Formation of soluble mercury oxide coatings: transformation of elemental mercury in soils

The impact of mercury (Hg) on human and ecological health has been known for decades. Although a treaty signed in 2013 by 147 nations regulates future large-scale mercury emissions, legacy Hg contamination exists worldwide and small scale releases will continue. The fate of elemental mercury, Hg(0), lost to the subsurface and its potential chemical transformation that can lead to changes in speciation and mobility are poorly understood. Here we show that Hg(0) beads interact with soil or manganese oxide solids and x-ray spectroscopic analysis indicates that the soluble mercury coatings are HgO. Dissolution studies show that after reacting with a composite soil, > 20 times more Hg is released into water from the coated beads than from a pure liquid mercury bead. An even larger, > 700 times, release occurs from coated Hg(0) beads that have been reacted with manganese oxide, suggesting that manganese oxides are involved in the transformation of the Hg(0) beads and creation of the soluble mercury coatings. Although the coatings may inhibit Hg(0) evaporation, the high solubility of the coatings can enhance Hg(II) migration away from the Hg(0)-spill site and result in potential changes in mercury speciation in the soil and increased mercury mobility.

Tailoring Plasmonic Metamaterials for Ultrasenstive Detection of Mercury Trace Contaminants via Molecular Logic Gates

Structural and functional information encoded in DNA combined with unique properties of nanomaterials could be of use for the construction of novel biocomputational circuits and intelligent biomedical nanodevices. However, at present their practical applications are still limited by either low reproducibility of fabrication, modest sensitivity, or complicated handling procedures. Here, we demonstrate the construction of label-free and switchable molecular logic gates (AND, INHIBIT, and OR) that use specific conformation modulation of a guanine- and thymine-rich DNA, while the optical readout is enabled by the tunable metamaterials which serve as a substrate for surface enhanced Raman spectroscopy (MetaSERS). Our MetaSERS-based DNA logic is simple to operate, highly reproducible, and can be stimulated by ultra-low concentration of the external inputs, enabling an extremely sensitive detection of mercury ions down to 2×10-4 ppb, which is four orders of magnitude lower than the exposure limit allowed by United States Environmental Protection Agency

Thin mercury film electrodes in dynamic speciation studies of metals

No presente trabalho, foi avaliado o desempenho e a aplicabilidade do eléctrodo de filme fino de mercúrio, em estudos de especiação dinâmica de metais vestigiais. Para tal, foram utilizadas duas técnicas electroanalíticas de redissolução: a clássica Voltametria de Redissolução Anódica (ASV) e a recentemente desenvolvida, Cronopotenciometria de Redissolução com varrimento do potencial de deposição (SSCP). As propriedades de troca-iónica e de transporte de massa de películas mistas preparadas a partir de dois polímeros com características distintas, o Nafion (NA) e o 4-Poliestireno sulfonato de sódio (PSS), foram avaliadas, antes da sua aplicação no âmbito da especiação de metais. Estas películas de NA-PSS demonstraram uma elevada sensibilidade, reprodutibilidade, estabilidade mecânica, bem como, propriedades de anti-bloqueio adequadas na modificação química do eléctrodo de filme fino de mercúrio (TMFE) e, na sua aplicação na determinação de catiões metálicos vestigiais em amostras complexas, por ASV. Para além disso, o desempenho de membranas do polielectrólito PSS em estudos de voltametria de troca-iónica (IEV) foi estudado. O objectivo desta investigação foi reunir as condições ideais na preparação de películas de PSS estáveis e com uma densidade de carga negativa elevada, de modo a aumentar a acumulação electrostática de catiões metálicos no filme polimérico e por conseguinte, conseguir incrementos no sinal voltamétrico. O desempenho e aplicabilidade do TMFE em estudos de especiação de metais vestigiais foram extendidos à SSCP como técnica analítica. Dada a elevada sensibilidade e resolução evidenciada pelo TMFE, este revelou ser uma alternativa adequada aos eléctrodos de mercúrio convencionais, podendo ser utilizado durante um dia de trabalho, sem degradação aparente do sinal analítico de SCP. As curvas de SSCP obtidas experimentalmente utilizando o TMFE estavam em concordância com aquelas previstas pela teoria. Para além disso, a constante de estabilidade (K) calculada a partir do desvio do potencial de meia-onda, para dois sistemas metal-complexo lábeis, aproxima-se não só do valor teórico, como também daquele obtido utilizando o eléctrodo de mercúrio de gota suspensa (HMDE). Adicionalmente, o critério experimental de labilidade inerente a esta técnica foi validado e o grau de labilidade para um dado sistema metal-complexo foi determinado, utilizando o filme fino de mercúrio depositado sob um eléctrodo rotativo (TMF-RDE). Este eléctrodo é muito útil na determinação de parâmetros cinéticos, como é o caso da constante de velocidade de associação (ka), uma vez que as condições hidrodinâmicas, durante a etapa de deposição, se encontram bem definidas.

