Organic Contaminant Analytical Methods of the National Status and Trends Program: 2000-2006

This document describes the analytical methods used to quantify core organic chemicals in tissue and sediment collected as part of NOAA’s National Status and Trends Program (NS&T) for the years 2000-2006. Organic contaminat analytical methods used during the early years of the program are described in NOAA Technical Memoranda NOS ORCA 71 and 130 (Lauenstein and Cantillo, 1993; Lauenstein and Cantillo, 1998) for the years 1984-1992 and 1993-1996, respectively. These reports are available from our website (http://www.ccma.nos.gov) The methods detailed in this document were utilized by the Mussel Watch Project and Bioeffects Project, which are both part of the NS&T program. The Mussel Watch Project has been monitoring contaminants in bivalves and sediments since 1986 and is the longest active national contaminant monitoring program operating in U.S. costal waters. Approximately 280 Mussel Watch sites are sampled on a biennial and decadal timescale for bivalve tissue and sediment respectively. Similarly, the Bioeffects Assessment Project began in 1986 to characterize estuaries and near coastal environs. Using the sediment quality triad approach that measures; (1) levels of contaminants in sediments, (2) incidence and severity of toxicity, and (3) benthic macrofaunal conmmunities, the Bioeffects Project describes the spatial extent of sediment toxicity. Contaminant assessment is a core function of both projects. These methods, while discussed here in the context of sediment and bivalve tissue, were also used with other matricies including: fish fillet, fish liver, nepheloid layer, and suspended particulate matter. The methods described herein are for the core organic contaminants monitored in the NS&T Program and include polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), butyltins, and organochlorines that have been analyzed consistently over the past 15-20 years. Organic contaminants such as dioxins, perfluoro compounds and polybrominated biphenyl ethers (PBDEs) were analyzed periodically in special studies of the NS&T Program and will be described in another document. All of the analytical techniques described in this document were used by B&B Laboratories, Inc, an affiliate of TDI-Brook International, Inc. in College Station, Texas under contract to NOAA. The NS&T Program uses a performance-based system approach to obtain the best possible data quality and comparability, and requires laboratories to demonstrate precision, accuracy, and sensitivity to ensure results-based performance goals and measures. (PDF contains 75 pages)

Estudio de series temporales y composición química del material particulado atmosférico en distintas áreas del País Vasco

286 p. : il. col.

Studies of ambient organic and inorganic aerosol in Southern California

The negative impacts of ambient aerosol particles, or particulate matter (PM), on human health and climate are well recognized. However, owing to the complexity of aerosol particle formation and chemical evolution, emissions control strategies remain difficult to develop in a cost effective manner. In this work, three studies are presented to address several key issues currently stymieing California's efforts to continue improving its air quality.

Gas-phase organic mass (GPOM) and CO emission factors are used in conjunction with measured enhancements in oxygenated organic aerosol (OOA) relative to CO to quantify the significant lack of closure between expected and observed organic aerosol concentrations attributable to fossil-fuel emissions. Two possible conclusions emerge from the analysis to yield consistency with the ambient organic data: (1) vehicular emissions are not a dominant source of anthropogenic fossil SOA in the Los Angeles Basin, or (2) the ambient SOA mass yields used to determine the SOA formation potential of vehicular emissions are substantially higher than those derived from laboratory chamber studies. Additional laboratory chamber studies confirm that, owing to vapor-phase wall loss, the SOA mass yields currently used in virtually all 3D chemical transport models are biased low by as much as a factor of 4. Furthermore, predictions from the Statistical Oxidation Model suggest that this bias could be as high as a factor of 8 if the influence of the chamber walls could be removed entirely.

Once vapor-phase wall loss has been accounted for in a new suite of laboratory chamber experiments, the SOA parameterizations within atmospheric chemical transport models should also be updated. To address the numerical challenges of implementing the next generation of SOA models in atmospheric chemical transport models, a novel mathematical framework, termed the Moment Method, is designed and presented. Assessment of the Moment Method strengths and weaknesses provide valuable insight that can guide future development of SOA modules for atmospheric CTMs.

