The use of multivariate analysis to link sediment contamination and toxicity data to establish sediment quality guidelines an example in the Gulf of Cadiz (Spain)

Abstract

[EN] To evaluate marine sediment quality in the Gulf of Cádiz, chemical concentration and toxicity test endpoints from sediments were linked using multivariate analysis. Sediment samples were collected synoptically at seven stations in two littoral ecosystems of the Gulf of Cádiz (five in the Bay of Cádiz and two in the salt marsh of the Barbate River), and subjected to six separate, replicated sediment toxicity tests and comprehensive sediment chemistry analyses. The toxic effects of sediments were tested using three operational sediment phases: whole sediment, using the estuarine amphipod Microdeutopus gvllotalpa (10 d static: survival) and the estuarine clam Ruditapes philippinarum (48 h static: reburial); sediment elutriates, using larvae of the estuarine bivalve Crassostrea ungulatu (48 h static: survival) and of the marine fish Sparus aurata (48 h static: survival); and interstitial water, using populations of the estuarine rotifer Brachionus plicatilis (7 d static: population decline) and of the marine bacteria Photobacterium phosphoreum (Microtox@). To evaluate the levels of contamination, the concentrations in the sediments of organic carbon, 14 trace metals (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Hg, As, Sn, V, Ni, Co and Cr) and the surfactant linear alkylbenzenesulphonate (LAS) were measured. The results of the toxicity tests were compared in a dose-response relationship between sites, demonstrating a general agreement between the toxicity values determined by all the tests, except in the case of interstitial water toxicity (principally due to toxic mixtures of trace metals). Data derived from sediment chemistry and bioassays were assembled by multivariate statistical techniques (PCA and factor analysis), showing that the two data types could be represented by only five factors corresponding to five overlapping chemical-biological effect relations. Positive prevalence of these factors in the cases studied was used to establish those ranges in chemical concentrations associated with adverse effects. The sediment quality guidelines, in terms of concentrations at or below which biological effects have been shown to be minimal (mg kg-1 dry sediment), are: Hg, 0.25; Ag, 0.78; Pb, 66.80; Cr, 101.2; LAS, 2.6.

[ES] Para evaluar la calidad de los sedimentos marinos en el Golfo de Cádiz, los datos provenientes de concentraciones químicas y respuestas de toxicidad en sedimentos fueron unidos usando el análisis multivariante. Las muestras de sedimentos fueron recogidas sinópticamente en siete estaciones de dos ecosistemas litorales en el Golfo de Cádiz (cinco en la Bahía de Cádiz y dos en las marismas del río Barbate) y fueron sujetas a seis tests de toxicidad de forma independiente y replicada, así como a análisis químicos. Los efectos tóxicos en los sedimentos se chequearon utilizando tres fases operativas del sedimento: sedimento bruto, utilizando el anfípodo Microdeutopus gryllotalpa (10 d estático: supervivencia) y la almeja de estuario Ruditapes philippinarum (48 h estático: enterramiento); extracto de sedimento, utilizando larvas del bivalvo de estuario Crassostrea angulata (48 h estático: supervivencia) y del pez marino Sparus aurata (48 h estático: supervivencia); y agua intersticial, utilizando poblaciones del rotífero de estuario Brachionus plicatilis (7 d estático: decaimiento de la población) y de la bacteria marina Photobacterium phosphoreum (Microtox@). Para evaluar los niveles de contaminación, se determinaron las concentraciones en los sedimentos de carbono orgánico, 14 metales traza (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Hg, As, Sn, V, Ni, Co y Cr) y el detergente alquilbencenosulfonato lineal (LAS). Los resultados de los ensayos de toxicidad se compararon mediante relaciones de respuesta entre las diferentes estaciones, demostrando una concordancia general entre los valores de toxicidad determinados en todos los tests, excepto en el caso de la toxicidad en el agua intersticial (principalmente debido a mezclas de metales traza tóxicas). Los datos obtenidos en los ensayos químicos y de toxicidad se ensamblaron utilizando técnicas estadísticas multivariantes (análisis de factores), mostrando que los dos tipos de datos podrían ser representados por sólo cinco factores correspondientes a cinco relaciones que ensamblan relaciones entre los contaminantes y el efecto biológico. La contribución de estos factores en los casos estudiados fue utilizado para establecer aquellos intervalos en las concentraciones de contaminantes asociados con efectos adversos. Las guías de calidad de sedimentos, en términos de aquellas concentraciones a las cuales o por debajo de las cuales el efecto biológico se ha mostrado como mínimo, son (mg kg-1 de peso seco de sedimento): Hg, 0.25: Ag, 0.78; Pb, 66.80; Cr, 101.2; LAS, 2.6.