Mercury Bioaccumulation in various trophic compartments : the Ria de Aveiro case studt

Doutoramento em Química

Mercury in feral fish: distribution, accumulation and toxicity

O principal objectivo desta dissertação foi estudar a acumulação de mercúrio em vários tecidos de peixes marinhos, a sua relação com factores biológicos e as respectivas respostas bioquímicas. O trabalho realizado permitiu obter novos conhecimentos sobre a acumulação de mercúrio em peixes, possibilitando avaliar a influência da biodisponibilidade do elemento e as suas possíveis implicações no ambiente. O trabalho foi desenvolvido na Ria de Aveiro (Portugal), uma zona costeira onde existe um gradiente ambiental de mercúrio, o que oferece a oportunidade de estudar a sua acumulação e os seus efeitos tóxicos em condições realísticas. As amostragens foram efectuadas em dois locais considerados críticos em termos de contaminação por mercúrio – Largo do Laranjo (L1 e L2) e num local afastado da principal fonte de poluição, usado como termo de comparação (Referência; R); L1 e L2 corresponderam a locais moderadamente e altamente contaminados, respectivamente. Foram escolhidos juvenis de duas espécies ecologicamente diferentes e representativas da comunidade piscícola local, a tainha garrento (Liza aurata) e o robalo (Dicentrarchus labrax). Em cada local foram recolhidas amostras de água e de sedimento para determinação de mercúrio. Foram quantificadas as concentrações de mercúrio total (T-Hg) e orgânico (O-Hg) em vários tecidos dos peixes, escolhidos tendo em conta a sua função relativamente à toxicocinética e toxicodinâmica de metais. As respostas antioxidantes (Catalase- CAT, glutationa peroxidase- GPx, glutationa reductase- GR, glutationa –S-transferase- GST e conteúdo em glutationa total- GSHt), o dano peroxidativo (LPO) e o conteúdo em metalotioninas (MTs) foram também avaliados. A acumulação de T-Hg foi semelhante para as duas espécies de peixes estudadas, embora D. labrax tenha apresentado concentrações tendencialmente maiores. Ambas as espécies demonstraram capacidade de reflectir o grau de contaminação ambiental existente, indicando claramente que a acumulação depende da concentração ambiental. A acumulação revelou-se específica de cada tecido. O padrão da acumulação em L. aurata foi rim > fígado > músculo > cérebro > guelras > sangue e em D. labrax foi fígado > rim > músculo > cérebro ≈ guelras > sangue. Relativamente à acumulação de OHg, verificou-se que D. labrax exibiu concentrações mais elevadas que L. aurata. Todos os tecidos foram capazes de reflectir diferenças entre R e L2. Os níveis de O-Hg no fígado, músculo e nos conteúdos intestinais foram diferentes entre espécies, sendo mais elevados para D. labrax. As guelras e o intestino foram os tecidos onde se obtiveram os valores mais baixos de O-Hg e observaram-se valores idênticos para as duas espécies. Com excepção das guelras, as concentrações de O-Hg variaram em função do valor observado nos conteúdos intestinais, indicando que a alimentação é a via dominante da acumulação. As concentrações de O-Hg nos conteúdos intestinais revelaram ser uma informação relevante para prever a acumulação de O-Hg nos tecidos, pois verificou-se uma razão praticamente constante