Immobilisation of heavy metal in cement-based solidification/stabilisation: a review

Heavy metal-bearing waste usually needs solidification/stabilization (s/s) prior to landfill to lower the leaching rate. Cement is the most adaptable binder currently available for the immobilisation of heavy metals. The selection of cements and operating parameters depends upon an understanding of chemistry of the system. This paper discusses interactions of heavy metals and cement phases in the solidification/stabilisation process. It provides a clarification of heavy metal effects on cement hydration. According to the decomposition rate of minerals, heavy metals accelerate the hydration of tricalcium silicate (C3S) and Portland cement, although they retard the precipitation of portlandite due to the reduction of pH resulted from hydrolyses of heavy metal ions. The chemical mechanism relevant to the accelerating effect of heavy metals is considered to be H+ attacks on cement phases and the precipitation of calcium heavy metal double hydroxides, which consumes calcium ions and then promotes the decomposition Of C3S. In this work, molecular models of calcium silicate hydrate gel are presented based on the examination of Si-29 solid-state magic angle spinning/nuclear magnetic resonance (MAS/NMR). This paper also reviews immobilisation mechanisms of heavy metals in hydrated cement matrices, focusing on the sorption, precipitation and chemical incorporation of cement hydration products. It is concluded that further research oil the phase development during cement hydration in the presence of heavy metals and thermodynamic modelling is needed to improve effectiveness of cement-based s/s and extend this waste management technique. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A guide to the assessment of heavy metal contamination in estuaries using biological indicators. Occasional Publication of the Marine Biological Association 4

The rationale behind the use of analyses of estuarine organisms to assess levels of heavy-metal contamination is described and compared with alternative methods such as the analysis of waters or sediments. Based on field observations in United Kingdom estuaries and on evidence from the literature, an assessment is made of the suitability of 17 species as the indicators of metals and metalloids including Ag, As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Se, Sn, Pb and Zn.

Sediment contaminant surveillance in Milford Haven Waterway

Sediment contaminants were monitored in Milford Haven Waterway (MHW) since 1978 (hydrocarbons) and 1982 (metals), with the aim of providing surveillance of environmental quality in one of the UK’s busiest oil and gas ports. This aim is particularly important during and after large-scale investment in liquefied natural gas (LNG) facilities. However, methods inevitably have changed over the years, compounding the difficulties of coordinating sampling and analytical programmes. After a review by the MHW Environmental Surveillance Group (MHWESG), sediment hydrocarbon chemistry was investigated in detail in 2010. Natural Resources Wales (NRW) contributed their MHW data for 2007 and 2012, collected to assess the condition of the Special Area of Conservation (SAC) designated under the European Union Habitats Directive. Datasets during 2007-2012 have thus been more comparable. The results showed conclusively that a MHW-wide peak in concentrations of sediment polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), metals and other contaminants occurred in late 2007. This was corroborated by independent annual monitoring at one centrally-located station with peaks in early 2008 and 2011. The spatial and temporal patterns of recovery from the 2007 peak, shown by MHW-wide surveys in 2010 and 2012, indicate several probable causes of contaminant trends, as follows: atmospheric deposition, catchment runoff, sediment resuspension from dredging, and construction of two LNG terminals and a power station. Adverse biological effects predictable in 2007 using international sediment quality guidelines, were independently tested by data from monitoring schemes of more than a decade duration in MHW (starfish, limpets), and in the wider SAC (grey seals). Although not proving cause and effect, many of these potential biological receptors showed a simultaneous negative response to the elevated 2007 contamination following intense dredging activity in 2006. Wetland bird counts were typically at a peak in the winter of 2005-2006 previous to peak dredging. In the following winter 2006-2007, shelduck in Pembroke River showed their lowest winter count, and spring 2007 was the largest ever drop in numbers of broods across MHW between successive breeding seasons. Wigeon counts in Pembroke River were again low in late 2012 after further dredging nearby. These results are strongly supported by PAH data reported previously from invertebrate bioaccumulation studies in MHW 2007-2010, themselves closely reflecting sediment

Xanthoria parietina as a biomonitor of airborne heavy metal pollution in forest sites in the North East of Morocco

Xanthoria parietina, common foliose lichen, growing in its natural habitat, was analysed for the concentration of five heavy metals (Fe, Cr, Zn, Pb and Cu) from different forest sites of North East of Morocco (Kenitra, Sidi Boughaba, Mkhinza, Ceinture Verte near Temara city, Skhirate, Bouznika and Mohammedia). The quantification was carried out by inductively coupled plasma - atomic emission spectrometry (ICP-AES). Results were highly significant p<0,001. The concentration of metals is correlated with the vehicular activity and urbanization. The total metal concentration is highest at the Kenitra area, followed by Ceinture Verte site near Temara city, which experience heavy traffic throughout the year. Scanning electron microscopy (SEM) of particulate matter on lichen of Xanthoria parietina was assessed as a complementary technique to wet chemical analysis for source apportionment of airborne contaminant. Analysis revealed high level of Cu, Cr, Zn and Pb in samples near roads.  

