Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Challenges in mercury speciation and fractionation in soil and sediment

This investigation focused on the development, test and validation of methodologies for mercury fractionation and speciation in soil and sediment. After an exhaustive review of the literature, several methods were chosen and tested in well characterised soil and sediment samples. Sequential extraction procedures that divide mercury fractions according to their mobility and potential availability in the environment were investigated. The efficiency of different solvents for fractionation of mercury was evaluated, as well as the adequacy of different analytical instruments for quantification of mercury in the extracts. Kinetic experiments to establish the equilibrium time for mercury release from soil or sediment were also performed. It was found that in the studied areas, only a very small percentage of mercury is present as mobile species and that mobility is associated to higher aluminium and manganese contents, and that high contents of organic matter and sulfur result in mercury tightly bound to the matrix. Sandy soils tend to release mercury faster that clayey soils, and therefore, texture of soil or sediment has a strong influence on the mobility of mercury. It was also understood that analytical techniques for quantification of mercury need to be further developed, with lower quantification limits, particularly for mercury quantification of less concentrated fractions: water-soluble e exchangeable. Although the results provided a better understanding of the distribution of mercury in the sample, the complexity of the procedure limits its applicability and robustness. A proficiency-testing scheme targeting total mercury determination in soil, sediment, fish and human hair was organised in order to evaluate the consistency of results obtained by different laboratories, applying their routine methods to the same test samples. Additionally, single extractions by 1 mol L-1 ammonium acetate solution, 0.1 mol L-1 HCl and 0.1 mol L-1 CaCl2, as well as extraction of the organometallic fraction were proposed for soil; the last was also suggested for sediment and fish. This study was important to update the knowledge on analytical techniques that are being used for mercury quantification, the associated problems and sources of error, and to improve and standardize mercury extraction techniques, as well as to implement effective strategies for quality control in mercury determination. A different, “non chemical-like” method for mercury species identification was developed, optimised and validated, based on the thermo-desorption of the different mercury species. Compared to conventional extraction procedures, this method has advantages: it requires little to no sample treatment; a complete identification of species present is obtained in less than two hours; mercury losses are almost neglectable; can be considered “clean”, as no residues are produced; the worldwide comparison of results obtained is easier and reliable, an important step towards the validation of the method. Therefore, the main deliverables of this PhD thesis are an improved knowledge on analytical procedures for identification and quantification of mercury species in soils and sediments, as well as a better understanding of the factors controlling the behaviour of mercury in these matrices.

Structural characterization and biological activity of polysaccharides from infusions used in the popular tradition