entre o teor de mercúrio no fígado, no músculo e nos conteúdos intestinais. A percentagem de O-Hg no músculo e no fígado variou de acordo com o grau de contaminação ambiental e com o tipo de assimilação preferencial do elemento (alimentação vs. água), sugerindo que o fígado exerce um papel protector em relação à acumulação de mercúrio nos outros órgãos. Ambas as espécies de peixes demonstraram ser boas sentinelas da contaminação ambiental com mercúrio (T-Hg e O-Hg), sendo o cérebro e o músculo os tecidos que melhor reflectiram o grau de acumulação com o elemento. A análise conjunta dos dados de bioacumulação e de respostas ao stress oxidativo permitiram estabelecer uma relação entre as concentrações de mercúrio nas guelras, fígado, rim e cérebro e a sua toxicidade. As respostas do cérebro aos efeitos tóxicos do mercúrio revelaram ser específicas de cada espécie. Enquanto que para o cérebro de L. aurata se verificou um decréscimo de todos os parâmetros antioxidantes estudados nos locais contaminados, sem haver evidência de qualquer mecanismo compensatório, no D. labrax observaram-se respostas ambivalentes, que indicam por um lado a activação de mecanismos adaptativos e, por outro, o decréscimo das respostas antioxidantes, ou seja, sinais de toxicidade. Embora em ambas as espécies de peixe fosse evidente uma condição pró-oxidante, o cérebro parece possuir mecanismos compensatórios eficientes, uma vez que não se verificou peroxidação lipídica. As respostas antioxidantes do cérebro de D. labrax foram comparadas em diferentes períodos do ano - quente vs. frio. O período quente mostrou ser mais crítico, uma vez que no período frio não se verificaram diferenças nas respostas entre locais, ou seja, a capacidade antioxidante do cérebro parece ser influenciada pelos factores ambientais. As guelras revelaram susceptibilidade à contaminação por mercúrio, uma vez que se verificou uma tendência para o decréscimo da actividade de CAT em L2 e ausência de indução em L1. O fígado e o rim demonstraram mecanismos adaptativos face ao grau de contaminação moderada (L1), evidenciados pelo aumento de CAT. O rim também demonstrou adaptabilidade face ao grau elevado de contaminação (L2), uma vez que se verificou um aumento GST. Embora o grau de susceptibilidade tenha sido diferente entre os órgãos, não se verificou peroxidação lipídica em nenhum. A determinação do conteúdo em MTs em D. labrax e em L. aurata revelou que este parâmetro depende não só da espécie, mas também do tecido em causa. Assim, em D. labrax foi observado um decréscimo de MTs no cérebro, bem como a incapacidade de síntese de MTs no sangue, guelras, fígado, rim e músculo. Em L. aurata observou-se um aumento do conteúdo em MTs no fígado e no músculo. Estes resultados indicam que a aplicabilidade das MTs como biomarcador de exposição ao mercúrio parece ser incerta, revelando limitações na capacidade de reflectir os níveis de exposição ao metal e por consequência o grau de acumulação. Este trabalho comprova a necessidade de se integrarem estudos de bioacumulação com biomarcadores de efeitos, de modo a reduzir os riscos de interpretações erróneas, uma vez que as respostas nem sempre ocorrem para os níveis mais altos de contaminação ambiental com mercúrio.