Finally, regional inorganic aerosol formation and evolution is investigated via detailed comparison of predictions from the Community Multiscale Air Quality (CMAQ version 4.7.1) model against a suite of airborne and ground-based meteorological measurements, gas- and aerosol-phase inorganic measurements, and black carbon (BC) measurements over Southern California during the CalNex field campaign in May/June 2010. Results suggests that continuing to target sulfur emissions with the hopes of reducing ambient PM concentrations may not the most effective strategy for Southern California. Instead, targeting dairy emissions is likely to be an effective strategy for substantially reducing ammonium nitrate concentrations in the eastern part of the Los Angeles Basin.

Local and Global Externalities, Environmental Policies and Growth

33 p.

Trace metals in fresh water plankton

The uptake of Cu, Zn, and Cd by fresh water plankton was studied by analyzing samples of water and plankton from six lakes in southern California. Co, Pb, Mn, Fe, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, and Al were also determined in the plankton samples. Special precautions were taken during sampling and analysis to avoid metal contamination.

The relation between aqueous metal concentrations and the concentrations of metals in plankton was studied by plotting aqueous and plankton metal concentrations vs time and comparing the plots. No plankton metal plot showed the same changes as its corresponding aqueous metal plot, though long-term trends were similar. Thus, passive sorption did not completely explain plankton metal uptake.

The fractions of Cu, Zn, and Cd in lake water which were associated with plankton were calculated and these fractions were less than 1% in every case.

To see whether or not plankton metal uptake could deplete aqueous metal concentrations by measurable amounts (e.g. 20%) in short periods (e.g. less than six days), three integrated rate equations were used as models of plankton metal sorption. Parameters for the equations were taken from actual field measurements. Measurable reductions in concentration within short times were predicted by all three equations when the concentration factor was greater than 10^5. All Cu concentration factors were less than 10^5.

The role of plankton was regulating metal concentrations considered in the context of a model of trace metal chemistry in lakes. The model assumes that all particles can be represented by a single solid phase and that the solid phase controls aqueous metal concentrations. A term for the rate of in situ production of particulate matter is included and primary productivity was used for this parameter. In San Vicente Reservoir, the test case, the rate of in situ production of particulate matter was of the same order of magnitude as the rate of introduction of particulate matter by the influent stream.

The Uniform World Model: A Methodology for Predicting the Health Impacts of Air Pollution

47 p.

Decarbonising urban transportation

18 p.

Magnetic behavior of basic iron(III) compounds. I. Magnetic behavior of the basic iron sulphates and basic iron chromate. II. Magnetic behavior of delta ferric oxide hydroxide

I. The thermomagnetic behavior and infrared spectroscopic features of KFe₃(SO₄)₂(OH)₆ (jarosite), (H₃O)Fe₃(SO₄)₂ (OH)₆ (hydronium jarosite), KFe₃(CrO₄)₂ (OH)₆, Fe(OH)SO₄ (basic iron sulfate), and Fe(OH)CrO₄ (basic iron chromate) are reported. Fe(OH)CrO₄ and KFe₃(CrO₄)₂ (OH)₆ are shown to be weak ferro magnets with Curie temperatures of 73 and 71 °K, respectively. This unusual magnetic behavior is rationalized in terms of the ionic spin configurations of the phases. Exchange coupling through chromate bridging groups is shown to be weak.

II. The magnetic behavior and the influence of preparative history on the magnetic behavior of δFeO(OH) is reported. δFeO(OH) is shown to be a fine-particulate, uniaxial, magnetic species. Magnetization data for this species are shown to be consistent with the existence of magnetically inactive layers surrounding magnetic particles.

