The occurrence of contaminants in crops grown under organic soil amendments and peri-urban soils: phytotoxicity and human health implications

Abstract

L’agricultura moderna ha estat buscant contínuament mètodes efectius per satisfer la demanda d’aliments que augmenta exponencialment a nivell mundial. L’aplicació de residus orgànics com a fertilitzants o esmenes de sòl és una mesura molt utilitzada, ja que subministra nutrients de manera eficient i ràpida als cultius. De fet, des de 2015, la Comissió Europea ha proposat un pla d’economia circular que fomenta la utilització de biosòlids. No obstant això, la presència d’una àmplia gamma de contaminants com elements traça (ET), contaminants orgànics i contaminants emergents com antibiòtics (AB) i gens de resistència a antibiòtics (ARG), ha estat descrita en alguns fertilitzants orgànics. Les verdures poden incorporar els contaminants procedents de sòls fertilitzats amb residus orgànics, suposant així una amenaça per a la salut humana. Per aquesta raó, és necessària l’avaluació dels riscos que pot provocar la utilització d’aquests residus orgànics.

Els fertilitzants orgànics més emprats són les deixalles d’origen animal (fems), el compost (fonts vegetals o deixalles d’aliments) i les deixalles urbanes (llots de depuradora i residus domèstics). Actualment, no existeix cap estudi que avaluï la incorporació dels ET i AB per part de les plantes amb aquests tres tipus de fertilitzants orgànics, ni tampoc l’impacte de l’aplicació repetida de fertilitzants orgànics sobre les mateixes parcel·les. A més, aquesta aplicació repetida de llots de depuradora podria resultar en l’acumulació de Zn i Cu als sòls agrícoles, i la seva presència influiria en la incorporació d’altres contaminants.

Així doncs, en aquesta tesi doctoral s’aborden tres aspectes relacionats amb els contaminants en hortalisses en diferents activitats agrícoles: (1) aplicació de diferents dosis de diferents residus orgànics en sòls de cultiu, que té com a objectiu avaluar l’efecte d’aquesta fertilització en la incorporació de ET i AB en l’hortalissa, (2) aplicació reiterada de residus orgànics en sòls de cultiu i seguiment de la concentració de ET en hortalisses durant diferents cicles productius, amb l’objectiu d’avaluar l’impacte de la fertilització orgànica a llarg termini, i (3) aplicació de fangs de depuradora i diferents quantitats de Zn i Cu a sòls, amb l’objectiu d’avaluar l’efecte d’aquests metalls sobre l’acumulació d’altres contaminants com ET, AB i ARG en les hortalisses. A més d’això, en tots els casos s’ha avaluat el risc per a la salut humana associat al consum d’hortalisses.

En àrees periurbanes, el sòl agrícola pot rebre la contaminació potencial de contaminants procedents de sòls fertilitzats amb residus orgànics, però també els contaminants potencials derivats de les activitats urbanes. Aquests contaminants poden influir en el creixement i desenvolupament dels vegetals. En aquesta tesi, també s’ha desenvolupat un mètode simple i ràpid per tal d’avaluar la contaminació de sòls. Per a això, es van utilitzar dos índexs de creixement de plantes (taxa de germinació de llavors i allargament d’arrels en l’etapa inicial) en tres llavors de verdures per avaluar la contaminació química dels sòls en agricultura de proximitat.

La agricultura moderna ha estado buscando continuamente métodos efectivos para satisfacer la demanda de alimentos que aumenta exponencialmente a nivel mundial. La aplicación de residuos orgánicos como fertilizante o enmienda de suelo es una medida ampliamente aceptada, ya que suministra nutrientes de manera eficiente y rápida a los cultivos. De hecho, desde 2015, la Comisión Europea ha propuesto un plan de economía circular que fomenta la enmienda del suelo con biosólidos. No obstante, la presencia de una amplia gama de contaminantes como elementos traza (ET), contaminantes orgánicos y contaminantes emergentes como antibióticos (AB) y genes de resistencia a antibióticos (ARG), ha sido reportada en algunos fertilizantes orgánicos. Las verduras pueden incorporar los contaminantes procedentes de suelos fertilizados con residuos orgánicos, amenazando la salud humana. Por esta razón, es necesaria la evaluación de los riesgos que puede provocar la aplicación de estos residuos orgánicos.

