Riparian vegetation six years after the Fundão dam collapse: impact on the seed bank and the growth of herbaceous and arboreal species

Der Dammbruch des Eisenerz-Absetzbeckens von Fundão im Jahr 2015 in Mariana in Brasilien stellte eine der weltweit größten sozio-ökologischen Katastrophen dar, bei der Auenökosysteme unter einer massiven Schicht Technosol begraben wurden. Sechs Jahre nach dem Dammbruch blieb der langfristige Verlauf der ökologischen Regenerierung ungewiss, insbesondere durch die physikalische Habitatdegradation und die Kontamination mit potenziell toxischen Elementen (PTE). Diese Dissertation untersucht experimentell die langfristigen Auswirkungen der abgelagerten Bergbauabfälle auf die Keimung, das Pflanzenwachstum und das Phytosanierungspotenzial heimischer Arten im betroffenen Gebiet des oberen Doce-Flusses. ... mehrDie Forschung gliederte sich in drei Hauptfelder: das Anfangsstadium der Wiederbesiedlung (Samenbank und Keimung krautiger Pflanzen), die kurzfristigen Auswirkungen auf Pionierbäume sowie die langfristige PTE-Akkumulation in adulten Bäumen späterer Sukzessionsgesellshaften.
Die Ablagerung der Bergbauabfälle reduzierte die regionale krautige Artenvielfalt (Gamma-Diversität) um 35% im Vergleich zu unbeeinträchtigten Gebieten. Dieser Verlust an Biodiversität ist primär auf die HabitatHomogenisierung und die ungünstigen physikalisch-chemischen Eigenschaften (niedriger Gehalt an organischer Substanz und Nährstoffen) des betroffenen Substrats zurückzuführen und nicht auf eine unmittelbare PTE-Toxizität. Die Abundanz und lokale Diversität der keimenden Sämlinge (Alpha-Diversität) blieb jedoch hoch, was auf eine vitale Samenausbreitung und das Vorkommen persistenter Ruderalarten hinweist, die zur raschen Einleitung der Sukzession fähig sind. Einheimische krautige Arten wie Ludwigia octovalvis und Marsypianthes chamaedrys zeigten eine bemerkenswerte Toleranz und konnten sich weiterhin ausbreiten.
Der schnell wachsende Pionierbaum Cecropia hololeuca zeigte eine bemerkenswerte Resilienz und eine verbesserte Wuchsleistung auf dem kontaminierten Substrat. Auf Bergbauschlämmen gezogene Sämlinge wiesen ein signifikant gesteigertes Wachstum auf und verdoppelten nahezu ihre Höhe und Biomasse im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. C. hololeuca wurde als differentieller PTE-Akkumulator identifiziert und zeigte eine zweifache Phytosanierungsstrategie: Sie akkumuliert effektiv Eisen, Chrom, Kupfer, Mangan und Zink in ihren Wurzeln (Phytostabilisierung), während sie gleichzeitig einen sehr hohen Translokationsfaktor (TF=273) für Nickel (Ni) aufweist (Phytoextraktion). Diese effiziente Verlagerung führt zu ökologischen Bedenken aufgrund des möglichen Ni-Eintrags in die lokale Nahrungskette.
Die Analyse der Wachstumsringe überlebender adulter Auenbäume (der Arten Anadenanthera peregrina, Piptadenia gonoacantha und Nectandra oppositifolia) belegte den langfristigen Einfluss auf den Elementkreislauf. Das radiale Wachstum der betroffenen Bäume war nicht signifikant reduziert, was darauf hindeutet, dass die akute Kontamination keinen langfristigen physiologischen Stress verursacht. Darüber hinaus wurde der erwartete, plötzliche Anstieg erhöhter PTE-Konzentrationen unmittelbar nach der Katastrophe von 2015 nicht festgestellt, was wahrscheinlich auf den radialen Transport innerhalb der diffusporigen Holzstruktur zurückzuführen ist. Entscheidend ist, dass die adulten Individuen aller drei Baumarten als effektive Akkumulatoren (Biokonzentrationsfaktor > 1 für die meisten Elemente) eingestuft wurden, wobei die Konzentrationen im Holz bis zu 34-fach höher waren als der bioverfügbare Anteil im umgebenden Substrat (z. B. für Pb und Cr).