The use of plants with medicinal purposes is an ancient practice still very common in developing regions, and is rapidly spreading in industrialized countries. This fact is evidenced by the large number of ethnobotanical studies found in the literature referring that these plants are often used as decoctions and infusions. In most studies the reported biological activities are attributed to the presence of phenolic compounds, due to their antioxidant properties, and to polysaccharides, with its anti-tumoral properties. In “Trás-os-Montes” region, some of the most popular infusions used by the popular medicine are prepared with the dried leaves of Fraxinus angustifolia, the dried shoots of Mentha suaveolens, and the dried inflorescences of Pterospartum tridentatum. However, there are no studies about the polysaccharides present in these infusions. Thus, through the structural characterization of the polysaccharides present in the infusions of F. angustifolia, M. suaveolens, and P. tridentatum, the present PhD thesis intends to evaluate the possible relation between polysaccharides and the immunostimulatory activity that these infusions might present. In a preliminary phase, infusions of F. angustifolia were prepared according to the popular tradition, and it was observed that the obtained water soluble material contained approximately 85% of material non-retained in C18 cartridges, with hydrophilic characteristics, with the remaining 15% comprising retained-material with hydrophobic characteristics. It was also shown that the infusions only contained between 2 and 4% of high molecular weight material (HMWM), which comprised approximately 30% of carbohydrate material. Sugar and methylation analysis of the HMWM suggested the presence of pectic polysaccharides, together with type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. However, the amount of material obtained is to low for the fractionation, and structural analysis of the polysaccharides present. The 4 h decoction, divided in two periods of 2 h, with water renewal, allowed to increase the HMWM yield, relatively to the infusions traditional infusions. It was also observed that the decoction also allowed to increase the HMWM proportion of carbohydrate material, due to an increase in the proportion of uronic acid present, although the neutral sugar residues seemed to be detected in similar proportions. Therefore, in all the experiments subsequently performed, the HMWM used was obtained through the decoction of F. angustifolia dried leaves, M. suaveolens dried shoots, and P. tridentatum dried inflorescences. x After the fractionation, through ethanol precipitation, and anion exchange chromatography, of the polysaccharides from the HMWM obtained by the decoction of the vegetable material of the distinct studied plants, it was observed the presence of high proportions of pectic polysaccharides, containing type I arabinogalactans, together with minor proportions of type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. The presence of pectic polysaccharides in the extracts from F. angustifolia was also evidenced through endo-polygalacturonase treatment, and ESI-MS and ESI-MS/MS experiments. The detection of linked pentose and uronic acid residues, also seemed to suggest the presence of xylogalacturonan domains in the pectic polysaccharides from F. angustifolia. The extracts from F. angustifolia dried leaves also contained type II arabinogalactans that exhibited a higher structural diversity than those detected in the M. suaveolens, and P. tridentatum extracts, particularly in the substitution degree of the galactan backbone, and in the extension of the (1→5)-Araf side chains. Moreover, for all the plants studied, it was also observed that the type II arabinogalactans, extracted during the 2nd 2h of the extraction process, exhibited a substitution degree of the galactan backbone higher than those extracted during the 1st 2h. The extracts from P. tridentatum dried inflorescences contained higher proportions of mannans, and also of xyloglucans, both presenting a substitution degree higher than those, which were detected in lower proportion in the extracts of F. angustifolia and M. suaveolens. Through ESI-MS and ESI-MS/MS it was possible to evidence that the mannans present in the extracts of P. tridentatum presented acetyl groups on the O-2 of the mannosyl residues. It was also evidenced that the P. tridentatum mannans were more extensively acetylated than the mannans detected in the coffee infusion, LBG, and other non-conventional mannan sources. Moreover, it was detected the presence of oligosaccharides comprising hexose residues linked to non acetylated pentose residues, suggesting the possible presence of arabinose residues in the mannans from P. tridentatum extracts. The immunostimulatory activity of three fractions isolated from the extracts of F. angustifolia, M. suaveolens, and P. tridentatum, was tested and an increase in the NO production by macrophages, without compromising their cellular viability, was observed. The type I, and type II arabinogalactans detected in the extracts from F. angustifolia, and M. suaveolens seem to have contributed for the observed immunostimulatory activity. For the fraction from P. tridentatum, the mannans acetylation, and the presence of type I, and type II arabinogalactans seemed to contribute for the macrophage immunostimulatory activity observed. The possible presence of storage xyloglucans from the inflorescences seeds, also seems to have contributed for the immunostimulatory activity registered when the macrophages were stimulated with higher extract concentrations. The results obtained allow to conclude that the extracts of F. angustifolia dried leaves, M. suaveolens dried shoots, and P. tridentatum dried inflorescences contained high proportions of pectic polysaccharides, exhibiting type I arabinogalactans, together with other polysaccharides, such as type II arabinogalactans, mannans, and xyloglucans. This polysaccharide mixture seems to have contributed to the immunostimulatory activity of fractions isolated from the extracts of the studied plants. Therefore, as the same type of polysaccharides seem to be present in the decoctions and in the infusions, it seems possible that the polysaccharides might contribute for the therapeutic properties frequently associated by the popular tradition to the infusions of these plants.

Development of a sustainable method for the extraction of lycopene and β-carotene from food wastes

The main objective of the present work is the study of a profitable process not only in the extraction and selective separation of lycopene and β-carotene, two compounds present in tomato, but also in its potential application to food industry wastes. This is one of the industries that produce larger amounts of wastes, which are rich in high value biomolecules with great economic interest. However, the conventional methods used to extract this kind of compounds are expensive which limits their application at large scale. Lycopene and βcarotene are carotenoids with high commercial value, known for their antioxidant activity and benefits to human health. Their biggest source is tomato, one of the world’s most consumed fruits, reason for which large quantities of waste is produced. This work focuses on the study of diverse solvents with a high potential to extract carotenoids from tomato, as well as the search for more environmentally benign solvents than those currently used to extract lycopene and β-carotene from biomass. Additionally, special attention was paid to the creation of a continuous process that would allow the fractionation of the compounds for further purification. Thus, the present work started with the extraction of both carotenoids using a wide range of solvents, namely, organic solvents, conventional salts, ionic liquids, polymers and surfactants. In this stage, each solvent was evaluated in what regards their capacity of extraction as well as their penetration ability in biomass. The results collected showed that an adequate selection of the solvents may lead to the complete extraction of both carotenoids in one single step, particularly acetone and tetrahydrofuran were the most effective ones. However, the general low penetration capacity of salts, ionic liquids, polymers and surfactants makes these solvents ineffective in the solid-liquid extraction process. As the organic solvents showed the highest capacity to extract lycopene and βcarotene, in particular tetrahydrofuran and acetone, the latter solvent used in the development process of fractionation, using to this by strategic use of solvents. This step was only successfully developed through the manipulation of the solubility of each compound in ethanol and n-hexane. The results confirmed the possibility of fractionating the target compounds using the correct addition order of the solvents. Approximately, 39 % of the β-carotene was dissolved in ethanol and about 64 % of lycopene was dissolved in n-hexane, thus indicating their separation for two different solvents which shows the selective character of the developed process without any prior stage optimization. This study revealed that the use of organic solvents leads to selective extraction of lycopene and β-carotene, allowing diminishing the numerous stages involved in conventional methods. At the end, it was possible to idealize a sustainable and of high industrial relevance integrated process, nevertheless existing the need for additional optimization studies in the future.