Secondary Organic Aerosol Composition Studies Using Mass Spectrometry

Trace volatile organic compounds emitted by biogenic and anthropogenic sources into the atmosphere can undergo extensive photooxidation to form species with lower volatility. By equilibrium partitioning or reactive uptake, these compounds can nucleate into new aerosol particles or deposit onto already-existing particles to form secondary organic aerosol (SOA). SOA and other atmospheric particulate matter have measurable effects on global climate and public health, making understanding SOA formation a needed field of scientific inquiry. SOA formation can be done in a laboratory setting, using an environmental chamber; under these controlled conditions it is possible to generate SOA from a single parent compound and study the chemical composition of the gas and particle phases. By studying the SOA composition, it is possible to gain understanding of the chemical reactions that occur in the gas phase and particle phase, and identify potential heterogeneous processes that occur at the surface of SOA particles. In this thesis, mass spectrometric methods are used to identify qualitatively and qualitatively the chemical components of SOA derived from the photooxidation of important anthropogenic volatile organic compounds that are associated with gasoline and diesel fuels and industrial activity (C12 alkanes, toluene, and o-, m-, and p-cresols). The conditions under which SOA was generated in each system were varied to explore the effect of NO_x and inorganic seed composition on SOA chemical composition. The structure of the parent alkane was varied to investigate the effect on the functionalization and fragmentation of the resulting oxidation products. Relative humidity was varied in the alkane system as well to measure the effect of increased particle-phase water on condensed-phase reactions. In all systems, oligomeric species, resulting potentially from particle-phase and heterogeneous processes, were identified. Imines produced by reactions between (NH₄)₂SO₄ seed and carbonyl compounds were identified in all systems. Multigenerational photochemistry producing low- and extremely low-volatility organic compounds (LVOC and ELVOC) was reflected strongly in the particle-phase composition as well.

Caracterização espaço-temporal de plumas de sedimentos por sensoriamento remoto: um estudo de caso na foz do rio Paraíba do Sul.

Sedimentos em suspensão representam um dos principais fatores que afetam a qualidade dos sistemas aquáticos no mundo; influenciam os processos geomórficos de construção da paisagem e podem indicar problemas de erosão e perda de solo na bacia hidrográfica contribuinte. O seu monitoramento espacial e temporal é fundamental nas atividades de gestão ambiental de áreas costeiras. Nesse sentido, a hipótese básica desta pesquisa é que o padrão espacial e temporal de plumas de sedimentos costeiras associado ao regime hidrológico do rio pode ser caracterizado a partir de imagens orbitais de média resolução espacial. Para comprová-la, elegeu-se a foz do rio Paraíba do Sul como área de estudo para definição e teste metodológico, e formulou-se como principal objetivo mapear qualitativamente a pluma costeira deste rio a partir de imagens Landsat 5 e CBERS-2, ao longo do período compreendido entre 1985 e 2007. As datas avaliadas foram criteriosamente definidas através de três estratégias de análise, totalizando cinqüenta imagens. Pesquisa bibliográfica e avaliação da resposta espectral da feição de interesse nas imagens selecionadas consistiram nas etapas principais da definição da metodologia. As plumas foram então identificadas, mapeadas e extraídas; posteriormente, suas características espaciais e temporais foram analisadas por intermédio de sistemas de informação geográfica e avaliadas em conjunto com dados históricos de vazão. Os resultados indicam que a banda do vermelho forneceu uma melhor discriminação interna da pluma, sendo, portanto, utilizada como base para as análises realizadas neste trabalho. Com exceção do procedimento de correção atmosférica, a metodologia proposta consiste na utilização de técnicas simples de processamento digital de imagens, baseadas na integração de técnicas semi-automáticas e de análise visual. A avaliação do padrão dos sedimentos e dos mapas temáticos qualitativos de concentração de sedimentos em suspensão indica a forte diferenciação existente entre cenários representativos de épocas de cheia e seca do rio. Análises espaciais do comportamento da pluma contribuem ainda para um maior conhecimento do espaço geográfico, fornecendo subsídios aos mais variados setores do planejamento e gestão ambiental.