Aplicação de cortiça em dois tipos de reatores para tratamento de água

A qualidade da água degradou-se de forma relevante nas últimas décadas e os processos de sorção têm vindo a ser investigados como métodos promissores para o tratamento de águas contaminadas. Neste trabalho avaliou-se a capacidade de dois tipos de cortiça para a remoção de diversos contaminantes, em reatores de vaso fechado e de leito fixo. Os ensaios realizados em reatores de vaso fechado permitiram (i) avaliar o efeito do pH e da granulometria na eficiência dos sorventes na remoção de mercúrio e (ii) avaliar a afinidade dos sorventes para outros contaminantes, nomeadamente arsénio, cádmio, níquel e chumbo. Estruturalmente as duas cortiças estudadas aparentam ser semelhantes, com uma pequena diferença de comportamento ácido-base e não apresentam diferenças estatisticamente significativas na remoção de mercúrio. Os resultados obtidos permitiram constatar que o processo de remoção é independente do pH, tendo-se obtido percentagens de remoção da ordem dos 80% e de concentrações de mercúrio na cortiça na ordem dos 117 μg/g. As cortiças estudadas revelaram-se menos eficazes no tratamento de água com os restantes contaminantes, atingindo percentagens de remoção máximas de 0% para As, 11% para Cd, 35% para Ni e 69% para Pb. Os ensaios em leito fixo, mesmo sem terem sido otimizados, revelam que é possível obter uma eficácia de remoção de mercúrio superior a 90% nas primeiras 40 horas de trabalho, sendo a concentração de mercúrio no leito de 680 μg/g. Relativamente aos mecanismos de sorção, os resultados experimentais indicam que estes são possivelmente de natureza química e que as interações eletrostáticas têm pouca importância.

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.

Microbial community composition and mercury cycling in sediments of tagus estuary

Tese de doutoramento, Farmácia (Toxicologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016

Beryllium-7 sorption to inorganic particles in Tahsis Inlet, Nootka Sound, B.C.

Senior thesis written for Oceanography 445

Adsorptive stripping voltammetric determination of venlafaxine in urine with a mercury film microelectrode

An adsorptive stripping voltammetric procedure for the determination of the antidepressant venlafaxine in urine using a mercury film microelectrode wasdeveloped. The method is based on controlled adsorptive accumulation of the drug at the potential of 1.00V (vs. Ag/AgCl) in the presence of 1.25 x10 -2 molL- 1 borate buffer (pH 8.7). Urine samples were analyzed directly after performing a ten-fold dilution with the supporting electrolyte but without other pretreatment. The limit of detection obtained for a 30 s collection time was 0.693x 10- 6 mol L -1. Recovery experimentsgave good results at the 10 -6 mol L- 1 level (bias less 5% were obtained).

Predictivity Strength of the Spatial Variability of Phenanthrene Sorption Across Two Sandy Loam Fields

Sorption is commonly agreed to be the major process underlying the transport and fate of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils. However, there is still a scarcity of studies focusing on spatial variability at the field scale in particular. In order to investigate the variation in the field of phenanthrene sorption, bulk topsoil samples were taken in a 15 × 15-m grid from the plough layer in two sandy loam fields with different texture and organic carbon (OC) contents (140 samples in total). Batch experiments were performed using the adsorption method. Values for the partition coefficient K d (L kg−1) and the organic carbon partition coefficient K OC (L kg−1) agreed with the most frequently used models for PAH partitioning, as OC revealed a higher affinity for sorption. More complex models using different OC compartments, such as non-complexed organic carbon (NCOC) and complexed organic carbon (COC) separately, performed better than single K OC models, particularly for a subset including samples with Dexter n < 10 and OC <0.04 kg kg−1. The selected threshold revealed that K OC-based models proved to be applicable for more organic fields, while two-component models proved to be more accurate for the prediction of K d and retardation factor (R) for less organic soils. Moreover, OC did not fully reflect the changes in phenanthrene retardation in the field with lower OC content (Faardrup). Bulk density and available water content influenced the phenanthrene transport mechanism phenomenon.

Analytical modelling of bacterial migration and accumulation with rate-limited sorption in discrete fractures