Distribuição dos metais nas poeiras colhidas em Estarreja: estudo da mobilidade e impacto potencial dos metais no ambiente

As poeiras urbanas, vulgarmente designadas na literatura por street dusts ou road dusts, são misturas heterogêneas de partículas minerais do solo e partículas resultantes do tráfego, formando um material com características únicas e específicas de cada local. Estas partículas, geralmente enriquecidas com elementos potencialmente tóxicos, quando inaladas ou ingeridas poderão ser um risco para a saúde das populações. Neste trabalho foram recolhidas 21 amostras de poeiras urbanas na cidade de Estarreja assim como amostras representativas de partículas relacionados com o tráfego (poeiras resultante do desgaste dos travões e das marcações dos pavimentos e estradas) com o objetivo de investigar a contribuição relativa destas partículas no comportamento geoquímico dessas amostras e o risco associado para as populações locais. Para a concretização do objetivo proposto caracterizou-se química e mineralogicamente as amostras de poeiras urbanas e as partículas relacionadas com o tráfego e avaliou-se a disponibilidade e bioacessibilidade para três elementos considerados potencialmente tóxicos (Cu, Pb e Zn) usando uma combinação de ensaios: (a) digestão ácida; (b) extração sequencial para identificar o fracionamento do Cu, Pb e Zn nas diferentes fases-suporte dos metais, e (c) bioaccessibilidade oral in vitro. Os resultados da análise química mostram que as poeiras dos travões apresentam concentrações elevadas em Fe, Cu, Zn, Mn, Ba, Sb, Cr e Ni sendo de referir diferenças composicionais significativas entre as amostras estudadas. A amostra de tinta contém teores elevados de Ba, Ca, Ti e Pb e também pode conter outros elementos tais como Co, Cr, Cu, Mn. Mineralogicamente constata-se que as amostras de poeiras dos travões tem uma composição mineralógica semelhante mostrando que são constituídas por uma elevada percentagem de material de baixa cristalinidade, grafite e óxidos/hidróxidos de Fe amorfos. A amostra de tinta de marcação dos pavimentos das estradas é composta por material mais cristalino do que a poeira dos travões e é essencialmente constituída por carbonatos (maioritariamente dolomite) e também por barite (em menor quantidade). Os resultados obtidos nas amostras de poeiras urbanas indicam a existência de associações de elementos que definem claramente a componente geogénica e/ou antropogénica e apontam para diferenças entre essas associações nas duas frações estudadas (250 m e 63 m). A heterogeneidade das poeiras é revelada pela existência de partículas com origem geogénica (por exemplo quartzo e aluminossilicatos), de partículas com características marcadamente antropogénicas (partículas enriquecidas em Fe, Pb, Zn e Cu) ou ainda de partículas com origem mista (óxidos de Fe e Ti). Os resultados da extração química seletiva sequencial permitiu concluir que, nas amostras em estudo, as fases de troca e ácido-solúveis são as fases suporte mais importantes para o Cu, Pb e Zn Os resultados dos ensaios de bioacessibilidade mostraram também que uma percentagem significativa de Cu, Pb e Zn total está disponível para absorção gástrica. Este estudo destaca também a necessidade de se caracterizar em detalhe as propriedades intrínsecas das partículas antrópicas presentes nas poeiras urbanas, de forma a compreender as variações da fração bioacessível nos diferentes elementos estudados assim como nas diferentes frações.