Nanoparticles based Permeable Reactive Barriers as an Eco-efficient Technology for nitrate remediation in soil and groundwater

The need to increase agricultural yield led, among others, to an increase in the consumption of nitrogen based fertilizers. As a consequence, there are excessive concentrations of nitrates, the most abundant of the reactive nitrogen (Nr) species, in several areas of the world. The demographic changes and projected population growth for the next decades, and the economic shifts which are already shaping the near future are powerful drivers for a further intensification in the use of fertilizers, with a predicted increase of the nitrogen loads in soils. Nitrate easily diffuses in the subsurface environments, portraying high mobility in soils. Moreover, the presence of high nitrate loads in water has the potential to cause an array of health dysfunctions, such as methemoglobinemia and several cancers. Permeable Reactive Barriers (PRB) placed strategically relatively to the nitrate source constitute an effective technology to tackle nitrate pollution. Ergo, PRB avoid various adverse impacts resulting from the displacement of reactive nitrogen downstream along water bodies. A four stages literature review was carried out in 34 databases. Initially, a set of pertinent key words were identified to perform the initial databases searches. Then, the synonyms of those initial key words were used to carry out a second set of databases searches. The third stage comprised the identification of other additional relevant terms from the research papers identified in the previous two stages. Again, databases searches were performed with this third set of key words. The final step consisted of the identification of relevant papers from the bibliography of the relevant papers identified in the previous three stages of the literature review process. The set of papers identified as relevant for in-depth analysis were assessed considering a set of relevant characterization variables.

Permeable Reactive Barriers using nanoparticles to remediate nitrate pollution

Nitrat e (NO3 - ) i s per vasi ve i n t he bi ospher e[ 1, 2]. Cont emporar y agri cult ural pr acti ces are a mong t he maj or ant hr opogeni c sources of r eacti ve nitrogen speci es, wher e nitrat ei s t he most abundant of t hese [ 2]. Excessi ve a mount s of r eacti ve nitrogen i n soil s and gr oundwat er ar e creati ng si gnifi cant t hr eat s t o hu man healt h and saf et y [ 3] as well as a host of undesirabl e environment al i mpact s [ 2]; it i s curr ently consi der ed t he second most r el evant environment al i ssue, aft er car bon di oxide e mi ssi ons. Nowadays, a mong t he most r el evant and pr omi si ng appr oaches t o r educe nitrat e concentrati on i n wat er, na mel y gr oundwat er, ar e denitrifi cati on- based pr ocesses [ 4]. Per meabl e r eacti ve barri ers ( PRB) have been pr oven eff ecti ve i n r educi ng vari ous cont ami nant s i n copi ous a mount s, parti cul arl y i n shall ow gr oundwat er [ 5]. However t he possi bl e added eff ecti veness of usi ng nanoparti cl es i n t hese structur es t o obt ai n nitrogen gas from nitrat es requires f urt her i nvesti gati on.

Efeito das condições ambientais na produtividade lipídica da Dunaliella tertiolecta

