From rice fields to seabirds: an integrative approach to study mercury dynamics in the Ebro Delta

Abstract

Mercury pollution is of great concern for the scientific community due to their ubiquity and persistence in the environment. Its bioaccumulation and biomagnification capacities along food webs enhance their toxicity both in humans and wildlife. The Ebro Delta is one of the most important wetlands in the NW Mediterranean, both as a rice cultivation area and a biodiversity hotspot. The activity of an historical chlor-alkali plant upstream the Ebro river mouth has increased anthropogenic-derived mercury within its delta and neighboring coastal areas. Industrial operations ceased in 2017, but legacy mercury is still impacting the Ebro ecosystems. Moreover, remediation plans included the dredging of toxic sediments were performed in 2013- 2014, although the mid-term impact of such activities have never been evaluated in depth. In rice fields, mercury sinkage and methylation have been reported to occur. Also, mercury reaching coastal areas can be incorporated in local food webs reaching humans and seabird species breeding there. Monitoring mercury dynamics in these environments should be a priority from both food safety and ecosystem health perspective. In the present thesis, we used an integrative approach to study mercury pollution in the Ebro Delta and marine coastal areas. First, we evaluated mercury dynamics in rice paddies and addressed how different agricultural management practices modify metal dynamics in its different components, from soil to biota. Moreover, an in-situ mesocosm experiment was performed to evaluate the bioaccumulation potential of mercury in the rice paddy environment. In addition, we examined the potential of Audouin’s gull as a model organism to trace trends in legacy pollution in a 15 year series and the effects of soil remediation operations at the chlor-alkali site on mercury bioavailability. To further examine the mercury sources and its temporal variability, we used mercury stable isotopes to relate metal body burdens in seabirds species to mercury sources in relevant foraging areas (ricefields, mesopelagic and epipelagic marine environment). Our results indicate that legacy pollution is still ongoing in the Ebro Delta and stressed the need to continue studying rice fields as mercury cuvettes for mercury speciation and bioavailability, and the ultimate factors influencing mercury dynamics in such environments. Finally, we strongly recommend a continuous monitoring program using sensitive organisms to follow-up mercury fluctuations and the use of mercury stable isotopes, a promising tool to deepen the understanding of pollution in complex environments.

La contaminació per mercuri és d’un gran interès per a la comunitat científica degut a la seva ubiqüitat i persistència en el medi ambient. La seva capacitat de bioacumulació i biomagnificació a través de les xarxes tròfiques accentuen la seva toxicitat tant en humans com en la vida silvestre. El Delta de l’Ebre és un dels aiguamolls més importants en el NO Mediterrani, des del punt de vista del cultiu de l’arròs i com a hotspot de biodiversitat. L’activitat històrica d’una factoria de clor-àlcali aigües amunt de la desembocadura del riu Ebre ha incrementat la presència de mercuri d’origen antropogènic en tot el seu delta i l’àrea costanera al voltant de la desembocadura. Tot i que l’activitat industrial de la planta de clor-àlcali cessà el 2017, el llegat de mercuri segueix impactant els ecosistemes al llarg de la conca del riu Ebre. A més a més, es van realitzar durant els anys 2013-2014 plans de neteja incloent el dragatge de sediments contaminats al voltant de la fàbrica, tot i que l’impacte a mig termini d’aquestes activitats no s’ha avaluat en profunditat. En els arrossars, es coneix que s’acumula mercuri i es metila. A banda, el mercuri que arriba a les àrees costaneres pot ser incorporat a les xarxes tròfiques locals, arribant als humans i les aus marines que crien en aquestes àrees. Així doncs, monitoritzar les dinàmiques del mercuri en aquests ambients és necessari, des d’un punt de vista de seguretat alimentaria i de salut dels ecosistemes. En aquesta tesi, hem utilitzat una aproximació integrativa per estudiar la contaminació per mercuri en el Delta de l’Ebre i les àrees marines costaneres. Primerament, hem avaluat les dinàmiques d’aquest metall en els arrossars i estudiat com diferents pràctiques agrícoles modifiquen la dinàmica del mercuri en diferents components del sistema de l’arrossar, des del sòl fins a la biota. A més, un experiment de mesocosmos in-situ es va realitzar per avaluar el potencial de bioacumulació de mercuri en els arrossars. També hem examinat el potencial de la gavina corsa com a organisme model per traçar les tendències de contaminació al llarg de 15 anys i els efectes en la disponibilitat de mercuri de les operacions de neteja dels sòls dutes a terme a la zona de la fàbrica clor-àlcali. Per estudiar més a fons les fonts de mercuri i la seva variabilitat temporal, hem utilitzat els isòtops estables de mercuri per relacionar els nivells del metall en aus marines a les fonts de mercuri rellevants per a les seves zones d’alimentació (arrossars, ambients marins epipelàgics i mesopelàgics). Els resultats obtinguts indiquen que el llegat de contaminació per mercuri encara perdura en el Delta de l’Ebre i fa patent la necessitat de continuar estudiant els arrossars com a cubetes de mercuri i d’especiació i biodisponibilitat d’aquest, i els factors que influencien les dinàmiques de mercuri en aquests sistemes. Finalment, recomanem la posada en marxa d’un programa de monitorització continuada utilitzant organismes sensibles a les fluctuacions de mercuri i l’ús d’isòtops estables de mercuri, una eina prometedora per a aprofundir en el coneixement de la contaminació en ecosistemes complexos.