur mondial de cuivre, d'argent et de zinc. Malgré son importance économique, l'exploitation minière a également laissé une pléthore de Responsabilités Environnementales Minières (REM) dont la gestion inadéquate des déchets représente un risque pour l'environnement et la santé humaine et est un déclencheur courant de problèmes sociaux. La région de Cajamarca est la deuxième région du Pérou en termes de nombre de sites REM, la majorité d'entre eux étant situés dans le district de Hualgayoc. L'objectif du projet de doctorat est l'évaluation de l'impact environnemental des REM dans les Andes péruviennes en utilisant comme exemple deux sites post-miniers dans le district de Hualgayoc. Cette évaluation comprend l'étude des sols et des espèces végétales indigènes en termes de potentiel d'accumulation des métaux et des espèces impliquées dans le processus, afin de générer des informations sur une éventuelle utilisation des plantes indigènes andines pour la phytoremédiation. La composition minéralogique des sols est dominée par l'illite, la kaolinite, le quartz et la jarosite. Les analyses de sol révèlent également une acidité élevée, une très faible teneur en nutriments essentiels et des concentrations potentiellement toxiques en Pb, Cd, As, Cu, Ag et Zn sur les 34 éléments analysés. Les analyses de sol par fractionnement séquentiel indiquent que la teneur la plus élevée en métaux se situe dans les fractions pour lesquelles la mobilité métallique est limitée. Selon plusieurs indices géochimiques, les sols sont classés comme extrêmement pollués et représentent ainsi un sérieux risque pour l'écosystème local. L'essentiel du projet concerne la flore andine indigène et contribue à leur inventaire avec l'identification de 22 plantes appartenant à 12 familles. La teneur en métaux des organes végétaux est corrélée à celle du sol, afin d'évaluer le potentiel de phytoremédiation des espèces végétales indigènes en établissant leurs capacités de bioaccumulation et de translocation des métaux. Certaines plantes se révélent être potentiellement appropriées pour la phytoremédiation du Cd, du Cu et du Zn, mais aucune d'entre elles pour le Pb, l'As et l'Ag. Les études de spéciation réalisées par HPLC avec détection par spectrométrie de masse parallèle élémentaire (ICP) et moléculaire (ESI) permettent d'identifier les espèces chimiques responsables de la translocation de Cu et Zn. Les complexes de nicotianamine sont les principales espèces de cuivre et de zinc dans les organes d'Arenaria digyna, de Nicotiana thyrsiflora et de Puya sp.; ils sont accompagnés de complexes d'acide désoxymutagénique. En outre, une nouvelle espèce de dihydroxy-nicotianamine, jamais signalée à ce jour, est identifiée comme le ligand Cu et Zn le plus abondant dans l.Hypericum laricifolium.

La minería metálica es uno de los pilares económicos de la economía peruana. Perú es el principal productor de oro, zinc, plomo y estaño de América Latina y es el segundo productor mundial de cobre, plata y zinc. A pesar de su importancia económica, la minería también ha dejado una gran cantidad de Pasivos Ambientales Mineros (PAM) cuya inadecuada gestión de residuos representa un riesgo tanto para el medio ambiente como para la salud humana y es un desencadenante habitual de problemas sociales. La región de Cajamarca es la segunda del Perú en número de PAM y la mayoría de ellos se encuentran en el distrito de Hualgayoc. El objetivo del proyecto de doctorado es la evaluación del impacto ambiental de PAM en los Andes peruanos utilizando como ejemplo dos emplazamientos post-mineros en el distrito de Hualgayoc. Esta evaluación incluye el estudio de los suelos y de las especies vegetales nativas en cuanto a su potencial de acumulación de metales y las especies involucradas en el proceso, con el fin de generar información sobre un posible uso de las plantas nativas andinas para fitorremediación. La composición mineralógica de los suelos está dominada por illita, caolinita, cuarzo y jarosita. Los análisis del suelo también revelan una elevada acidez, un contenido muy bajo de nutrientes esenciales y concentraciones potencialmente tóxicas de Pb, Cd, As, Cu, Ag y Zn de entre los 34 elementos analizados. Los análisis de suelos por fraccionamiento secuencial indican que el mayor contenido de los metales se encuentra en las fracciones con movilidad limitada de los metales. Los suelos se clasifican como extremadamente contaminados según los índices geoquímicos, por lo que representan un grave riesgo para el ecosistema local. La parte principal del proyecto se refiere a la flora nativa andina y contribuye a su inventario con la identificación de 22 plantas pertenecientes a 12 especies familiares. El contenido de metales en los órganos de las plantas es correlacionado con el del suelo, con el fin de evaluar el potencial de fitorremediación de las especies de plantas nativas estableciendo su capacidad de bioacumulación y translocación de metales. Algunas plantas resultan ser potencialmente adecuadas para la fitorremediación de Cd, Cu y Zn, pero ninguna de ellas para Pb, As y Ag. Los estudios de especiación realizados por HPLC con detección elemental (ICP) y molecular (ESI) de espectrometría de masas en paralelo permiten identificar las especies químicas responsables de la translocación de Cu y Zn. Los complejos de Nicotianamina son las principales especies de cobre y zinc en órganos de Arenaria digyna, Nicotiana thyrsiflora y Puya sp.; están acompañados por complejos de ácido desoximutagénico. Además, se identifica una nueva especie de dihidroxi-nicotianamina, nunca reportada hasta ahora, como el ligando de Cu y Zn más abundante en Hypericum laricifolium.