Assessment of rehabilitation process in post-dam-collapse and post-mining sites: the role of technogenic soils and pedogenetic evidence

Abstract

In an era marked by global environmental disturbance and profound socio-ecological transformation, the United Nations' 17 Sustainable Development Goals (SDGs) present an unprecedented vision for a just and sustainable future. However, amidst overlapping crises—climate change, resource scarcity, and biodiversity loss—questions of priority, trade-offs, and feasibility remain unresolved, particularly within the contested framework of the Anthropocene. This doctoral thesis explores one such paradox: the urgent need to restore ecosystems degraded by mining and industrialization, even as these activities remain essential to the energy transition itself. Focusing on Technosols—engineered or derived from anthropogenic materials—this research examines their ecological functionality and potential as tools for sustainability in post-dam-collapse and post-mining contexts. Drawing on fieldwork across Brazil and Poland, the thesis comprises three integrative studies that assess Technosols from physical, chemical, biological, and micromorphological perspectives. The first study, based in Brumadinho (Brazil), evaluates a constructed Technosol at the “Marco Zero” area, where lateritic waste and topsoil were combined to jumpstart ecological restoration following the 2019 B1 dam collapse. Over a 2.5- year period, modest but significant gains in microbial activity and nutrient cycling suggest that Technosols can facilitate ecological recovery when coupled with sustained management and monitoring. The second study investigates Technosol performance in the hydrologically dynamic Pantanal biome. Using a customized Rehabilitation Quality Index (RQI), seasonal analyses showed improved ecosystem similarity to reference areas during the rainy season and significant vulnerabilities during the dry period, highlighting the importance of climate-responsive post-mining restoration design in the highlands of the Pantanal tropical wetland systems. The third study shifts to a temperate European context, where Spolic Technosols derived from sulfide-rich mining waste in southern Poland were analyzed micromorphologically. Despite their recent formation (dating back up to 200 years), these technogenic soils exhibit pedogenic features such as clay illuviation and iron oxide coatings, providing evidence of slow but ongoing soil-forming processes and hinting at the long-term viability of Technosols, even in acidic, metal-rich substrates. Together, these three studies contribute to a nuanced understanding of Technosols not as inert substrates but as dynamic systems capable of evolving ecological functionality. By bridging macro- and microscale indicators, this doctoral thesis advances theoretical frameworks in soil science and restoration ecology while offering actionable insights for post-industrial land management. It argues for restoration approaches that are locally grounded, climate-adapted, and socially informed—essential considerations in a world where the boundaries between natural and anthropogenic systems are increasingly blurred. In summary, this doctoral research explains how engineered and derived soils from anthropogenic materials, when carefully designed and monitored, can transform degraded environments into thriving, functional ecosystems. In doing so, it reframes waste not as an endpoint, but as a beginning—an opportunity for ecosystem rehabilitation and resilience in the Anthropocene. Keywords: Technosols; Ecological restoration; Anthropocene.Em uma era marcada por perturbações ambientais globais e transformações socioecológicas profundas, os 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) das Nações Unidas propõem uma visão sem precedentes de um futuro justo e sustentável. No entanto, em meio a crises sobrepostas—mudanças climáticas, escassez de recursos e perda de biodiversidade—questões fundamentais sobre prioridades, compromissos e viabilidade permanecem sem resposta, especialmente dentro do controverso marco do Antropoceno. Esta tese de doutorado investiga um dos principais paradoxos desse cenário: a necessidade urgente de restaurar ecossistemas degradados pela mineração e industrialização, mesmo quando essas atividades seguem sendo centrais para a transição energética. Com foco nos Tecnossolos—solos construídos ou originados a partir de materiais antrópicos—esta pesquisa avalia sua funcionalidade ecológica e potencial como ferramentas para a sustentabilidade em contextos de pós-desastre e pós-mineração. A partir de trabalho de campo realizado no Brasil e na Polônia, a tese é composta por três estudos integrados que analisam os Tecnossolos sob perspectivas físicas, químicas, biológicas e micromorfológicas. O primeiro estudo, realizado em Brumadinho (MG), avalia um Tecnossolo construído no “Marco Zero”, onde resíduos lateríticos foram combinados com solo estocado para iniciar a restauração ecológica após o rompimento da barragem B1 em 2019. Ao longo de 2,5 anos de monitoramento, foram observados avanços modestos, porém significativos, na atividade microbiana e nos ciclos de nutrientes, sugerindo que Tecnossolos podem catalisar processos de restauração, desde que acompanhados por manejo contínuo e monitoramento de longo prazo. O segundo estudo examina o desempenho de Tecnossolos no bioma Pantanal, uma das maiores áreas úmidas do planeta. Utilizando um Índice de Qualidade da Reabilitação (IQR) adaptado à variabilidade sazonal, a análise revelou maior similaridade ecológica durante o período chuvoso e vulnerabilidades associadas à retenção hídrica e resiliência vegetal na estação seca. Esses resultados destacam a necessidade de estratégias de restauração sensíveis ao clima e às heterogeneidades ecológicas de ambientes tropicais. O terceiro estudo oferece uma perspectiva complementar ao analisar Tecnossolos spólicos desenvolvidos a partir de resíduos sulfetados no sul da Polônia. Apesar de sua origem recente (200 anos), análises micromorfológicas revelaram processos pedogenéticos em curso, como iluviação de argila, bioturbação e precipitação de óxidos de ferro, indicando que esses solos artificiais podem evoluir funcionalmente mesmo em climas temperados e substratos ácidos. Conjuntamente, os três estudos oferecem uma visão integrada e multiescalar dos Tecnossolos em paisagens degradadas. Ao conectar dados de campo com observações microscópicas e integrar indicadores ecológicos, químicos e morfológicos, esta tese avança tanto o conhecimento teórico quanto as práticas aplicadas em restauração ecológica. Destaca-se a importância de adaptar as técnicas de restauração aos contextos ambientais e socioculturais específicos, contribuindo também para o debate mais amplo sobre sustentabilidade no Antropoceno. Em síntese, esta pesquisa demonstra que Tecnossolos, quando adequadamente projetados e monitorados, podem transformar passivos ambientais em sistemas vivos e funcionais. Ao reconceituar resíduos como recursos, oferece caminhos concretos para regenerar paisagens degradadas e promover resiliência socioecológica em um mundo em mudança. Palavras-chave: Tecnossolos; Restauração Ecológica; Antropoceno.