Estudios de especiación de arsénico y acumulación de metales en muestras de interés medioambiental : Arsenic speciation and metal accumulation studies in environmental samples

Se ha estudiado la determinacion de especies de arsenico y de contenidos totales de arsenico y metales pesados, especificamente cadmio, cromo, cobre, niquel, plomo y cinc, en muestras de interes medioambiental por su elevada capacidad acumuladora de metales, concretamente algas marinas comestibles y plantas terrestres procedentes de suelos contaminados por la actividad minera. La determinacion de contenidos totales se ha llevado a cabo mediante espectrometria de emision atomica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP? AES), asi como por espectrometria de fluorescencia atomica con generacion de hidruros (HG? AFS), para bajos contenidos de arsenico. Las muestras fueron mineralizadas en medio acido y calentamiento en horno de microondas. Los metodos fueron validados a traves de su aplicacion a materiales de referencia de matriz similar a la de las muestras, certificados en contenidos totales de los elementos seleccionados. Los resultados obtenidos mostraron su elevada capacidad de bioabsorcion, especialmente en relacion a los elevados contenidos de arsenico encontrados en algunas especies de algas pardas (Phaeophytas). En las plantas, se calcularon los factores de translocacion, acumulacion y biodisponibilidad de los elementos estudiados, permitiendo identificar a la especie Corrigiola telephiifolia como posible acumuladora de plomo e hiperacumuladora de arsenico. La determinacion de especies de arsenico hidrosolubles en las muestras objeto de estudio, se llevo a cabo por cromatografia liquida de alta eficacia (HPLC) acoplado a ICP? AES, HG? ICP? AES y HG? AFS, incluyendo una etapa previa de foto? oxidacion. Los metodos desarrollados, mediante intercambio anionico y cationico, permitieron la diferenciacion de hasta once especies de arsenico. Para el analisis de las muestras, fue necesaria la optimizacion de metodos de extraccion, seleccionandose la extraccion asistida por microondas (MAE) con agua desionizada. Asimismo, se realizaron estudios de estabilidad de arsenico total y de las especies hidrosolubles presentes en las algas, tanto sobre la muestra solida como en sus extractos acuosos, evaluando las condiciones de almacenamiento adecuadas. En el caso de las plantas, la aplicacion del diseno factorial de experimentos permitio optimizar el metodo de extraccion y diferenciar entre las especies de arsenico presentes en forma de iones sencillos de mayor movilidad y el arsenico mas fuertemente enlazado a componentes estructurales. Los resultados obtenidos permitieron identificar la presencia de arseniato (As(V)) y arsenito (As(III)) en las plantas, asi como de acido monometilarsonico (MMA) y oxido de trimetilarsina (TMAO) en algunas especies. En la mayoria de las algas se encontraron especies toxicas, tanto mayoritarias (arseniato) como minoritarias (acido dimetilarsinico (DMA)), asi como hasta cuatro arsenoazucares. Los resultados obtenidos y su estudio a traves de la legislacion vigente, mostraron la necesidad de desarrollar una reglamentacion especifica para el control de este tipo de alimentos. La determinacion de especies de arsenico liposolubles en las muestras de algas se llevo a cabo mediante HPLC, en modo fase inversa, acoplado a espectrometria de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP? MS) y con ionizacion por electrospray (ESI? MS), permitiendo la elucidacion estructural de estos compuestos a traves de la determinacion de sus masas moleculares. Para ello, fue necesaria la puesta a punto de metodos extraccion y purificacion de los extractos. La metodologia desarrollada permitio identificar hasta catorce especies de arsenico liposolubles en las algas, tres de ellas correspondientes a hidrocarburos que contienen arsenico, y once a arsenofosfolipidos, ademas de dos especies desconocidas. Las masas moleculares de las especies identificadas fueron confirmadas mediante cromatografia de gases acoplada a espectrometria de masas (GC? MS) y espectrometria de masas de alta resolucion (HR? MS). ABSTRACT The determination of arsenic species and total arsenic and heavy metal contents (cadmium, chromium, cooper, nickel, lead and zinc) in environmental samples, with high metal accumulator capacity, has been studied. The samples studied were edible marine algae and terrestrial plants from soils polluted by mining activities. The determination of total element contents was performed by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP? AES), as well as by hydride generation atomic fluorescence spectrometry (HG? AFS) for low arsenic contents. The samples studied were digested in an acidic medium by heating in a microwave oven. The digestion methods were validated against reference materials, with matrix similar to sample matrix and certified in total contents of the elements studied. The results showed the high biosorption capacity of the samples studied, especially regarding the high arsenic contents in some species of brown algae (Phaeophyta division). In terrestrial plants, the translocation, accumulation and bioavailability factors of the elements studied were calculated. Thus, the plant species Corrigiola telephiifolia was identified as possible lead accumulator and arsenic hyperaccumulator. The determination of water? soluble arsenic species in the samples studied was carried out by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to ICP? AES, HG? ICP? AES and HG? AFS, including a prior photo? oxidation step. The chromatographic methods developed, by anion and cation exchange, allowed us to differentiate up to eleven arsenic species. The sample analysis required the optimization of extraction methods, choosing the microwave assisted extraction (MAE) with deionized water. On the other hand, the stability of total arsenic and water? soluble arsenic species in algae, both in the solid samples and in the water extracts, was studied, assessing the suitable storage conditions. In the case of plant samples, the application of a multivariate experimental design allowed us to optimize the extraction method and differentiate between the arsenic species present as simple ions of higher mobility and the arsenic more strongly bound to structural components. The presence of arsenite (As(III)) and arsenate (As(V)) was identified in plant samples, as well as monomethylarsonic acid (MMA) and trimethylarsine oxide (TMAO) in some cases. Regarding algae, toxic arsenic species were found in most of them, both As(V) and dimethylarsinic acid (DMA), as well as up to four arsenosugars. These results were discussed according to the current legislation, showing the need to develop specific regulations to control this kind of food products. The determination of lipid? soluble arsenic species in alga samples was performed by reversed? phase HPLC coupled to inductively coupled plasma and electrospray mass spectrometry (ICP? MS and ESI? MS), in order to establish the structure of these compounds by determining the corresponding molecular masses. For this purpose, it was necessary to develop an extraction method, as well as a clean? up method of the extracts. The method developed permitted the identification of fourteen lipid? soluble arsenic compounds in algae, corresponding to three arsenic? hydrocarbons and eleven arsenosugarphospholipids, as well as two unknown compounds. Accurate mass measurements of the identified compounds were performed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC? MS) and high resolution mass spectrometry (HR? MS).