Multi element removal and recovery using living macroalgae: data treatment influence on results interpretation

Abstract

Water contamination is not a new problem today, as the presence of potentially toxic elements in waters is a known reality throughout the world. However, technological development and the widespread use of electrical and electronic equipment, which have been increasing each year, have contributed to the emergence of new contamination sources, such as electronic waste, and new contaminants, such as rare earth elements. The discharge of these economically valuable and technology critical elements in aquatic ecosystems is increasingly frequent, requiring actions that reduce or eliminate risks to ecosystems and to humans. This study evaluates the potential use of living macroalgae for the removal of rare earth elements (La, Dy, Eu, Nd and Gd) and potentially toxic elements (Hg and Pb) from waters in environmentally relevant concentrations. It is also assessed the influence that different approaches can have on results interpretation, which are based on statistical foundations, and on physical, chemical, and biological aspects, inherent to multidisciplinary studies like the present one. Macroalgae are already known to be efficient in removing potentially toxic elements from water; however, can living macroalgae be the new future to solve both the water crisis as well as the crisis of rare earth elements as a raw material scarcity? With the present study, it was possible to determine, using both a cluster analysis and a linear discriminant analysis, that the rare earths elements in study had similar removal behaviours, however different from the other two potentially toxic elements in study, Pb and Hg. The latter being the most well removed element having possible predicted removal percentages of 97 % with only 24 hours of exposure. Nevertheless, through a surface response methodology, it was possible to determine the optimal conditions for these elements’ removal from multi contaminated waters, using a living macroalgae (Ulva lactuca). Hence, after 72 hours it would be possible to obtain predicted removals above 70 % for all elements in study at a salinity of 21 ± 9, an initial contaminant concentration of 1.6 ± 0.9 μmol/L and a macroalgae dosage of 3.6 ± 2.0 g/L.

A contaminação de águas não é um problema novo na sociedade atual, sendo a presença de elementos potencialmente tóxicos em meios aquáticos uma realidade conhecida em todo o mundo. No entanto, o desenvolvimento tecnológico e o uso generalizado de equipamentos elétricos e eletrónicos, que têm vindo a aumentar a cada ano, contribuíram para o surgimento de novas fontes de contaminação, como o lixo eletrônico, e de novos contaminantes, como os elementos terras raras. A descarga destes elementos, economicamente valiosos e críticos para a tecnologia, nos ecossistemas aquáticos é cada vez mais frequente, exigindo-se ações que diminuam ou eliminem os riscos para os ecossistemas e para o ser humano. Este estudo avalia a potencial utilização de macroalgas vivas na remoção de elementos terras raras (La, Dy, Eu, Nd e Gd) e de elementos potencialmente tóxicos (Hg e Pb) em misturas com concentrações ambientalmente relevantes. É também avaliada a influência que abordagens distintas podem ter na interpretação dos resultados, as quais são assentes em fundamentos estatísticos, e em aspetos físicos, químicos e biológicos, inerentes a estudos multidisciplinares como o presente. As macroalgas já são conhecidas por serem eficientes na remoção de elementos potencialmente tóxicos da água; no entanto, poderão as macroalgas vivas ser o novo futuro para resolver simultaneamente a crise da água e a crise da escassez de elementos terras raras como matéria-prima? Com este estudo foi possível determinar, usando uma análise de cluster e uma análise discriminante linear, que os elementos terras raras tinham comportamentos de remoção semelhantes, porém diferentes dos outros dois elementos potencialmente tóxicos em estudo, Pb e Hg. Sendo o último o elemento melhor removido, tendo possíveis percentagens de remoção previstas de 97% com apenas 24 horas de exposição. No entanto, por meio de uma metodologia de resposta de superfície, foi possível determinar as condições ideais na remoção destes elementos de águas contaminadas usando macroalgas vivas (Ulva lactuca). Assim, após 72 horas, seria possível obter remoções previstas acima de 70% para todos os elementos em estudo a uma salinidade de 21 ± 9, uma concentração inicial dos contaminantes de 1,6 ± 0,9 μmol/L e uma dosagem de macroalgas de 3,6 ± 2,0 g/L.