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Ecotoxicological impacts of olive mill wastewaters on freshwater fauna of River Tua (NE Portugal)
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Authors
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Abstract(s)
Portugal stands out as one of the main olive oil producing countries, with the Trás-os-Montes region being particularly relevant due to its intense olive growing activity. Olive oil extraction generates significant volumes of liquid effluent, known as Olive Oil Mill Wastewater (OMWW). The predominant extraction system is two-phase, considered more environmentally sustainable as it produces smaller volumes of wastewater. According to Portuguese legislation, OMWW can be stored in evaporation ponds. However, although this practice is economically advantageous, it does not ensure effective environmental protection, particularly in aquatic ecosystems due to water contamination. To date, there are few studies evaluating the effects of OMW on macroinvertebrate and fish communities, particularly related to bioindicator changes (e.g. diversity, abundance, biotic indexes), as well as sublethal effects in terms of physiological biomarkers in sensitive native fish species, such as Luciobarbus bocagei. Given the risk of surface runoff or infiltration of these wastewaters into the aquatic environment, either by accidental discharges or by leaching processes, it is imperative to investigate their environmental impacts. In this context, the main objective of the present study was to evaluate the bioecological and toxicological impacts of wastewater from olive oil mills of 2 olive pomace oil extraction companies, located near Mirandela, on the aquatic fauna of the Tua River (Northeast Portugal). For the bioecological evaluation, 8 sampling sites were selected, grouped according to the degree of disturbance: 1) LOW, sites located upstream (T1, T2); 2) HIGH, sites located immediately downstream of the effluent entry point from both settling ponds (T3 and T6); and 3) INTERMEDIATE, sites located further downstream (T4, T5, T7 and T8). The methodologies defined by the Portuguese
Environment Agency (APA), within the scope of the Water Framework Directive (WFD), were used to evaluate biological elements, such as macroinvertebrate and fish communities, as well as physical-chemical elements of the water, considering both the winter and summer sampling periods of 2024, As well as the subacute toxicity assay with Luciobarbus bocagei.
The results of the bioecological assessment showed a significant decrease in water quality (high conductivity, phenols, oxidability and low pH), especially in the sampling sites located under the direct influence of the discharges of both olive pomace oil extractors (i.e., T3 and T6). The impact is also well expressed in several bioindicator metrics (e.g., richness, abundance, diversity, biotic indices IPTIN, F-IBIP) reinforced by statistical analyses confirming the biodiversity loss and substantial changes in the invertebrate and fish communities, particularly in native fish species, such as L. bocagei, suggesting a high sensitivity of this endemic species to water contamination.
The results of the acute toxicity tests with Artemia franciscana revealed high toxicity of OMW, regardless of the season. Subsequently, additional acute toxicity tests were performed with Luciobarbus bocagei, using OMW samples collected in summer and winter. Exploratory tests with summer samples showed that concentrations between 0.5% and 5% induced significant toxic effects in exposed individuals. In a second test of a subacute nature, physiological responses were evaluated by quantifying plasma electrolytes (Na⁺, Ca²⁺ and K⁺) after 24 and 48 hours of exposure. Plasma electrolytes were selected as biomarkers due to their high sensitivity to disturbances in ionic homeostasis, often caused by environmental pollutants. This choice is justified by the central role of the gills in osmoregulation, since they are in direct contact with the aquatic environment and represent one of the first organs to react to chemical stress. Changes in plasma sodium, calcium and potassium concentrations may therefore indicate impairment of essential physiological functions and ion regulation capacity.
The results showed significant changes in potassium (K⁺) levels, while calcium (Ca²⁺) and sodium (Na⁺) levels did not show relevant variations. This lack of response may be due to technical limitations, such as the reduced blood volume available resulting from the small size of the specimens (13–14 cm) and the decline in phenolic compound concentrations observed throughout the test in the test tanks. It is important to emphasize that the absence of variation in some parameters does not imply the absence of stress, since L. bocagei can activate compensatory mechanisms of physiological adaptation to adverse environmental conditions.