Características biogeoquímicas da interação atmosfera criosfera na Antártica ocidental

O manto polar antártico retêm informação paleoclimatologica por entres suas camadas de neve e gelo. O gelo antártico tem revelado a base de dados paleoclimática de maior resolução para os últimos 800 mil anos. Os padrões de transporte atmosférico refletem a composição e a fonte do particulado encontrado na neve e no gelo do continente Antártico. Estando relacionado a processos climáticos, as características desse transporte alteram em quantidade e qualidade as espécies químicas que se depositam sobre o manto de gelo. Dessa forma, o estudo dos depósitos de particulado ao longo das camadas de neve/gelo na Antártica pode sugerir mudanças nos padrões de transporte atmosférico. Atualmente a comunidade científica discute as diferenças de padrões climáticos entre o leste e o oeste antártico. Enquanto de forma geral observa-se instabilidade no setor oeste, o clima da antártica oriental demonstra relativa estabilidade climática. Neste estudo, analisamos dois testemunhos de gelo recente de duas regiões com características climáticas diferentes do continente Antártico. No Platô Detroit situado na Península Antártica (6410′S/0600′O), analisamos a variabilidade de Black Carbon (BC) ao longo de 20 metros de neve. O BC encontrado na Península Antártica apresentou baixas concentrações comparáveis as encontradas no gelo do Artico período pré-industrial. Nossos resultados sugerem que sua variabiliade corresponde à sazonalidade dos períodos de queimada nos continentes do Hemisfério Sul. No interior do continente Antártico, analisamos o particulado em geral por um processo de microanálise ao longo de um testemunho de 40 metros extraído em Mont Johns (79o55′S/09423′O). Encontramos uma tendência negativa na deposição de poeira mineral (AlSi) entre 1967 e 2007. Nossos resultados sugerem que esta tendência seja resultado de um crescente isolamento atmosférico da região central do continente antártico pelo aumento da intensidade dos ventos ao redor da Antártica. Este aumento na intensidade dos ventos reflete por sua vez o resfriamento da alta atmosfera no centro antártico causado pela depleção da camada de ozônio na região. Adicionalmente, amostras de diferentes microambientes de Patriot Hills (8018′S/08121′O) foram coletadas de maneira asséptica para análise microbiológica. As amostras foram cultivadas em meio R2 e paralelamente o DNA total extraído foi sequenciado pela técnica de pirosequenciamento. Os resultados preliminares desta analise mostram grande riqueza de espécies dos mais variados grupos. Os resultados deste trabalho caracterizam três diferentes parâmetros relacionados a deposição atmosférica em duas áreas pouco exploradas e de grande interesse científico do continente antártico.

Variabilidade espacial e temporal da distribuição do material particulado em suspensão nas proximidades do canal de navegação da baía de Sepetiba (RJ)

