Development of analytical methods for ultra-trace determination of total mercury and methyl mercury in natural water and peat soil samples for environmental monitoring

• Main Author: Pietilä, H. (Heidi)
• Other Authors: Perämäki, P. (Paavo)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2014
• Subjects: CV-ICP-MS; N₂-assisted distillation; environmental monitoring; mercury; methyl mercury; natural waters; peat soils; purge and trap GC-ICP-MS; species-specific isotope dilution; elohopea; isotooppilaimennus; kaasukromatografi-ICP-MS; kylmähöyry ICP-MS; luonnonvesi; metyylielohopea; turve; typpiavusteinen tislaus; ympäristön seuranta
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526206202; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526206202

Abstract Mercury is a global pollutant that accumulates easily in forest soils, even in remote areas. Mercury accumulated in soils can be subsequently released into surface waters causing an increased eco-toxicological and human health risk. The most toxic form of mercury to humans and wildlife is methyl mercury (MeHg), which can be formed in the environment via methylation processes. In freshwaters, MeHg is readily accumulated in fish, which are the main source of human exposure to MeHg. The determination of both total mercury and MeHg concentrations in environmental samples, such as natural waters and soils, is important in environmental risk assessment. This study involved the development of analytical methods for the determination of ultra-trace total mercury and MeHg concentrations in humic-rich natural water and peat soil samples. Each developed method was carefully optimized and validated by using real natural water and peat soil samples, certified reference materials and/or reference methods. The cold vapor inductively coupled plasma mass spectrometry (CV-ICP-MS) method developed during this study was found to be a reliable method for the determination of total ultra-trace mercury concentrations in natural freshwaters. Purge and trap gas chromatography, coupled to an ICP-MS, was used in mercury speciation analysis. Together with species-specific isotope dilution this technique proved to be a reliable method in MeHg determinations. Prior to instrumental determination, MeHg was successfully isolated from humic-rich water and peat soil samples using N2-assisted distillation. The analytical methods developed in this study were successfully applied to an investigation of the effects of forest harvesting practices on the mobilization of mercury in boreal forest catchments. === Tiivistelmä Elohopeaa pääsee ilmakehään sekä luonnollisista lähteistä (mm. tulivuorenpurkaukset ja kiviaineksen rapautuminen), että ihmisen toiminnan kautta. Elohopean viipymäaika ilmakehässä on hyvin pitkä, minkä vuoksi se voi kulkeutua kauas päästölähteestä ennen päätymistään maaperään ja vesistöihin. Ympäristössä olevasta epäorgaanisesta elohopeasta voi muodostua erittäin myrkyllistä metyylielohopeaa, joka rikastuu helposti ravintoketjussa. Metyylielohopean muodostuminen on merkittävä osa elohopean biogeokemiallista kiertoa, minkä vuoksi metyylielohopean määrittäminen näytteen kokonaiselohopeapitoisuuden ohella antaa tärkeää tietoa elohopean käyttäytymisestä ympäristössä. Tutkimuksessa kehitettiin analyysimenetelmät, joilla määritettiin ultrapieniä kokonaiselohopea- ja metyylielohopeapitoisuuksia humuspitoisista luonnonvesistä ja turvemaanäytteistä. Tutkimuksessa käytetyt näytteet oli kerätty turvemaametsien valuma-alueilta Sotkamosta. Luonnonvesinäytteiden kokonaiselohopeapitoisuuksien määrityksessä käytettiin kylmähöyrymenetelmää (CV) yhdistettynä induktiiviplasma-massaspektrometriaan (ICP-MS). Vesi- ja turvenäytteiden metyylielohopeapitoisuuksien määrityksessä elohopeaspesiekset erotettiin kaasukromatografisesti (GC) ja määritettiin isotooppilaimennus-ICP-MS:lla. Ennen GC-ICP-MS -määritystä näytteet esikäsiteltiin typpiavusteisella tislausmenetelmällä ja esikonsentroitiin ’purge and trap’ -tekniikalla. CV-ICP-MS ja ’purge and trap’ GC-ICP-MS -menetelmät optimoitiin huolellisesti sekä laiteparametrien, että reagenssimäärien suhteen. Menetelmillä saatavien tulosten oikeellisuus varmistettiin vertailumateriaalien ja/tai vertailumenetelmien avulla. Kehitettyjä analyysimenetelmiä hyödynnettiin tutkimuksessa, jossa seurattiin metsähakkuiden mahdollisia vaikutuksia elohopean huuhtoutumiseen ja metyloitumiseen ojitetuilla turvemailla.