An analytical model for bacterial accumulation in a discrete fractllre has been developed. The transport and accumlllation processes incorporate into the model include advection, dispersion, rate-limited adsorption, rate-limited desorption, irreversible adsorption, attachment, detachment, growth and first order decay botl1 in sorbed and aqueous phases. An analytical solution in Laplace space is derived and nlln1erically inverted. The model is implemented in the code BIOFRAC vvhich is written in Fortran 99. The model is derived for two phases, Phase I, where adsorption-desorption are dominant, and Phase II, where attachment-detachment are dominant. Phase I ends yvhen enollgh bacteria to fully cover the substratllm have accllillulated. The model for Phase I vvas verified by comparing to the Ogata-Banks solution and the model for Phase II was verified by comparing to a nonHomogenous version of the Ogata-Banks solution. After verification, a sensitiv"ity analysis on the inpllt parameters was performed. The sensitivity analysis was condllcted by varying one inpllt parameter vvhile all others were fixed and observing the impact on the shape of the clirve describing bacterial concentration verSllS time. Increasing fracture apertllre allovvs more transport and thus more accllffilliation, "Vvhich diminishes the dllration of Phase I. The larger the bacteria size, the faster the sllbstratum will be covered. Increasing adsorption rate, was observed to increase the dllration of Phase I. Contrary to the aSSllmption ofllniform biofilm thickness, the accllffilliation starts frOll1 the inlet, and the bacterial concentration in aqlleous phase moving towards the olitiet declines, sloyving the accumulation at the outlet. Increasing the desorption rate, redllces the dliration of Phase I, speeding IIp the accllmlilation. It was also observed that Phase II is of longer duration than Phase I. Increasing the attachment rate lengthens the accliffililation period. High rates of detachment speeds up the transport. The grovvth and decay rates have no significant effect on transport, althollgh increases the concentrations in both aqueous and sorbed phases are observed. Irreversible adsorption can stop accllillulation completely if the vallIes are high.

Synthesis of nanoporous materials for preconcentration and determination of trace elements by ICP-AES ; Investigation and elimination of the memory effects of mercury, gold, silver and boron in ICP-AES

Nanoporous materials with large surface area and well-ordered pore structure have been synthesized. Thiol groups were grafted on the materials' surface to make heavy metal ion pre-concentration media. The adsorption properties ofthe materials were explored. Mercury, gold and silver can be strongly adsorbed by these materials, even in the presence of alkaline earth metal ion. Though the materials can adsorb other heavy metal ions such as lead and copper, they show differential adsorption ability when several ions are present in solution. The adsorption sequence is: mercury> == silver> copper » lead and cadmium. In the second part of this work, the memory effects of mercury, gold, silver and boron were investigated. The addition of 2% L-cysteine and 1% thiourea eliminates the problems of the three metal ions completely. The wash-out time for mercury dropped from more than 20 minutes to 18 seconds, and the wash-out time for gold decreased from more than 30 minutes to 49 seconds. The memory effect of boron can be reduced by the use of mannitol.

Investigations in flow injection analysis (FIA): conventional FIA determination of chloride in water; sequential injection (SI)-FIA determination of mercury in water

Flow injection analysis (FIA) was applied to the determination of both chloride ion and mercury in water. Conventional FIA was employed for the chloride study. Investigations of the Fe3 +/Hg(SCN)2/CI-,450 nm spectrophotometric system for chloride determination led to the discovery of an absorbance in the 250-260 nm region when Hg(SCN)2 and CI- are combined in solution, in the absence of iron(III). Employing an in-house FIA system, absorbance observed at 254 nm exhibited a linear relation from essentially 0 - 2000 Jlg ml- 1 injected chloride. This linear range spanning three orders of magnitude is superior to the Fe3+/Hg(SCN)2/CI- system currently employed by laboratories worldwide. The detection limit obtainable with the proposed method was determin~d to be 0.16 Jlg ml- 1 and the relative standard deviation was determined to be 3.5 % over the concentration range of 0-200 Jig ml- 1. Other halogen ions were found to interfere with chloride determination at 254 nm whereas cations did not interfere. This system was successfully applied to the determination of chloride ion in laboratory water. Sequential injection (SI)-FIA was employed for mercury determination in water with the PSA Galahad mercury amalgamation, and Merlin mercury fluorescence detection systems. Initial mercury in air determinations involved injections of mercury saturated air directly into the Galahad whereas mercury in water determinations involved solution delivery via peristaltic pump to a gas/liquid separator, after reduction by stannous chloride. A series of changes were made to the internal hardware and valving systems of the Galahad mercury preconcentrator. Sequential injection solution delivery replaced the continuous peristaltic pump system and computer control was implemented to control and integrate all aspects of solution delivery, sample preconcentration and signal processing. Detection limits currently obtainable with this system are 0.1 ng ml-1 HgO.