Este estudo teve como objetivo principal caracterizar os padrões de distribuição do material particulado em suspensão ao longo da baía de Sepetiba, associando as variabilidades espaciais e temporais com ciclos de maré. Além disso, o estudo também avalia a utilização de equipamentos acústicos como ferramentas à estimativa das concentrações de material particulado em suspensão. A aquisição de dados foi realizada num total de sete campanhas realizadas entre novembro de 2010 e dezembro de 2011. Sete estações foram posicionadas nas proximidades do canal principal de acesso à baía, ao longo de um transecto que se estende do seu interior até sua desembocadura. As sete campanhas amostrais se distribuem em duas séries longas, de 13 e 25 horas, de aquisição em um ponto fixo, e cinco amostragens ao longo das estações. A aquisição de dados envolve: coleta de amostras de água, utilizadas nas estimativas das concentrações de material particulado; coleta de sedimentos de fundo para caracterização granulométrica das estações amostradas; perfis de parâmetros físico-químicos; dados de correntômetria adquiridos junto ao fundo. O processamento das amostras de água e sedimentos foi realizado no laboratório de Geologia Marinha da Faculdade de Oceanografia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. As concentrações de material particulado em suspensão foram utilizadas na calibração de sensores acústicos e óticos, permitindo uma avaliação espaço-temporal mais detalhada dos padrões de distribuição junto ao fundo e ao longo da coluna dágua. Os dados observados permitiram identificar que as maiores concentrações de material particulado em suspensão ocorrem em condições de maré enchente, e estão associadas à assimetria de maré. A baía pode ser dividida em dois setores: um na porção mais interna, onde se observou maior influência do aporte fluvial, onde as concentrações de material particulado em suspensão respondem à propagação da pluma do canal de São Francisco; e outro que se estende da porção central até sua desembocadura, onde predomina o domínio marinho, com influência de eventos oriundos da plataforma continental. Também pode ser identificada a influência do fenômeno La Niña, que provavelmente foi responsável por: altas salinidades encontradas no interior da baía e ocorrência da Água Central do Atlântico Sul à baixas profundidades. Quanto à utilização de equipamentos acústicos nas estimativas das concentrações de material particulado, os dados se demonstraram ricos em detalhes, que permitiram avaliar o comportamento do material particulado junto ao fundo frente a diferentes condições de maré, turbulência e incidência de oscilações.

Exposição ao material particulado 2,5 m coletado em vias de alto tráfego da cidade do Rio de Janeiro: avaliação mutagênica, genotóxica e determinação de risco à saúde induzido por hidrocarbonetos policíclicos aromáticos

A mutagenicidade do material particulado é atribuída primeiramente aos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA). Investigamos a atividade mutagênica do material particulado (MP2,5) em amostras coletadas em três pontos da cidade do Rio de Janeiro. As coletas foram realizadas com auxílio de um amostrador de grande volume na Avenida Brasil, no campus da Universidade do Estado do Rio de Janeiro e no Túnel Rebouças em filtros de fibra de vidro. Metade de cada filtro foi submetido à extração por sonicação com o solvente diclorometano. Seis HPA foram identificados e quantificados por cromatografia gasosa com espectrometria de massa (GC/MS). Após a análise química as concentrações dos HPA obtidos foram correlacionados ao fatores físicos, além de ser realizado avaliação de risco para cada HPA estudado. Linhagens de Salmonella typhimurium (TA98 e derivadas TA98/1.8-DNP6, YG1021 e YG1024) foram utilizadas no ensaio de mutagenicidade e tratadas (10-50 g/placa) com extrato orgânico na presença e na ausência de metabolização exógena. Células de raiz de cebola foram tratadas com extratos orgânicos nas concentrações (5-25g/mL). A alta umidade encontrada no Túnel Rebouças pode ter influenciado na deposição de cinco dos seis HPA estudados em material particulado. Além disso, em diferentes condições de tráfego, motoristas de ônibus que cruzam a Avenida Brasil e o Rebouças túnel estão expostos ao risco induzidos por HPA na ordem de 10-6. Mutagenicidade foi detectada tanto na presença quanto na ausência de metabolização, para as linhagens YG1021 e YG1024 nos três pontos, sugerindo a presença de nitro e amino derivados de HPA. As amostras do Túnel Rebouças apresentaram os maiores valores para rev/g e rev/m3. Estes resultados podem estar relacionados ao longo trajeto e a restrita ventilação. Efeito citotóxico foi detectado pelo ensaio Allium cepa nos três pontos de monitoramento. Além disso os extratos orgânicos provenientes das coletas da Avenida Brasil, UERJ e do Túnel Rebouças induziram efeito clastogênico em células de raiz de Allium cepa

Distribuição do material particulado em suspensão na plataforma continental e talude superior entre Ubatuba (SP) e o cabo Búzios (RJ)