Portugal destaca-se como um dos principais países produtores de azeite, sendo a região de Trás-os-Montes particularmente relevante devido à sua intensa atividade olivícola. A extração do azeite origina volumes significativos de efluente líquido, designado por Águas Residuais de Lagares de Azeite (ARL). O sistema de extração predominante é bifásico, considerado mais sustentável do ponto de vista ambiental por produzir menores volumes de águas residuais. De acordo com a legislação portuguesa, as ARL podem ser armazenadas em lagoas de evaporação. No entanto, embora esta prática seja economicamente vantajosa, não assegura uma proteção ambiental eficaz, nomeadamente nos ecossistemas aquáticos devido à contaminação da água. Até ao momento, são escassos os estudos que avaliem os efeitos das ARL nas comunidades de macroinvertebrados e peixes, nomeadamente no que se refere a alterações em bioindicadores (e.g., diversidade abundância, índices bióticos) bem como aos efeitos subletais ao nível de biomarcadores fisiológicos em espécies piscícolas nativas sensíveis, como o Luciobarbus bocagei. Dado o risco de escoamento superficial ou infiltração destas águas residuais no meio aquático, seja por descargas acidentais ou por processos de lixiviação, é imperativo investigar os seus impactos ambientais. Neste enquadramento, o principal objetivo do presente estudo foi avaliar os impactes bioecológicos e toxicológicos das águas residuais de lagares de azeite provenientes de 2 empresas de extração de óleo de bagaço de azeitona, situadas na proximidade de Mirandela, na fauna aquática do rio Tua (Nordeste de Portugal). Para a avaliação bioecológica foram selecionados 8 locais de amostragem agrupados de acordo com o grau de perturbação: 1) BAIXO, locais situados a montante (T1, T2); 2) ALTO, locais situados imediatamente a jusante do ponto de entrada do efluente proveniente de ambas as lagoas de decantação (T3 e T6); e 3) INTERMÉDIO, locais situados mais a jusante (T4, T5, T7 e T8). Recorreu-se as metodologias definidas pela Agência Portuguesa do Ambiente (APA), no âmbito da Diretiva Quadro da Água (DQA), para avaliação de elementos biológicos, caso das comunidades de macroinvertebrados e de peixes e ainda elementos físico-químicos da água, considerando ambos os períodos de amostragem do inverno e verão de 2024, assim como o ensaio de toxicidade subaguda com Luciobarbus bocagei, Os resultados da avaliação bioecológica mostraram um significativo decréscimo na qualidade da água (valores elevados de condutividade, fenóis, oxidabilidade e decréscimo do pH), em especial nos locais de amostragem situados sob influência direta das descargas de ambas as extratoras de óleo de bagaço de azeitona (i.e., T3 e T6). O impacte está também bem expresso nas diversas métricas bioecológicas calculadas (e.g., riqueza, abundância, diversidade, índices bióticos IPTIN, F-IBIP) e as análises estatísticas reforçaram a perda de biodiversidade e alterações substanciais nas comunidades de invertebrados e peixes, nomeadamente nas espécies piscícolas nativas, caso de L. bocagei, sugerindo uma elevada sensibilidade desta espécie endémica à contaminação. Os resultados dos ensaios de toxicidade aguda com Artemia franciscana revelaram elevada toxicidade das ARL, independentemente da estação do ano. Subsequentemente, foram realizados ensaios adicionais de toxicidade aguda com L. bocagei, utilizando amostras de ARL recolhidas no verão e no inverno. Os ensaios exploratórios com amostras estivais mostraram que concentrações entre 0,5% e 5% induziram efeitos tóxicos significativos nos indivíduos expostos. Num segundo ensaio, de natureza subaguda, foram avaliadas as respostas fisiológicas através da quantificação dos electrólitos plasmáticos (Na⁺, Ca²⁺ e K⁺) após 24 e 48 horas de exposição. Os electrólitos plasmáticos foram selecionados como biomarcadores devido à sua elevada sensibilidade a perturbações da homeostase iónica, frequentemente causadas por poluentes ambientais. Esta escolha justifica-se pelo papel central das brânquias na osmorregulação, uma vez que estão em contacto direto com o meio aquático e representam um dos primeiros órgãos a reagir ao stress químico. Alterações nas concentrações plasmáticas de sódio (Na⁺), cálcio (Ca²⁺) e potássio (K⁺) podem indicar comprometimento das funções fisiológicas essenciais e da capacidade de regulação iónica. Os resultados evidenciaram alterações significativas nos níveis de K⁺, enquanto os níveis de Ca²⁺ e. Na⁺ não apresentaram variações relevantes. Esta ausência de resposta pode dever-se a limitações técnicas, como o reduzido volume sanguíneo disponível resultante do pequeno porte dos espécimes (13–14 cm) e o declínio das concentrações de compostos fenólicos ao longo do ensaio observados nos tanques de ensaios. É crucial salientar que a ausência de variação em alguns parâmetros não implica inexistência de stress, uma vez que L. bocagei pode ativar mecanismos compensatórios de adaptação fisiológica a condições ambientais adversas.
