Site  recovery  in  the  Zn-­‐Pb  mine  of  Olkusz,  Poland,  as  shown  by  changes  in  the  soil  properties,  nematode  communities  and  plant  tolerance  

(Biscutella  laevigata  L.)    

Mar$na  Polek  Master  Thesis  

Master  of  Biogeosciences  2013/2014  University  of  Lausanne  and  University  of  Neuchâtel    

 15.01.2014  

 Prof.  Jean-­‐Michel  Gobat  (University  of  Neuchâtel)  

Dr.  Pierre  Vollenweider  (Swiss  Federal  Ins$tute  for  Forest,  Snow  and  Landscape)  Ins$tute  of  Botany,  Cracow  (Poland)  

Background  

   Previous  study  about  the  alloca$on–based  Zn-­‐tolerance  in  foliage  of  laboratory  grown  B.  laevigata  individuals  

Ins$tute  of  Botany  PAN   •  Biscutella  laevigata  L.  (Brassicaceae)  is  a  pseudometallophyte    

•  Alpine  pioneer  plant  •  Adapted  to  dry  and  warm  

environment  •  occur  in  the  Tatra  Mountains  and  on  

mining  waste  material  around  Olkusz          

Orlowska  et  al.,  2002  

•  Geology:  metalliferous  Triassic  sediments  (mainly  dolomite)  and  Pleistocene  fluvioglacial  and  eolic  sands  

•  Important  ores:              galena  (PbS)  and            various  calamines  mainly  smitsonite  (ZnCO3)  cerussite  (PbCO3)  limonite  (FeOOH)  

Cabala  et  al.,  2009  

The  Surroundings  

Chrastny  et  al.,  2011  

History  of  the  Region  •  Mining  ac$vi$es  date  back  as  far  as  the  12th  century  •  Periods  of  low  and  high  ac$vity    •  Diminishing  of  mining  ac$vi$es  over  the  last  decades    •  Today  only  two  mines  and  one  smel$ng  factory  are  s$ll  ac$ve    •  Mining  will  probably  come  to  an  end  in  the  next  five  years  

Calaba  and  Sutkowska,  2006  

Effects  on  the  Environment  •  Lowering  of  ground  water  level    •  Changes  in  the  landscape:  excava$ons,  mining  waste  heaps,  sedimenta$on  ponds,  slag  heaps  

 

Effects  on  the  Environment    •  Air  and  soil  pollu$on  by  emission  of    

 -­‐  heavy  metal  containing  dust  (1.5  tons/year,  500*  tons/year)    -­‐  SO2  (400  tons/year,  5’000*  tons/year)  

*  un$l  the  1980s    

Szarek-­‐Lukaszewska,  2009  

Study  Sites  •  Six  mining  waste  heaps  of  different  age,  form  and  plant  cover    

BL  1:  50  years  

BL  2:  30  years  

Study  Sites  

BL  3:  20  years  

BL  4:  40  years  

BL  5:  100  years  

BL  6:  age  unknown    

Objects  of  Interest    

Biscutella  laevigata  alloca$on  based  zinc  

tolerance  

Bioindicator  Nematode  community  structure  

à  food  web  condi$on  

Soil  

CaCO3  total,  pH,    par$cle  size  analysis    

C  organic,    C  total  

N  total  

Zinc  total  and  Zinc  disposal  to  plants  

Objectives  of  the  Master  Thesis  •  To  document  site  recovery  by  various  parameters  

   •  To  analyse  the  alloca$on–based  Zn-­‐tolerance  in  foliage  of  B.  laevigata  from  field  samples  and  compare  it  to  the  results  from  laboratory  grown  popula$on  

Hypothese  •  There  is  a  posi$ve  correla$on  between  the  amount  of  zinc  in  the  Biscutella  laevigata  plants  (roots  and  leaves)  and  zinc  disposal  to  plants  but  no  correla$on  exists  with  the  age  since  the  deposi$on  of  the  mining  waste  (parent  material).    

 

Materials  and  Methods  •  on  each  study  site  were  collected:  

 -­‐  5  Biscutella  laevigata  plants  (with  roots)    -­‐  5  soil  samples  around  the  plant’s  roots  of  B.  laevigata    -­‐  5  soil  samples  with  lider  layer    

min.  4  m    +  

+  +  +  

Materials  and  Methods  •  Soil:  Analyse  of  total  zinc  concentra$on  and  zinc  available  to  plants  

•  B.  laevigata:  Analyse  of  total  concentra$on  of  zinc  in  leaves  and  roots  

0"

1'000"

2'000"

3'000"

4'000"

5'000"

6'000"

7'000"

8'000"

9'000"

0"

20'000"

40'000"

60'000"

80'000"

100'000"

120'000"

140'000"

10" 20" 30" 40" 50" 60" 70" 80" 90" 100" 110"

Zn#dispo

sal#to#plan

ts#(p

pm)#

Zn#to

t#(pp

m)#

Age#since#mining#waste#deposi4on#(years)#

Zinc#contamina4on#in#soil#(ppm)#

Zn"tot"(ppm)" Zn_disp"(ppm)"

First  Results  BL  5  

0"

1'000"

2'000"

3'000"

4'000"

5'000"

6'000"