General insight into CO oxidation: A density functional theory study of the reaction mechanism on platinum oxides

CO oxidation on PtO2(110) has been studied using density functional theory calculations. Four possible reaction mechanisms were investigated and the most feasible one is the following: (i) the O at the bridge site of PtO2(110) reacts with CO on the coordinatively unsaturated site (CUS) with a negligible barrier; (ii) O-2 adsorbs on the bridge site and then interacts with CO on the CUS to form an OO-CO complex; (iii) the bond of O-OCO breaks to produce CO2 with a small barrier (0.01 eV). The CO oxidation mechanisms on metals and metal oxides are rationalized by a simple model: The O-surface bonding determines the reactivity on surfaces; it also determines whether the atomic or molecular mechanism is preferred. The reactivity on metal oxides is further found to be related to the 3rd ionization energy of the metal atom.

Correlated electron-ion dynamics in metallic systems

In this paper we briefly discuss the problem of simulating non-adiabatic processes in systems that are usefully modelled using molecular dynamics. In particular we address the problems associated with metals, and describe two methods that can be applied: the Ehrenfest approximation and correlated electron-ion dynamics (CEID). The Ehrenfest approximation is used to successfully describe the friction force experienced by an energetic particle passing through a crystal, but is unable to describe the heating of a wire by an electric current. CEID restores the proper heating.

Modelling non-adiabatic processes using correlated electron-ion dynamics

Here we survey the theory and applications of a family of methods (correlated electron-ion dynamics, or CEID) that can be applied to a diverse range of problems involving the non-adiabatic exchange of energy between electrons and nuclei. The simplest method, which is a paradigm for the others, is Ehrenfest Dynamics. This is applied to radiation damage in metals and the evolution of excited states in conjugated polymers. It is unable to reproduce the correct heating of nuclei by current carrying electrons, so we introduce a moment expansion that allows us to restore the spontaneous emission of phonons. Because of the widespread use of Non-Equilibrium Green's Functions for computing electric currents in nanoscale systems, we present a comparison of this formalism with that of CEID with open boundaries. When there is strong coupling between electrons and nuclei, the moment expansion does not converge. We thus conclude with a reworking of the CEID formalism that converges systematically and in a stable manner.

Abatement technologies for road surface run-off

Heavy metals, primarily zinc, copper, lead, and chromium, and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are the main hazardous constituents of road runoff. The main sources of these contaminants are vehicle emission, mostly through wear and leakage, although erosion of the road surface and de-icing salts are also recognised pollution sources. The bioavailability of these toxic compounds, and more importantly their potential biomagnification along food chains, could affect aquatic communities persistently exposed to road runoff. Several internationally approved abatement technologies are available for the management of road runoff on new motorway schemes. Recent studies conducted in Cork and Dublin, Ireland demonstrated the efficacy of infiltration trenches as abatement technologies in the removal of both heavy metals and PAHs prior to discharge; the technology was however inefficient in mitigating first flush events. Gully traps with sedimentation chambers, another technology investigated, demonstrated to have a substantially lower removal potential but appeared to be more effective in attenuating surges of contaminants attributed to first flush events. Consequently the employment of combined abatement techniques could efficiently minimise deviations from required effluent concentrations. The studies determined a relatively stationary accumulation of heavy metals and PAHs in sediments close to the point of discharge with a rapid decline in concentration in nearby downstream sediments (<50m). Further, Microtox® Solid Phase testing reported a negligible impact on assemblages exposed to contaminated sediments for all sites investigated. This paper describes pollutant loading from road runoff and mitigation measures from a freshwater deterioration in a water quality perspective. The results and analysis of field samples collected adjacent to a number of roads and motorways in Ireland is also presented. Finally sustainable drainage systems, abatement techniques and technologies available for onsite treatment of runoff are presented to improve and mitigate impacts of vehicular transport on the environment.