A pesquisa aqui apresentada amostrou a plataforma continental e talude superior entre Ubatuba (SP) e o cabo Búzios (RJ), em dois projetos de escala local e de meso-escala. A campanha entre Ubatuba e o cabo Frio foi realizada no âmbito do projeto Oceano-Rio: levantamentos oceanográficos integrados ao largo do Estado do Rio de Janeiro, realizado em colaboração com o Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT) e com a cooperação da Marinha do Brasil (MB), a bordo do Navio Hidro-oceanográfico Cruzeiro do Sul. Dos dados coletados nesta campanha oceanográfica, foram analisados os dados de CTD, concentração de oxigênio dissolvido, fluorescência, transmissividade, atenuação, retro-espalhamento além de amostras de água para a determinação direta da concentração de material particulado em suspensão (MPS). No experimento de menor escala, entre o cabo Frio e o cabo Búzios, além destes dados, foi realizado um fundeio entre 02 e 30 de julho de 2011, que amostrou a intensidade do eco, as correntes e as ondas. As análises realizadas permitiram observar uma grande abrangência da massa dágua característica da Ressurgência sobre a plataforma continental entre Ubatuba (SP) e cabo Búzios (RJ), inclusive em regiões muito rasas. A ressurgência nem sempre ocorreu associada aos ventos NE, sugerindo que a ocorrência de vórtices tem grande influência sobre o Sistema de Ressurgência de Cabo Frio. O padrão de distribuição de MPS na região é muito influenciado pela ressuspensão dos sedimentos de fundo (aumentada durante as tempestades, quando a coluna dágua passa a apresentar maiores concentrações de MPS), produção fitoplanctônica e aporte das baías costeiras. Outros processos que parecem influenciar este padrão são os vórtices e as ondas internas no talude. A complexidade da interação destas diferentes fontes de MPS e processos associados à sua distribuição ficou evidenciada no processo de conversão dos sinais óticos do transmissômetro e nefelômetro em concentração de MPS. Apesar desta dificuldade associada à grande variabilidade das características do MPS, as análises dos testes de conversão do sinal ótico em concentração de MPS permitem concluir que as melhores conversões podem ser obtidas após a inspeção visual das concentrações de MPS medidos (filtração) e remoção das amostras que não seguem a tendência geral esperada de dispersão sinal ótico versus concentração de MPS.

Emissões atmosféricas e implicações potenciais sobre a biota terrestre devido as atividades antrópicas na Baía do Almirantado/ Ilha Rei George Antártica

Neste trabalho foi realizado um estudo sobre o impacto sobre a atmosfera e a biota terrestre devido às emissões antrópicas na Baia do Almirantado/Ilha Rei George Antártica. Foram monitoradas as emissões dos compostos orgânicos voláteis e semi-voláteis, tanto nas fontes emissoras como no entorno da Estação Antártica Comandante Ferraz e estimadas as emissões dos navios, dos geradores a diesel e da incineração de lixo. Na avaliação do entorno, coletaram-se amostras de ar, neve e penas de aves. Com os resultados das emissões, do estudo topográfico e da meteorologia, realizou-se uma modelagem de plumas gaussiana para avaliar os impactos. Quatro cenários foram avaliados: dois com a presença dos navios NApOc Ary Rongel e Maximiano apresentaram concentrações máximas de até 356 g m-3 de COV e 18 g m-3 de material particulado, enquanto os demais, sem a presença dos navios, apenas considerando as estações de pesquisa EACF e Arctowski, apresentaram concentrações máximas de até 2,5 g m-3 de COV e 1,3 g m-3 de material particulado. Amostras de COV coletadas foram compatíveis com o cenário mais crítico. O estudo de correlação para carbonilas e HPA atmosférico e Carbono elementar e HPA, depositados em neve, apontaram a EACF como a principal fonte de emissão. As concentrações de levoglucosano detectadas a aproximadamente 2 km da EACF apontaram para a prática de incineração de lixo da EACF. Todas as áreas de interesse biológicos, anteriormente mapeados, dentro da AAEG, são vulneráveis às emissões antrópicas, como sugeriu o modelo de dispersão e a sobreposição dos resultados encontrados.