Microbial biobanking – cyanobacteria-rich topsoil facilitates mine rehabilitation

Resumo

A restauração de solos após a mineração exige soluções-chave para questões complexas, pois a perturbação do solo superficial que abriga as comunidades microbianas pode alterar o funcionamento do ecossistema. Esta pesquisa foi realizada em colaboração com a Iluka Resources na mina de areia mineral de Jacinth–Ambrosia (J–A), localizada em uma formação arbustiva semiárida de quenopodiáceas no sul da Austrália. Em J–A, conjuntos de microrganismos e microflora ocupam pelo menos metade da superfície do solo e são coletivamente conhecidos como biocrostas. A pesquisa adotou uma abordagem polifásica de caracterização das comunidades microbianas do solo, com foco no “biobanco” de cianobactérias viáveis em pilhas de estocagem de solo superficial para facilitar a reabilitação. Verificou-se que as comunidades de cianobactérias compunham microbiomas diversos no solo superficial, sem diferença significativa na estrutura da comunidade entre os tipos de solo. Conforme a hipótese, as cianobactérias foram centrais para os microprocessos do solo, o que foi fortemente sustentado pela riqueza e diversidade de espécies. As cianobactérias foram um componente importante dos três estágios sucessionais, com 21 espécies identificadas em 10 locais. Cianobactérias fixadoras de nitrogênio conhecidas – Symploca, Scytonema, Porphyrosiphon, Brasilonema, Nostoc e Gloeocapsa – representaram mais de 50% da riqueza de espécies em cada local e 61% da riqueza total da comunidade. Neste estudo, o primeiro do gênero, descreveu-se a resposta das cianobactérias à estocagem do solo superficial em diferentes profundidades e idades. As cianobactérias são moderadamente resilientes à estocagem em profundidade e ao longo do tempo, com maior riqueza média de espécies nos 10 cm superiores das pilhas de todas as idades e maior viabilidade nas primeiras 6 semanas, indicando potencial de restabelecimento das biocrostas. Em geral, a resiliência das cianobactérias ao soterramento nas pilhas foi significativa no curto e no longo prazo; entretanto, em ambiente árido, a recolonização e a diversidade da comunidade podem ser limitadas pela seca. O restabelecimento das biocrostas durante a reabilitação de minas depende do papel das cianobactérias como meio de estabilização inicial do solo. Em J–A, as operações de mineração não ameaçam a sobrevivência de nenhum dos organismos estudados. O aumento da biomassa de cianobactérias tende a ser um bom indicador e uma métrica confiável do restabelecimento dos microprocessos do solo.

Abstract

Restoration of soils post-mining requires key solutions to complex issues through which the disturbance of topsoil incorporating soil microbial communities can result in a modification to ecosystem function. This research was in collaboration with Iluka Resources at the Jacinth–Ambrosia (J–A) mineral sand mine located in a semi-arid chenopod shrubland in southern Australia. At J–A, assemblages of microorganisms and microflora inhabit at least half of the soil surfaces and are collectively known as biocrusts. This research encompassed a polyphasic approach to soil microbial community profiling focused on “biobanking” viable cyanobacteria in topsoil stockpiles to facilitate rehabilitation. We found that cyanobacterial communities were compositionally diverse topsoil microbiomes. There was no significant difference in cyanobacterial community structure across soil types. As hypothesised, cyanobacteria were central to soil microprocesses, strongly supported by species richness and diversity. Cyanobacteria were a significant component of all three successional stages with 21 species identified from 10 sites. Known nitrogen-fixing cyanobacteria Symploca, Scytonema, Porphyrosiphon, Brasilonema, Nostoc, and Gloeocapsa comprised more than 50 % of the species richness at each site and 61 % of the total community richness. In the first study of its kind, we have described the response of cyanobacteria to topsoil stockpiling at various depths and ages. Cyanobacteria are moderately resilient to stockpiling at depth and over time, with average species richness greatest in the top 10 cm of the stockpiles of all ages and more viable within the first 6 weeks, indicating potential for biocrust re-establishment. In general, the resilience of cyanobacteria to burial in topsoil stockpiles in both the short and long term was significant; however, in an arid environment recolonisation and community diversity could be impeded by drought. Biocrust re-establishment during mine rehabilitation relies on the role of cyanobacteria as a means of early soil stabilisation. At J–A mine operations do not threaten the survival of any of the organisms we studied. Increased cyanobacterial biomass is likely to be a good indicator and reliable metric for the re-establishment of soil microprocesses.