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Determination of Arsenic and Arsenic Species in Ombrotrophic Peat Bogs from Finland

Frank, Jutta

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Abstract

The main goal of this study was to evaluate how faithful arsenic (As) has been preserved in ombrotrophic peat bogs from Finland. The changing rates of atmospheric As deposition have been reconstructed using peat cores from three Finnish bogs: Harjavalta (Har), nearby a Copper (Cu) - Nickel (Ni) smelter, Outokumpu (Out), near a famous Cu-Ni mine, and a peat bog at Hietajärvi (Hie) which is remote from industrial activity. To study the preservation of As within these cores, firstly several new accurate and sensitive analytical procedures for the reliable and direct determination of As in nitric acid digests of ombrotrophic peat samples at low ng l-1 concentrations, namely hydride generation – atomic absorption spectrometry (HG-AAS), hydride generation – atomic fluorescence spectrometry (HG-AFS) and inductively coupled plasma – sector field – mass spectrometry (ICP-SF-MS) were developed. The analytical procedures were critically evaluated by analysing several certified plant and peat reference materials. Results for the determination of As in selected peat samples highly correlated underpinning the accuracy of all adopted analytical protocols (HG-AAS, HG-AFS, ICP-SF-MS). Secondly, chronologies of atmospheric As accumulation in these cores were compared with historical records of industrialisation. Comparison of anthropogenic and natural As and Pb concentrations showed that anthropogenic As and Pb decreased from ~1000 AD onwards (coal burning) and that additionally the As concentration profiles reflected the atmospheric deposition history of the mining and smelting sites (Out, Har). As an independent check of the retention of As by the peat cores, As was also determined in the pore waters using ICP-SF-MS. Only 0.02% to 0.05% of the total As concentrations were present in the pore waters, further suggesting that As is well retained in ombrotrophic peat bogs. As a further check on the preservation of As by the peat cores and to mimic the leaching ability of the natural pore fluids of the peat which are derived exclusively from rainwater, As was extracted from fresh Finnish peat samples using water and the predominant As species were determined using anion-exchange HPLC-ICP-SF-MS. Extraction yields (0.7% to 12% of the total As concentrations) were low. All water extracts from the Finnish peat samples contained arsenic acid, and arsenous acid was present in all but two Finnish peat samples. Dimethylarsinic acid was the dominant organic arsenic species. The low extraction yields together with the low As concentrations in the pore waters indicate, that the arsenic species may react with their functional groups (onium centers, hydroxyl groups, doubly bonded oxygen atoms) and thus become preserved in peat bogs.

Translation of abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung ob, und in welchem Ausmaß ombrotrophe Hochmoore als Archive atmosphärischer Arseneinträge dienen können. Für die Untersuchung dieser Fragestellung wurden folgende ombrotrophe finnische Hochmoore ausgewählt: Harjavalta (Har) in unmittelbarer Nähe eines Kupfer (Cu) - und Nickel (Ni) Hüttenwerks, Outokumpu (Out), benachbart zu einer ehemaligen Cu-Ni Mine, und Hietajärvi (Hie), in einem Nationalpark und somit frei von industriellen Belastungen. Die Entwicklung neuer, nachweisstarker, präziser und genauer analytischer Verfahren für die Bestimmung von Arsen (As) in diesen Matrices mittels Hydrid – Atomabsorptionsspektrometrie (HG-AAS), Hydrid – Atomfluoreszenzspektrometrie (HG-AFS) und induktiv gekoppelter Argon – Plasma – Sektorfeld - Massenspektrometrie (ICP–SF–MS) war, augrund der zu erwartenden geringen As Konzentrationen, unumgänglich. Alle neu entwickelten Verfahren wurden durch die Messung zertifizierter Referenzmaterialien auf ihre Richtigkeit überprüft. Als weitere Qualitätskontrolle wurden ausgewählte Proben mittels HG-AAS, HG-AFS, und ICP-SF-MS analysiert, und die Ergebnisse dieser Messungen miteinander verglichen. Die sehr gute Übereinstimmung der Resultate bestätigte zusätzlich die Richtigkeit der entwickelten Verfahren. Die gemessenen Arsenkonzentrationen der Hochmoorkerne wurden mit den Bleikonzentrationen dieser Profile verglichen. Der anthropogene Arseneintrag begann zeitgleich mit dem anthropogenen Bleieintrag im Zuge der Industrialisierung in Europa (~ 1000 AD, Kohleverbrennung). Außerdem reflektieren die Arsenkonzentrationen die Geschichte der benachbarten Mine und des Hüttenwerks. Als weitere Bestätigung der Annahme, dass Hochmoore atmosphärische Arseneinträge archivieren, wurden Arsenkonzentrationen der Porenwässer dieser Moore mittels ICP–SF–MS bestimmt. Die geringen gefundenen As Konzentrationen (nur ~ 0.02% - 0.05% der Totalarsenkonzentration) bekräftigen diese Vermutung. Zuletzt wurden die vorherrschenden Arsenspezies [Arsensäure As(V), arseniger Säure As(III), Dimethylarsinsäure (DMA) und Methylarsonsäure (MA)] mittels Wasser (um die natürlichen Gegebenheiten des Regenwassers und somit der Porenwässer zu simulieren) extrahiert, und mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) gekoppelt an ein ICP-SF-MS detektiert. Die Extraktionsausbeuten waren gering (0.7% bis 12% der enthaltenen Totalarsenkonzentrationen). Arsensäure konnte in allen Proben detektiert werden. As(III) wurde in fast allen Proben gefunden. Die dominierende anorganische Arsenverbindung war DMA. Die geringen Extraktionsausbeuten und die geringen gefundenen Arsenkonzentrationen in den Porenwässern verstärken die Hypothese, dass Arsen in Hochmooren konserviert ist: die Arsenspezies scheinen mit ihren funktionellen Gruppen (Hydroxylgruppen, Doppelbindungen, OH - Gruppen, Onium - Zentren) zu reagieren und bleiben so im Hochmoor erhalten

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schöler, Prof. Dr. Heinz Friedrich
Date of thesis defense: 6. December 2005
Date Deposited: 13. Dec 2005 14:02
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Arsen, Atomfluoreszenzspektroskopie, Atomabsorptionsspektroskopie, HPLC
Uncontrolled Keywords: ICP-SF-MS , HG-AAS , HG-AFS , Methodenentwicklung , HPLC-ICP-SF-MSarsenic , arsenic species , HG-AAS , HG-AFS , HPLC-ICP-MS
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