Portugal destaca-se como um dos principais países produtores de azeite, sendo a região de Trás-os-Montes particularmente relevante devido à sua intensa atividade olivícola. A extração do azeite origina volumes significativos de efluente líquido, designado por Águas Residuais de Lagares de Azeite (ARL). O sistema de extração predominante é bifásico, considerado mais sustentável do ponto de vista ambiental por produzir menores volumes de águas residuais. De acordo com a legislação portuguesa, as ARL podem ser armazenadas em lagoas de evaporação. No entanto, embora esta prática seja economicamente vantajosa, não assegura uma proteção ambiental eficaz, nomeadamente nos ecossistemas aquáticos devido à contaminação da água. Até ao momento, são escassos os estudos que avaliem os efeitos das ARL nas comunidades de macroinvertebrados e peixes, nomeadamente no que se refere a alterações em bioindicadores (e.g., diversidade abundância, índices bióticos) bem como aos efeitos subletais ao nível de biomarcadores fisiológicos em espécies piscícolas nativas sensíveis, como o Luciobarbus bocagei. Dado o risco de escoamento superficial ou infiltração destas águas residuais no meio aquático, seja por descargas acidentais ou por processos de lixiviação, é imperativo investigar os seus impactos ambientais. Neste enquadramento, o principal objetivo do presente estudo foi avaliar os impactes bioecológicos e toxicológicos das águas residuais de lagares de azeite provenientes de 2 empresas de extração de óleo de bagaço de azeitona, situadas na proximidade de Mirandela, na fauna aquática do rio Tua (Nordeste de Portugal). Para a avaliação bioecológica foram selecionados 8 locais de amostragem agrupados de acordo com o grau de perturbação: 1) BAIXO, locais situados a montante (T1, T2); 2) ALTO, locais situados imediatamente a jusante do ponto de entrada do efluente proveniente de ambas as lagoas de decantação (T3 e T6); e 3) INTERMÉDIO, locais situados mais a jusante (T4, T5, T7 e T8). Recorreu-se as metodologias definidas pela Agência Portuguesa do Ambiente (APA), no âmbito da Diretiva Quadro da Água (DQA), para avaliação de elementos biológicos, caso das comunidades de macroinvertebrados e de peixes e ainda elementos físico-químicos da água, considerando ambos os períodos de amostragem do inverno e verão de 2024, assim como o ensaio de toxicidade subaguda com Luciobarbus bocagei, Os resultados da avaliação bioecológica mostraram um significativo decréscimo na qualidade da água (valores elevados de condutividade, fenóis, oxidabilidade e decréscimo do pH), em especial nos locais de amostragem situados sob influência direta das descargas de ambas as extratoras de óleo de bagaço de azeitona (i.e., T3 e T6). O impacte está também bem expresso nas diversas métricas bioecológicas calculadas (e.g., riqueza, abundância, diversidade, índices bióticos IPTIN, F-IBIP) e as análises estatísticas reforçaram a perda de biodiversidade e alterações substanciais nas comunidades de invertebrados e peixes, nomeadamente nas espécies piscícolas nativas, caso de L. bocagei, sugerindo uma elevada sensibilidade desta espécie endémica à contaminação. Os resultados dos ensaios de toxicidade aguda com Artemia franciscana revelaram elevada toxicidade das ARL, independentemente da estação do ano. Subsequentemente, foram realizados ensaios adicionais de toxicidade aguda com L. bocagei, utilizando amostras de ARL recolhidas no verão e no inverno. Os ensaios exploratórios com amostras estivais mostraram que concentrações entre 0,5% e 5% induziram efeitos tóxicos significativos nos indivíduos expostos. Num segundo ensaio, de natureza subaguda, foram avaliadas as respostas fisiológicas através da quantificação dos electrólitos plasmáticos (Na⁺, Ca²⁺ e K⁺) após 24 e 48 horas de exposição. Os electrólitos plasmáticos foram selecionados como biomarcadores devido à sua elevada sensibilidade a perturbações da homeostase iónica, frequentemente causadas por poluentes ambientais. Esta escolha justifica-se pelo papel central das brânquias na osmorregulação, uma vez que estão em contacto direto com o meio aquático e representam um dos primeiros órgãos a reagir ao stress químico. Alterações nas concentrações plasmáticas de sódio (Na⁺), cálcio (Ca²⁺) e potássio (K⁺) podem indicar comprometimento das funções fisiológicas essenciais e da capacidade de regulação iónica. Os resultados evidenciaram alterações significativas nos níveis de K⁺, enquanto os níveis de Ca²⁺ e. Na⁺ não apresentaram variações relevantes. Esta ausência de resposta pode dever-se a limitações técnicas, como o reduzido volume sanguíneo disponível resultante do pequeno porte dos espécimes (13–14 cm) e o declínio das concentrações de compostos fenólicos ao longo do ensaio observados nos tanques de ensaios. É crucial salientar que a ausência de variação em alguns parâmetros não implica inexistência de stress, uma vez que L. bocagei pode ativar mecanismos compensatórios de adaptação fisiológica a condições ambientais adversas.
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Olive mill wastewater Ecological-impacts Bioindicator Biomarkers Toxicity- tests Luciobarbus bocagei Artemia franciscana