Phase transformations in maraging steels

Research on the kinetics of precipitate formation and austenite reversion in maraging steels has received great attention due to their importance to steel properties. Judging from the literature in recent years, research into maraging steels has been very active, mainly extending to new types of steels, for new applications beyond the traditional strength requirements. This chapter provides an in-depth overview of the literature in this area. In addition, the kinetics of precipitate formation are analysed using the Johnson–Mehl–Avrami (JMA) theory.

Phytochelatins are involved in differential arsenate tolerance in Holcus lanatus

Arsenate tolerance is conferred by suppression of the high-affinity phosphate/arsenate uptake system, which greatly reduces arsenate influx in a number of higher plant species. Despite this suppressed uptake, arsenate-tolerant plants can still accumulate high levels of As over their lifetime, suggesting that constitutive detoxification mechanisms may be required. Phytochelatins are thiol-rich peptides, whose production is induced by a range of metals and metalloids including arsenate. This study provides evidence for the role of phytochelatins in the detoxification of arsenate in arsenate-tolerant Holcus lanatus. Elevated levels of phytochelatin were measured in plants with a range of tolerance to arsenate at equivalent levels of arsenate stress, measured as inhibition of root growth. The results suggest that arsenate tolerance in H. lanatus requires both adaptive suppression of the high-affinity phosphate uptake system and constitutive phytochelatin production.

Challenging conventional risk assessment with respect to human exposure to multiple food contaminants in food: A case study using maize

Mycotoxins and heavy metals are ubiquitous in the environment and contaminate many foods. The widespread use of pesticides in crop production to control disease contributes further to the chemical contamination of foods. Thus multiple chemical contaminants threaten the safety of many food commodities; hence the present study used maize as a model crop to identify the severity in terms of human exposure when multiple contaminants are present. High Content Analysis (HCA) measuring multiple endpoints was used to determine cytotoxicity of complex mixtures of mycotoxins, heavy metals and pesticides. Endpoints included nuclear intensity (NI), nuclear area (NA), plasma membrane permeability (PMP), mitochondrial membrane potential (MMP) and mitochondrial mass (MM). At concentrations representing legal limits of each individual contaminant in maize (3. ng/ml ochratoxin A (OTA), 1. μg/ml fumonisin B1 (FB1), 2. ng/ml aflatoxin B1 (AFB1), 100. ng/ml cadmium (Cd), 150. ng/ml arsenic (As), 50. ng/ml chlorpyrifos (CP) and 5. μg/ml pirimiphos methyl (PM), the mixtures (tertiary mycotoxins plus Cd/As) and (tertiary mycotoxins plus Cd/As/CP/PM) were cytotoxic for NA and MM endpoints with a difference of up to 13.6% (. p≤. 0.0001) and 12% (. p≤. 0.0001) respectively from control values. The most cytotoxic mixture was (tertiary mycotoxins plus Cd/As/CP/PM) across all 4 endpoints (NA, NI, MM and MMP) with increases up to 61.3%, 23.0%, 61.4% and 36.3% (. p≤. 0.0001) respectively. Synergy was evident for two endpoints (NI and MM) at concentrations contaminating maize above legal limits, with differences between expected and measured values of (6.2-12.4% (. p≤. 0.05-. p≤. 0.001) and 4.5-12.3% (. p≤. 0.05-. p≤. 0.001) for NI and MM, respectively. The study introduces for the first time, a holistic approach to identify the impact in terms of toxicity to humans when multiple chemical contaminants are present in foodstuffs. Governmental regulatory bodies must begin to contemplate how to safeguard the population when such mixtures of contaminants are found in foods and this study starts to address this critical issue.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Efeitos da toxicidade por metais pesados em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii: diversidade e resposta de população isoladas de uma mina de chumbo