Este trabalho teve como objectivo a optimização das condições de crescimento de biomassa algal tendo em vista a sua utilização como fonte de lípidos para biocombustíveis. Assim, procedeu-se à inoculação de duas estirpes, a Dunaliella tertiolecta (água salgada) e a Tetraselmis subcordiformis (água salobra), seleccionando-se a Dunaliella tertiolecta uma vez que esta apresentou um crescimento mais rápido. Escolhida a estirpe a usar, avaliou-se a influência da composição do meio de cultura da espécie, variando-se a concentração de macronutrientes (Magnésio, Potássio, Azoto, Fósforo) e de micronutrientes (Manganês, Zinco, Ferro, Cobalto) presentes no meio em 10 e 20 vezes, comparativamente à do meio de cultura padrão, o meio Artificial Seawater Medium with Vitamins. Avaliou-se o crescimento algal, a uma temperatura de 25 ºC ± 2 ºC, com uma intensidade de iluminação de 5000 lux (lâmpadas luz dia) e fotoperíodos 12:12 h, controlando possíveis contaminações nas culturas em estudo. Para os ensaios realizados com a Dunaliella tertiolecta, os melhores resultados para a produtividade média e máxima de biomassa, 63,06 mgbiomassa seca/L.dia e 141,79 mgbiomassa seca/L.dia, respectivamente, foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato). Os resultados mais satisfatórios para o teor lípidico e para a produtividade lipídica máxima, 33,45% e 47,43 mgóleo/L.dia respectivamente, também foram obtidos no ensaio em que se fez variar 10 vezes a concentração de azoto (sob a forma de nitrato), (com extracção dos lípidos usando o método de Bligh e Dyer). Foram testados dois solventes para a extracção de lipídos, o clorofórmio e o hexano, tendose obtido resultados superiores com o clorofórmio, comparativamente aos obtidos quando se usou hexano, com excepção do ensaio em que se aumentou 20 vezes a concentração de fósforo no meio de cultura das microalgas. Verificou-se que, em todos os ensaios foi atingido o estado estacionário sensivelmente na mesma altura, isto é, decorridos cerca de 25 dias após o início do estudo, excepto os ensaios em que se fez variar a concentração de cobalto, para os quais as culturas não se adaptaram às alterações do meio, acabando por morrer passados 15 dias. A adição dos macronutrientes e micronutrientes usados nos ensaios, nas quantidades testadas, não influenciou significativamente a produtividade lipídica, com excepção do azoto e ferro. Conclui-se que o aumento da concentração de azoto para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para mais do dobro (3,6 vezes – Padrão: 13,25 mgóleo/L.dia; 10x N: 47,43 mgóleo/L.dia) e que o aumento da concentração de ferro para 10x o valor padrão potencia o aumento da produtividade lipídica máxima para aproximadamente o dobro (1,9 vezes - Padrão: 14,61 mgóleo/L.dia; 10x Fe: 28,04 mgóleo/L.dia). Nos ensaios realizados com adição de azoto ou ferro, os resultados obtidos para a concentração, teor lípidico e produtividade lipídica máxima, foram sempre superiores aos do padrão correspondente, pelo que se pode concluir que estes ensaios se apresentam como os mais promissores deste estudo, embora o ensaio mais satisfatório tenha sido aquele em que se promoveu a alteração da concentração de azoto para 10 vezes o valor padrão.

Contribution of different vegetable types to exogenous nitrate and nitrite exposure

This study reports the levels of nitrate and nitrite of 34 vegetable samples, including different varieties of cabbage, lettuce, spinaches, parsley and turnips, collected in several locations of an intensive agricultural area (Modivas, Vila do Conde, northern Portugal). Nitrate levels ranged between 54 and 2440 mg NO-3 kg-1, while nitrite levels ranged between 1.1 and 57 mg NO-2 kg-1. The maximum residue levels established for nitrate in spinach and lettuce samples were not exceeded. Nitrate and nitrite levels reported in the literature for the same type of samples are reviewed, as well as the contribution of vegetables to nitrate and nitrite dietary exposure of populations.

Estudo da influência de parâmetros ambientais (Fe e N) na produtividade lipídica da microalga Chlamydomonas sp.

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Nanosized iron based permeable reactive barriers for nitrate removal - Systematic review

It is unquestionable that an effective decision concerning the usage of a certain environmental clean-up technology should be conveniently supported. Significant amount of scientific work focussing on the reduction of nitrate concentration in drinking water by both metallic iron and nanomaterials and their usage in permeable reactive barriers has been worldwide published over the last two decades. This work aims to present in a systematic review of the most relevant research done on the removal of nitrate from groundwater using nanosized iron based permeable reactive barriers. The research was based on scientific papers published between 2004 and June 2014. It was performed using 16 combinations of keywords in 34 databases, according to PRISMA statement guidelines. Independent reviewers validated the selection criteria. From the 4161 records filtered, 45 met the selection criteria and were selected to be included in this review. This study's outcomes show that the permeable reactive barriers are, indeed, a suitable technology for denitrification and with good performance record but the long-term impact of the use of nanosized zero valent iron in this remediation process, in both on the environment and on the human health, is far to be conveniently known. As a consequence, further work is required on this matter, so that nanosized iron based permeable reactive barriers for the removal of nitrate from drinking water can be genuinely considered an eco-efficient technology.