10" 20" 30" 40" 50" 60" 70" 80" 90" 100" 110"

zinc%con

centra+o

n%(m

g/kg)%

Age%since%mining%waste%deposi+on%(years)%

Total%zinc%concentra+on%in%leaves%and%roots%of%B.%laevigata%%on%site%of%different%age%%

Zn"leaves"[mg/kg|" Zn"roots"(mg/kg)"

First  Results  

R2  (Zn_leaves&age)  =  -­‐0.047  R2    (Zn_roots&age)  =  -­‐0.205    

0"

1'000"

2'000"

3'000"

4'000"

5'000"

6'000"

0" 1'000" 2'000" 3'000" 4'000" 5'000" 6'000" 7'000" 8'000" 9'000"

Zinc%con

centra+o

n%(m

g/kg)%

Zinc%disposal%to%plants%(mg/kg)%

Zinc%concentra+on%in%leaves%and%roots%%of%B.#laevigata#vs.%Zinc%disposal%to%plants%#

Zn"leaves"[mg/kg|" Zn"roots"(mg/kg)"

First  Results  

R2  (Zn_leaves&Zn_disp)  =  -­‐0.156  R2    (Zn_roots&Zn_disp)      =    0.045    

First  Conclusions    •  One  site  does  not  represent  one  habitat  but  a  very  heterogenic  accumula$on  of  many  different  milieus  BUT  the  places  were  B.  laevigata  grows  are  very  similar  habitats.      

 

•  A  recovery  gradient  can  not  be  established  because  there  is  no  informa$on  about  the  prevailing  condi$ons  when  the  recovery  started  and  we  analyse  only  one  specific  habitat  of  the  sites.  

 

•  There  might  be  a  correla$on  between  various  parameters  and  the  age  of  mining  waste  or  the  zinc  concentra$on  of  soil  but  due  to  high  heterogeneity  of  the  sites,  the  number  of  samples  is  not  large  enough  to  show  such  correla$ons.        

References  •  Cabala  J,  Sutkowska  K.  (2006).  The  past  extrac$on  and  processing  of  Zn-­‐Pb  ore  effect  on  the  industrial  soil  minerals  composi$on,  Olkusz  and  Jaworzno  District.  Prace  Nauk.  Inst.  Gorn.  Polit.  Wroc.  117.  Studia  I  Materialy.  32.  13-­‐22.    

•  Cabala  J.,  Krupa  P.  and  Misz-­‐Kennan  M.  (2009):  Heavy  Metals  in  Mycorrhizal  Rhizospheres  Contaminated  by  Zn-­‐Pb  Mining  and  Smel$ng  around  Olkusz  in  Southern  Poland.  Water  Air  Soil  Pollut.  199:139-­‐149.  

•  Chrastny  V,  Vanek  A,  Teper  L,  Cabala  J,  Prochazka  J,  Pechar  L,  Drahota  P,  Penizek  V,  Komarek  M,  Novak  M.  (2011).  Geochemical  posi$on  of  Pb,  Zn  and  Cd  in  soils  near  the  Olkusz  mine/smelter,  South  Poland:  effects  of  land  uase,  type  of  contamina$on  and  distance  from  pollu$on  source.  Environ  Monit  Assess.  184:2517-­‐2536.    

•  Ferris  H,  Bongers  T,  De  Goede  R.G.M.  (2001).  A  framework  for  soil  food  web  diagnos$cs:  extension  of  the  nematode  faunal  analysis  concept.  Applied  Soil  Ecology,  18,  13-­‐29.    

•  Orlowska  E,  Zubek  Sz,  Jurkiewicz  A,  Szarek-­‐Lukaszewska  G,  Turnau  A.  (2002).  Influence  of  restora$on  on  arbuscular  mycorrhiza  of  Biscutella  laevigata  L.  (Brassicaceae)  and  Plantago  lanceolata  L.  (Plantaginaceae)  from  calamine  spoil  mounds.  Mycorrhiza.  12:153-­‐160.  

•  Szarek-­‐Lukaszewska  G.  (2009).  Vegeta$on  of  Reclaimed  and  Spontaneously  Vegetated  Zn-­‐Pb  Mine  Wastes  in  Southern  Poland.  Polish  J.  of  Environ.  Stud.  Vol.  18,  No.  4,  717-­‐733.  

Structure  and  Enrichment  CondiBon  of  the  Food  Web  

Sites:  

Hypotheses  •  The  higher  the  carbonate  concentra$on  at  a  site,  the  more  zinc  is  fixed  on  the  carbonates.  Thus  the  zinc  concentra$on  that  is  measured  in  the  roots  and  leaves  of  Biscutella  laevigata  does  not  increase  significantly  even  if  the  concentra$on  of  zinc  in  the  soil  does.    

•  Significant  changes  at  the  same  sites  can  be  observed  on  behalf  of  the  amount  of  zinc  in  Biscutella  laevigata  plants  as  well  as  in  the  nematode  community  structure,  which  might  imply  a  mutual  influence  between  the  two  variables.    

•  The  zinc  is  allocated  in  the  same  Biscutella  laevigata  $ssues  as  observed  in  Biscutella  laevigata  grown  in  laboratory.  

As  Biscutella  laevigata  forms  arbuscular  mycorrhizal  symbioses  (Orlowska  et  al.,  2002),  the  Zn  bioaccumula$on  capacity  of  field  popula$ons  will  differ  from  those  of  popula$ons  grown  in  laboratory.