Nas últimas décadas verificou-se um aumento da contaminação dos solos com metais pesados resultante de processos antropogénicos. As descargas de efluentes industriais, a actividade mineira e a aplicação de lamas residuais e de fertilizantes são as principais fontes de metais pesados. Em certas regiões, a acumulação destes elementos nos solos tem atingido níveis preocupantes para o equilíbrio dos ecossistemas. Vários estudos têm demonstrado que os metais influenciam os microrganismos afectando adversamente o seu crescimento, morfologia e actividades bioquímicas resultando num decréscimo da biomassa e diversidade. Entre os microrganismos do solo, as bactérias pertencentes ao género Rhizobium têm um elevado interesse científico, económico e ecológico devido à sua capacidade para fixar azoto. Deste modo, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese incidiu sobre o efeito da toxicidade imposta pelos metais nas bactérias fixadoras de azoto, em particular em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii e teve como principais objectivos: determinar o efeito dos metais pesados na sobrevivência e na capacidade de fixar azoto dos isolados de rizóbio; avaliar a influência dos metais na diversidade das populações de rizóbio isoladas de solos contaminados; determinar os níveis de tolerância do rizóbio a diferentes metais e analisar a resposta ao stresse oxidativo imposto pelo cádmio. A Mina do Braçal foi o local de estudo escolhido uma vez que os seus solos estão muito contaminados com metais em resultado da extracção de minério durante mais de 100 anos. Foram escolhidos 3 solos com diferentes graus de contaminação, o solo BC com concentrações reduzidas de metais, escolhido por estar numa zona já fora da mina e designado por solo controlo e os solos BD e BA considerados medianamente e muito contaminados, respectivamente. O Pb e o Cd foram os metais predominantes nestes solos, assim como o metalóide As, cujas concentrações ultrapassaram largamente os limites previstos na lei. Sendo as enzimas do solo boas indicadoras da qualidade do mesmo, foi determinada a actividade de algumas como a desidrogenase (DHA) e a catalase (CAT). Ambas as enzimas correlacionaramse negativamente com as concentrações de metais nos solos. A dimensão das populações indígenas de rizóbio nos solos contaminados (BD e BA) foi bastante baixa, 9,1 bactérias g-1 de solo e 7,3 bactérias g-1 de solo, respectivamente, quando em comparação com a população do solo BC (4,24x104 bactérias g-1 de solo). Estes resultados parecem estar relacionados com o elevado conteúdo em metais e com o pH ácido dos solos. A capacidade simbiótica também foi afectada pela presença de metais, uma vez que os isolados originários do solo BD mostraram menor capacidade em fixar azoto do que os isolados do solo controlo. A diversidade das populações de rizóbio foi determinada com recurso à análise dos perfis de plasmídeos, perfis de REP e ERIC-PCR de DNA genómico e perfis de proteínas e lipopolissacarídeos. No conjunto dos 35 isolados analisados foram identificados 11 plasmídeos com pesos moleculares entre 669 kb e 56 kb. Embora a incidência de plasmídeos tenha sido superior nos isolados do solo BC verificou-se maior diversidade plasmídica na população isolada do solo BD. Resultados similares foram obtidos com os perfis de REP e ERIC-PCR e perfis de proteínas, que indicaram maior diversidade nas populações dos solos contaminados (BD e BA), contrariamente ao verificado por outros autores. O grau de tolerância aos metais pesados e ao arsénio dos vários isolados testados dependeu do metal e do local de origem. No geral, os isolados do solo BD mostraram maior tolerância aos metais do que os isolados do solo controlo, o que está de acordo com o esperado uma vez que geralmente as populações dos locais contaminados são mais tolerantes. Contudo, os isolados do local mais contaminado (BA) foram muito tolerantes apenas ao chumbo mostrando-se sensíveis aos restantes metais. A inoculação dos solos BC, BD e BA após irradiação com estirpes seleccionadas de rizóbio permitiu avaliar a sua sobrevivência ao longo de 12 meses em condições mais realistas. Verificou-se que após um decréscimo inicial, os isolados inoculados no solo BC conseguiram recuperar a dimensão das suas populações para números similares aos inicialmente introduzidos, contrariamente ao verificado no solo BD onde o número de rizóbios decresceu ao longo dos 12 meses. As condições adversas do solo BA apenas permitiram a sobrevivência de 4 isolados até aos 3 meses e apenas dois deles conseguiram sobreviver após 12 meses, designadamente C 3-1 e A 17-3. Estes isolados possuem um plasmídeo de 669 kb que poderá estar na base da sobrevivência destas estirpes. Por outro lado, o último isolado é originário do solo contaminado e por isso estará também mais adaptado a sobreviver às elevadas concentrações de Pb existentes no solo BA. Por fim, constatou-se que o cádmio, um dos metais presente em concentrações mais elevadas nos solos em estudo, é um indutor de stresse oxidativo nos isolados de rizóbio menos tolerantes o que foi confirmado pelo aumento de ROS e danos celulares ao nível dos lípidos.