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass eine Reihe heimischer Pionier- und Gehölzarten die zur wirksamen ökologischen Sanierung notwendige Resilienz und Sequestrierungsmechanismen besitzt. Die identifizierten Arten sind vielversprechende Kandidaten für die ökologische Wiederherstellung, da ihr schnelles Wachstum den Gehalt an organischer Substanz im Boden verbessert und ihre Akkumulationskapazität PTEs in stabilen Holzgeweben einschließt, wodurch deren allgemeine Mobilität eingeschränkt wird. Darüber hinaus ist die Aufnahme der beiden Fabaceae-Arten (A. peregrina und P. gonoacantha) besonders vorteilhaft für die Wiederherstellung des Ökosystems, da sie die Bodenqualität durch Stickstofffixierung verbessern. Die effiziente Translokation von Ni über die Blätter von C. hololeuca und die Akkumulation nicht-essenzieller Metalle im Holz erfordern jedoch ein sorgfältiges Langzeitmonitoring, um die Risiken der Biomagnifikation innerhalb des Ökosystems zu mindern. Zukünftige Arbeiten sollten auch die PTE-Konzentrationen in den Wurzeln und Blättern der Hartholzarten untersuchen, da diese Gewebe einen signifikanten Pfad für die trophische Übertragung darstellen können.

The 2015 collapse of the Fundão iron ore tailings dam in Mariana, Brazil, constituted one of the world's largest socio-environmental disasters, burying riparian ecosystems under a massive layer of technosol. Six years post-disaster, the long-term trajectory of ecological recovery remained uncertain, particularly concerning the dual challenge of physical habitat degradation and potentially toxic elements (PTE) contamination. This thesis experimentally investigates the chronic impacts of the deposited tailings on plant recruitment, growth, and the phytoremediation potential of native species in the affected Upper Doce River Basin. ... mehrThe research was structured around three key environmental compartments: the initial stage of recolonization (seed bank and herbaceous plants recruitment), the short-term response of pioneer trees, and the long-term PTE accumulation in adult trees.
In the affected areas, there was a loss of biodiversity characterized by a 35% decline in regional herbaceous plant species richness (gamma diversity) compared to unaffected sites. This reduction in biodiversity is primarily attributed to habitat homogenization and poor physicochemical properties (low organic matter and nutrient content) of the affected substrate, rather than immediate toxicity from PTE. Importantly, the slurry did not prevent local plant regeneration; the abundance and local diversity of emergent seedlings (alpha diversity) remained high, indicating viable seed dispersal and persistent ruderal species capable of initiating early succession. Herbaceous native species like Ludwigia octovalvis and Marsypianthes chamaedrys demonstrated notable tolerance, successfully completing their life cycle despite growth limitations imposed by the degraded substrate.
The fast-growing pioneer tree, Cecropia hololeuca, exhibited remarkable resilience and improved performance on the contaminated substrate. Seedlings grown in tailings showed significantly enhanced growth, nearly doubling their height and biomass compared to controls. This success is facilitated by the species' pioneer traits and a strategic allocation of biomass to the root system, enabling it to better forage in the low-quality soil. C. hololeuca was identified as a differential accumulator of PTE, displaying a dual phytoremediation strategy. First, the phytostabilization, acting as an effective root accumulator for iron (Fe), chromium (Cr), copper (Cu), manganese (Mn), and zinc (Zn), efficiently restricting their movement to aerial parts. Second, the phytoextraction, exhibiting an extremely high Translocation Factor (TF=273) for Nickel (Ni), resulting in leaf concentrations five times higher than control plants. This efficient translocation raises critical ecological concerns regarding the potential for Ni transfer into the local food web.
The analysis of growth rings from surviving adult riparian tree species (Anadenanthera peregrina, Piptadenia gonoacantha, and Nectandra oppositifolia) demonstrated the long-term impact on element cycling. The radial growth of affected trees was not significantly reduced, suggesting that the acute contamination event did not cause long-term physiological stress. Furthermore, the expected acute signal of elevated PTE concentrations immediately following the 2015 disaster was not perceived, probably due to radial transport within the diffuse-porous wood structure. Crucially, all three adult tree species qualified as effective accumulators (Bioconcentration Factor > 1 for most elements), with concentrations in the wood achieving up to 34-fold higher levels than the bioavailable fraction in the surrounding substrate (e.g., for Pb and Cr). This sequestration capacity confirms their role in the long-term stabilization of contaminants.
The findings demonstrate that while the disaster resulted in regional biodiversity loss, a suite of native pioneer and woody species possesses the resilience and sequestration mechanisms necessary for effective ecological recovery. The identified species are strong candidates for restoration programs, as their rapid growth enhances soil organic matter content and their accumulator capacity locks PTEs within stable woody tissues, thus limiting their overall mobility. Furthermore, the inclusion of two Fabaceae species is especially beneficial for ecosystem recovery as they improve soil quality through nitrogen fixation. However, the risk of trophic transfer, particularly for Ni via C. hololeuca leaves and non-essential metals accumulated in tree wood, necessitates careful long-term monitoring to mitigate biomagnification risks within the ecosystem. The long-term success of recovery efforts must prioritize restoring microhabitat heterogeneity and leveraging these tolerant native species for both soil improvement and phytostabilization.