Distribution and bioavailability of arsenic in natural waters of a mining area studied by ultrafiltration and diffusive gradients in thin films

Abstract

The distribution of metals and metalloids among particulate, dissolved, colloidal, free, and labile forms in natural waters is of great environmental concern since it determines their transportation behaviour and bioavailability. Organic matter can have an important role for this distribution process, since it is an important complexing agent and ubiquitous in the aquatic environment. We studied the distribution, mobility and bioavailability of Al, As and Fe in natural waters of a mining area (Quadrilátero Ferrífero, Brazil) and the influence of organic matter in these processes. Water samples were taken from 12 points during the dry and rainy seasons, filtrated at 0.45 μm and ultrafiltrated (<1 kDa) to separate the particulate, colloidal and free fractions. Diffusive gradients in thin films (DGT) were deployed at 5 sampling points to study the labile part of the elements. Total and dissolved organic carbon and the physicochemical parameters were measured along with the sampling. The results of ultrafiltration (UF) and DGT were compared. The relationship among the variables was studied through multivariate analysis (Kohonen neural network), which showed that the seasonality did not impact most of the samples. Fe and Al occurred mainly in the particulate fraction whereas As appeared more in the free fraction. Most of the dissolved Fe and Al were inert (colloidal form) while As was more labile and bioavailable. The results showed that sampling points with a higher quantity of complexed Fe (colloidal fraction) showed less labile As, which may indicate formation of ternary complexes among organic matter, As and Fe.

Metal and Metalloid Speciation in Aquatic Environments: Concepts, Techniques and Applications

“…1,5,28 Para minimizar os problemas associados aos métodos off site, novas abordagens analíticas (on site e in situ) têm sido propostas. 28,32 As análises on site são feitas próximos ao local de coleta, como nas margens de um rio, imediatamente após a amostragem. Para isso, os instrumentos são previamente testados e validados em laboratório para uso em campo, diminuindo assim a produção de artefatos, que possivelmente seriam produzidos durante transporte e armazenamento da amostra.…”

“…As e P (fosfatos) Ferridrita 32,36 Cs e Sr Resina de troca catiônica AG50W-X8 38 Sulfetos AgI 39 Hg Resinas com grupos tióis 37 Íons divalentes e trivalentes Chelex 100 32,34,35 O DGT fundamenta-se na primeira lei de difusão de Fick, que descreve a difusão da matéria em meio estacionário quando em princípio não há equilíbrio, estabelecendo-se um gradiente de concentração. 40 …”

“…O uso dessas técnicas permite separar os elementos nas frações particuladas, dissolvidas, coloidais e livres (Figura 4), onde metais e metaloides estão presentes como uma variedade de espécies químicas. 14,32 A técnica de UF especificamente é geralmente utilizada para separar as espécies coloidais das espécies livres com o uso de membranas de baixo tamanho molecular (geralmente 1 ou 3 kDa). 5,35,41 Figura 4.…”

“…42,43 A fração particulada, por exemplo, é pouco biodisponível e tem baixa mobilidade, já que os metais e metaloides presentes nessa fração sedimentam-se mais rapidamente no fundo de sistemas aquáticos. 32 Na fração coloidal, as partículas permanecem em suspensão por um maior período de tempo devido ao tamanho e estabilização eletroquímica. 44 Desse modo, as espécies presentes nessa fração têm maior mobilidade em relação a fração particulada e maior potencial de adsorção de contaminantes devido à alta área superficial de suas partículas.…”

“…3,45 A fração de menor tamanho (obtida após ultrafiltração em membranas de 1 ou 3 kDa) é considerada a mais móvel de todas e potencialmente biodisponível. 32 Apesar de ser denominada fração livre por alguns autores, nela podem estar presentes pequenos complexos orgânicos e inorgânicos, além dos íons hidratados (livres). A fração denominada dissolvida compreende as frações livre e coloidal e corresponde ao permeado da filtração de amostras em membranas com porosidade entre 0,1 e 0,45 µm, dependendo da definição operacional.…”