Gruvdrift innebär att flytta mycket sten, så någon röra väntas. Dock, gruvdrift kan fortsätta att påverka ekosystemen långt efter att verksamheten har avslutats. Tungmetaller och frätande ämnen läcker ut i miljön, förhindra att vilda djur och växter återvänder till området.

Lyckligtvis, denna skada kan vändas. Ett team av forskare, inklusive UC Santa Barbara Dave Herbst, undersökt hur flodens ekosystem reagerar på saneringsinsatser. Teamet kombinerade årtionden av data från fyra vattendrag som förorenats av övergivna gruvor. Det krävdes kreativt tänkande för att förenkla den komplexa dynamiken för nästan ett dussin toxiner på de otaliga arterna i varje flod.

I sista hand, teamets smarta metodik visade att restaurering kan förbättra några av de största problemen med gruvförorening. Deras fynd, publicerad i tidningen Sötvattenvetenskap , avslöjade strategier som fungerade bra som återhämtningsmönster över de fyra vattenvägarna. Resultaten tyder också på att föreskrifter måste beakta alla föroreningar tillsammans, snarare än att fastställa standarder på individuell basis.

"Det är ett stort problem som vi har med gamla gruvplatser, inte bara i USA utan i hela världen, "sa Herbst, en forskningsbiolog vid universitetets Sierra Nevada Aquatic Research Laboratory (SNARL) i Mammoth Lakes. "De är utbredda, ihållande och långvariga problem. Men den goda nyheten är att med investeringar och ansträngningar för program som CERCLA Superfund, vi kan fixa de problemen. "

Herbsts arbete fokuserade på Leviathan Creek, en Sierran -ström 40 mil sydost om Lake Tahoe som är platsen för en restaureringsinsats under CERCLA (the Comprehensive Environmental Response, Ersättning, och ansvarslagen), även känd som Superfund. Området bryts inte för ädla metaller, men att utvinna svavel för att göra svavelsyra för att bearbeta mineraler från andra platser. Förekomsten av svavelhaltiga mineraler gjorda för vatten som naturligt var lite surt, men gruvdrift i dagbrott exponerade dessa mineraler för elementen. Resultatet var starkare syra som läckte ut spårmetaller som aluminium, kobolt och järn från berget in i miljön. De kombinerade effekterna av ökad surhet och giftiga metaller förstörde det lokala vattenlevande ekosystemet.

Sortera ut standarder

Varje gruvplats producerar en unik blandning av föroreningar. Vad mer, olika floder har olika arter av vattenlevande ryggradslösa djur, med hundratals olika typer i varje ström, Sa Herbst. Denna variation gjorde jämförelser en utmaning.

Så forskarna började arbeta med att fastställa standarder och riktmärken. De bestämde sig för att spåra effekterna av föroreningar och avhjälpningar på stormfloder, stenflugor och caddisflies. Dessa grupper är kritiska för vattenlevande livsmedelsbanor och uppvisar en mängd olika toleranser för olika toxiner. Istället för att jämföra närbesläktade arter, forskarna grupperade djur med delade egenskaper - som fysiska egenskaper och livshistorier.

Därefter fick laget förstå alla föroreningar. De insåg snabbt att det inte skulle räcka för att spåra enskilda metallers toxicitet separat, som ofta görs i labbet. Det är den kombinerade effekten som faktiskt påverkar ekosystemet. Vidare, forskare mäter ofta toxicitet baserat på en dödlig dos. Och ändå kan föroreningar förstöra ekologi vid mycket lägre koncentrationer, Herbst förklarade. Kroniska effekter, som minskad tillväxt och reproduktion, kan eliminera arter från ett område över tid utan att faktiskt döda några individer.

Med tanke på olika gifter, forskarna bestämde sig för en annan standard för toxicitet:kriterieenheten. De definierade 1 kriterieenhet (CU) som koncentrationen av ett toxin som gav negativa effekter på tillväxt och reproduktion av testorganismer. Även om olika svar gör CU en approximation, det visade sig vara en förvånansvärt robust mått.

Koncentrationen i 1 CU varierar från ämne till ämne. Till exempel, forskarna använde ett värde av 7,1 mikrogram kobolt per liter vatten som en giftig tröskel för vattenlevande organismer. Så, 7,1 μg/L är 1 CU kobolt. Under tiden, 150 μg/L arsenik hindrade ryggradslösa djur från att leva sitt bästa liv, så 150 μg/L sattes till 1 CU arsenik.

Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att jämföra och kombinera effekterna av helt olika toxiner, ger en validering av hur total toxicitet förväntas uppstå i naturen. Så, 7,1 μg/L kobolt i sig, eller 150 μg/L arsenik i sig, eller till och med en kombination av 3,55 μg/L kobolt plus 75 μg/L arsenik ger alla en kumulativ kriterieenhet (CCU) på 1, vilket stavar liknande problem för vattenlevande insekter hur som helst.

Denna kombinerade effekt visade sig vara avgörande för att förstå de verkliga konsekvenserna av gruvföroreningar eftersom djur utsätts för många toxiner samtidigt. "Du måste överväga dessa metaller tillsammans, inte individuellt, vid utvärdering av toxicitetströskeln i en fältinställning, "Sa Herbst.

Så trots olika metaller på olika platser, genom att uttrycka toxicitet i kumulativa kriterieenheter, forskarna kunde jämföra mellan floder. När total toxicitet toppar 1 CCU, ryggradslösa mångfald upptäcks.

Att döma deras ansträngningar

Teamet hade nu sina ämnen (vattenlevande ryggradslösa djur) och ett enkelt sätt att mäta föroreningar (enheten för kumulativa kriterier). De hade också över 20 års fältdata från fyra vattendrag där Superfund-saneringar har pågått. De använde oförorenade vattendrag nära varje flod som en grundlinje för att bedöma hur väl restaureringen fortskrider.

Författarna fann att dessa projekt kunde återställa floder till nära naturliga förhållanden på 10 till 15 år. Det var en underbar överraskning. "Oavsett att det fanns olika gruvföroreningar, olika sätt att åtgärda problemet och olika storlekar av ström, alla projekt fick framgångsrika resultat, "Sa Herbst.

Mycket av återhämtningen skedde under de första åren av behandlingen, han lade till. Eftersom förhållandena är som värst i början, även en liten insats kommer att göra stor skillnad.

"Den andra överraskande delen var graden av gemensamhet i svaren trots olika föroreningar och saneringsmetoder, "Sade Herbst. Återhämtningstakten, ordning i vilken art återvände (baserat på delade egenskaper), och till och med den långsiktiga tidsramen var liknande för alla fyra floderna. Dessa lovande resultat och delade vägar tyder på att även skrämmande miljöproblem kan lösas med rätt ansträngning och investeringar.

Lessons and loose ends

Remediation at the four sites in California, Colorado, Idaho and Montana is ongoing. Many interventions, like treating acidic water with lime, require continuous attention. Dock, efforts like replacing contaminated soil, setting up microbial bioreactors and revegetating excavated and riparian areas will hopefully make remediation self-sustaining.

And a self-sustaining solution is the goal, because these sites can become inaccessible at certain times of year, leading to variable levels of pollution. Till exempel, snow prevents access to the Leviathan mine in winter, so remediation can occur only between spring and fall. The spring snowmelt also dissolves more metals, creating worse conditions than during drier times at the beginning of autumn.

Herbst plans to revisit the seasonal aspects of remediation in future research. As for now, he thinks that other abandoned mines should implement remediation and monitoring practices to evaluate the success of restoration.

These exciting discoveries would have been impossible without long-term monitoring at the four locations. "You seldom get monitoring studies of restoration projects that last more than a couple of years, " Herbst said, "which is really a shame because most of them don't show any kind of response over that short a period of time."

And the only reason Herbst and his colleagues had these datasets was because they invested the time and resources themselves. "A lot of it is due to the dedication of individual researchers to these projects, " he said. "There are other players that come and go along the way, but as long as there's some dedicated researcher collecting this data then it will be there in the future for us to base decisions on."

Aside from the importance of long-term monitoring, the message Herbst hopes the EPA and industry embrace is that we can't apply water quality standards for toxic metals individually. "We must be applying them collectively according to how they're acting together, " han sa.

Even if individual contaminants are under the required limits, their combined effect could be well over what wildlife can handle. The concept of cumulative criteria units provides a really simple way to account for this:If eight toxins in a stream are all at half of their CU value, they still add up to 4 CCUs.

Bottom line:There is reason to celebrate. "We're able to demonstrate through this research that these programs can be successful even for the biggest of problems, " Herbst said, "which is exactly what Superfund projects are intended to fix."