Los fertilizantes orgánicos más utilizados son los desechos de origen animal (estiércol), el compost (fuentes vegetales o desechos de alimentos) y los desechos urbanos (lodos de depuradora y residuos domésticos). Actualmente, no existe ningún estudio que evalúe la incorporación de ET y AB por parte de las plantas con estos tres tipos de fertilizantes orgánicos, ni tampoco el impacto de la aplicación repetida de fertilizantes orgánicos sobre las mismas parcelas. Además, esta aplicación repetida de lodos de depuradora resultaría en la acumulación de Zn y Cu en el suelo modificado, y su presencia puede influir en la incorporación de otros contaminantes.

Por tanto, en esta tesis doctoral se abordan tres aspectos relacionados con los contaminantes en hortalizas en diferentes actividades agrícolas: (1) aplicación de diferentes dosis de distintos residuos orgánicos a suelos de cultivo, que tiene como objetivo evaluar el efecto de esta fertilización en la incorporación de ET y AB en la hortaliza, (2) aplicación reiterada de residuos orgánicos en suelos de cultivo y seguimiento de la concentración de ET en hortalizas durante diferentes ciclos productivos, cuyo objetivo es evaluar el impacto de la fertilización orgánica a largo plazo, y (3) aplicación de lodos de depuradora y diferentes cantidades de Zn y Cu al suelo, con el objetivo de evaluar el efecto de estos metales sobre la acumulación de otros contaminantes como ET, AB y ARG en las hortalizas. Además, en todos los casos se evaluó el riesgo para la salud humana asociado al consumo de hortalizas.

En áreas periurbanas, el suelo agrícola puede recibir la contaminación potencial de contaminantes procedentes de suelos fertilizados con residuos orgánicos, pero también los contaminantes potenciales derivados de las actividades urbanas. Estos contaminantes pueden influir en el crecimiento y desarrollo de los vegetales. En esta tesis, también se desarrolló un método simple y rápido para evaluar la contaminación del suelo. Para ello se utilizaron dos índices de crecimiento de plantas (tasa de germinación de semillas y alargamiento de raíces en la etapa inicial) en tres semillas de hortalizas para evaluar la contaminación química del suelo en agricultura de proximidad.

Modern agriculture has been continually searching for effective methods to meet the exponentially increasing food demand. Amending soil with fertilizers has been widely adopted, as it could efficiently and fast supply nutrients to vegetables.

Since 2015, the European Commission has proposed a circular economy plan which encourages the soil amendment with biosolids. Nevertheless, the presence of a wide range of contaminants, such as trace elements (TEs), organic pollutants, and emerging pollutants such as antibiotics (ABs) and antibiotic resistance genes (ARGs), has been widely reported in many organic fertilizers. Vegetables can absorb the contaminants from the amended soil, and further threaten human health. For this reason, risk assessment of organic fertilizer applications is necessary.

The most commonly used organic fertilizers are animal-based waste (manure), compost (plant sources or food waste), and urban waste (sewage sludge and household waste). Currently, no study evaluates the plant uptake of TEs and ABs under these three organic fertilizers, nor research evaluates the impact of repeated organic fertilization. Additionally, multiple application of sewage sludge might result in the accumulation of Zn and Cu in amended soil, and their presence would influence uptake of other contaminants.

Therefore, in this doctoral thesis, three aspects related to the contaminants in vegetable under different agriculture activities are addressed: (1) amending soils with different doses of different organic fertilizers, which aims to assess the impact of organic fertilizers on the occurrence of TEs and ABs in vegetables, (2) repeated amending soil with organic fertilizers and monitoring the variation of TEs concentrations in vegetables of different productive cycles, which aims to assess the impact of long-term organic fertilization, and (3) amending soils with sludge and different amounts of Zn and Cu, which aims to assess the effect of Zn and Cu on the accumulation of TEs, ABs, and ARGs in vegetables. Furthermore, in every case the risk to human health associated with the consumption of vegetables was evaluated.

In peri-urban area, the agricultural soil may receive the potential pollution from fertilizer, but also from potential contaminants due to urban activities. Those pollutants would influence the growth and development of vegetables. In this thesis, a simple and rapid method to assess soil pollution was also developed. Here, we use two plant growth indexes (seed germination rate and root elongation at the initial stage) for three vegetable seeds to assess soil chemical contamination on proximity agriculture.