Dynamics of chemical microcontaminants in peri-urban agriculture and evaluation of their potential impact on crops and human health

Abstract

Peri-urban agriculture carries out environmental, social and economic functions and services to the nearby urban areas. Nonetheless, most of these fields are impacted with organic and inorganic contaminants caused by industrialization, sewage and sludge application, vehicular emissions and the reuse of reclaimed water. Therefore, vegetables are exposed to a large number of contaminants present in irrigation water, air and soil. In the recent years, concerns have been raised regarding the presence of chemical contaminants in agriculture crops due to the evidence that plants are able to incorporate, translocate and accumulate them in their edible parts. Despite detected concentrations in food crops are generally low, little is known about the effects of these contaminants on human health. For this reason, field studies are necessary to properly evaluate their incorporation and create databases to assess the human health risk. Currently, there are only few field studies done at real scale, none of them in Spain, which demonstrate the uptake of micropollutants in vegetables irrigated with reclaimed water. In this Thesis, the plant uptake in real field-scale conditions of some trace elements (TEs) and organic microcontaminants (OMCs) chosen by their occurrence in the environment and their physicochemical properties, has been assessed. For this purpose, 4 farm plots located in the peri-urban area of Barcelona (NE Spain) and a rural farm plot far away from the peri-urban area were selected, including different irrigation water qualities and exposure to urban pollution. Lettuce, tomatoes, cauliflowers and broad beans were selected regarding their importance in the horticultural production in the sampling area. The PhD dissertation is split in six chapters. Chapter I gives an overview of the Thesis topic, whereas chapter II explains motivations and aims of the PhD project. The Chapter II assesses the occurrence of TEs and OMCs in irrigation waters. Irrigation waters from peri-urban areas showed higher abundance of selected chemical contaminants than that water from the rural site. Nevertheless, any of the irrigation waters affected seed germination, root elongation or crop productivity. Chapter III assesses the co-occurrence of these contaminants in soil and lettuce leaves, their bioaccumulation factors and how they affect leaf constituents. The higher abundance of these contaminants in the irrigation waters an soils from the peri-urban area had no impact on leaf constituents (chlorophyll, carbohydrate and lipid content). Chapter IV shows the occurrence of the chemical contaminants in different food crops (lettuce, tomato, cauliflower and broad beans) and estimates the human health risk associated with their consumption. Results show that human health risk associated was low and similar between crops grow in peri-urban and rural areas. Chapter V is devoted to the general discussion of three previous chapters, whereas Chapter VI reveals the main conclusions of the Thesis.

L'agricultura periurbana proporciona funcions ambientals, soci-econòmiques i serveis ecosistèmics a les zones urbanes properes. Malgrat això, els cultius conreats en aquestes zones estan exposats a contaminants orgànics i inorgànics procedents d'emissions industrials i del trànsit rodat, així com de l'aplicació de biosòlids i l'ús d'aigües regenerades. En aquest sentit, en els darrers anys, ha sorgit una preocupació creixent sobre la presencia de contaminants químics en els cultius agrícoles degut a l'evidencia de que les plantes poden incorporar-los, translocar-los i acumular-los en les seves parts comestibles. Tot i que les concentracions detectades en els cultius alimentaris són generalment baixes, es coneix poc sobre els efectes d'aquests contaminants sobre la salut humana. Per aquest motiu, els estudis de camp són necessaris per avaluar adequadament la seva incorporació i el seu risc potencial per a la salut humana. Actualment no existeix cap estudi que avaluï l'exposició i presència de contaminats orgànics i inorgànics de manera simultània en cultius agrícoles de zones periurbanes. Els pocs estudis existents a escala de camp es basen en l'impacte d'aigües regenerades en cultius agrícoles, considerant de manera separada contaminats orgànics i inorgànics. En aquesta Tesi, s'ha avaluat la incorporació en les plantes en condicions de camp reals d'alguns elements traça i microcontaminants orgànics, seleccionats en funció de la seva presència en el medi ambient i les seves propietats fisicoquímiques. Amb aquesta finalitat, es varen seleccionar 4 parcel·les agrícoles situades a la zona periurbana de Barcelona (NE Espanya) i una parcel·la agrícola rural llunyana de la zona periurbana, incloent diferents qualitats d'aigua de reg i exposició a la contaminació urbana. Com a cultius objecte d'estudi es van seleccionar l'enciam, el tomàquet, coliflors i faves com a vegetals model (fulla, fruit i flor). La present tesi doctoral es divideix en sis capítols. En el capítol I s'ofereix una visió general de la temàtica de la Tesi i presenta les hipòtesis i objectius del projecte de doctorat. El Capítol II avalua la presència d'elements traça i microcontaminants orgànics en aigües de reg. Les aigües de reg de les zones periurbanes van mostrar una major abundància de contaminants químics seleccionats en relació a l'aigua de la zona rural. Malgrat això, cap de les aigües de reg va induir efectes fitotòxics (germinació de llavors, elongació de l'arrel) o minvar la productivitat del cultiu. El capítol III incideixen la coexistència d'aquests contaminants al sòl i a les fulles d'enciam, els seus factors de bioacumulació i com afecten als constituents lipídics i sucres de les fulles. La major abundància d'aquests contaminants en les aigües de reg i sòls de la zona periurbana no va alterar el contingut en clorofil·les, hidrats de carboni i lípids de fulles d'enciam. El capítol IV mostra la presència dels contaminants químics en la part comestible de diferents cultius model (enciam, tomàquet, coliflor i faves) i avalua el risc potencial per a la salut humana associat al seu consum. Els resultats obtinguts mostren que els riscos associats a la salut humana eren baixos i similars entre els cultius que creixen en les zones periurbana i rural. El capítol V esta dedicat a la discussió general dels tres capítols anteriors, i finalment el capítol VI presenta les principals conclusions de la tesi.