Environmental impact of thallium related to the mercury-thallium-gold mineralization in southwest Guizhou Province, China

Les métaux toxiques associés à la minéralisation et à l'exploitation minière sont des cibles de choix pour les études environnementales. Le thallium, pourtant un métal toxique par excellence, n'a pas retenu beaucoup d'attention à cet effet, sans doute à cause de la rareté relative des dépôts de ce métal. L'objet de cette étude est l'accumulation naturelle du thallium en association avec les minéralisations de type Hg-Tl-(Au) dans la région de Lanmuchang, dans le sud-ouest de la province de Guizhou en Chine, dans la perspective géo environnementale d'une étude de cas sur les dangers du thallium. Plus précisément, cette étude vise à mettre en lumière les manifestations du thallium, ses processus de transfert et ses impacts environnementaux, en référence à la fois aux processus naturels et aux activités humaines. Dans ce sens, on a examiné la distribution et la dispersion du thallium, de même que celles du mercure et de l'arsenic, dans le substratum rocheux, les minerais sulfurés, le charbon, les sols, les sédiments, les eaux souterraines et de surface, la végétation et les produits agricoles. Cette étude montre que la région de Lanmuchang est géologiquement propice à l'accumulation du thallium, du mercure et de l'arsenic. On y note une présence importante de minéraux sulfurés tels que la lorandite, le cinabre, le réalgar, l'orpiment et la pyrite, qui agissent comme les hôtes principaux de Tl, Hg et As dans le roc et les minerais. Le thallium se présente soit comme substitution isomorphique dans la structure de minéraux sulfurés des minerais de mercure et d'arsenic, et dans les charbons, ou comme un minéral purement de thallium, la lorandite. Les accumulations de Tl, Hg et As se caractérisent par de fortes concentrations de Tl, Hg et As dans le roc, les minerais, les sols, les sédiments, les eaux de surfaces ou souterraines, de même que dans diverses plantes. La concentration de thallium dans les minerais sulfurés varie de 33 à 35000 ppm, de 12 à 46 ppm dans les charbons, de 33 à 490 ppm dans les roches hôtes, de 25 à 1100 ppm dans les minéraux secondaires, et de 6 à 330 ppm dans les affleurements de roches hôtes. Dans les sols des zones minéralisées, la concentration de thallium varie de 53 à 282 ppm; dans les dépôts alluviaux ou les sols de fondation, elle varie de 21 à 100 ppm; dans les matériaux soliflués, elle se situe entre 40 et 46 ppm; dans les sols vierges, on observe des valeurs entre 2.2 et 29 ppm. Des valeurs élevées de concentration en thallium ont été observées dans les sédiments du lit d'un cours d'eau, allant de 10 à 3700 ppm. La concentration en thallium est également élevée dans l'eau souterraine profonde provenant de la zone minéralisée en thallium (13.4-1102 Llg/l), diminuant progressivement aux valeurs normales (0.005 (Ltg/1) avec l'éloignement de cette zone. La concentration de thallium dans les cours d'eau varie de 0.3 à 33 jxg/1, avec des valeurs remarquablement élevées en aval d'une décharge d'eau souterraine non identifiée. Dans les divers légumes et céréales comestibles, le contenu de thallium varie de 0.21 à 494 ppm (poids à sec). L'absorption de thallium est plus importante pour les légumes que pour les céréales, et la concentration maximale en thallium est atteinte dans le chou vert. La dissémination du thallium, de même que celle du mercure et de l'arsenic, dans l'écosystème spécifique à Lanmuchang est contrôlée par la minéralisation originelle des sulfures de Tl-Hg-As, par la topographie et l'hydro-géomorphologie propres au territoire, et par les perturbations de l'activité humaine. On observe de fortes concentrations de thallium dans les zones minières et minéralisées. En dehors de ces zones, les concentrations diminuent graduellement, pour s'établir à un niveau normal. Le thallium en provenance du substratum rocheux s'accumule dans le sol et les sédiments, et il est dispersé par les eaux du bassin versant de Lanmuchang. On s'est servi de l'identification des sources naturelles et de la définition des niveaux géochimiques de base des métaux toxiques pour faire la part des choses entre d'une part, la contribution relative des activités minières passées et actuelles, et d'autre part, celle des processus naturels. Des concentrations géochimiques de base élevées dans les roches de surface et dans les sols indiquent que l'érosion naturelle ou lessivage de ces roches et de ces sols, en association avec la zone minéralisée en Tl et les activités minières, sont des facteurs déterminants de l'accumulation élevée de thallium dans les terres arables et sa concentration élevée dans le système aquatique. Le transfert du thallium dans les terres arables dépend des types de culture. La concentration de thallium dans les éléments comestibles des récoltes s'établit comme suit en ordre décroissant: chou vert > chili > chou chinois > riz > maïs. La concentration la plus élevée, 494 ppm en mesure à sec, s'observe pour le chou vert. Le contenu en Tl est beaucoup plus élevé que celui de Hg et As dans les récoltes, cet écart semblant être favorisé par la substitution de K+ par Tl+, ces deux ions ayant à peu près le même rayon. L'assimilation du Tl dans le corps humain se fait principalement par le biais de la chaîne alimentaire, les vecteurs d'assimilation dermiques et respiratoires étant moins importants. Étant donné la concentration élevée de Tl dans les récoltes, la principale assimilation de thallium dans la chaîne alimentaire est la consommation de produits agricoles provenant de sols locaux contaminés. La consommation quotidienne de Tl par le biais de produits contaminés localement est estimée à 2.7 mg en moyenne, ce qui est 60 fois plus élevées que celle de régions sans thallium. Par ailleurs, le niveau de Tl dans l'eau potable est inférieur à la norme de nocivité, et ne pose donc pas de risque pour la santé dans les présentes conditions. Hg et As n'ont pas de rôle significatif à jouer sur la santé de la population dans la région de Lanmuchang. Les conditions socio-économiques de cette région amplifient l'impact environnemental du thallium sur l'écosystème. La déficience nutritionnelle, plutôt que le facteur climatique, combinée avec une exposition aux concentrations élevées de Tl dans les sols et les récoltes, peut bien avoir causé la thalloxicose des années 60 et 70. Il est nécessaire que l'on prenne conscience des dangers du thallium, ce qui, avec l'introduction de mitigation par étapes faciles à appliquer, va conduire à une réduction de la dispersion de ce métal et des problèmes conséquents. On devrait tenir compte des résultats de cette étude dans l'élaboration des plans de développement de cette région. C'est un problème complexe que de trouver un remède dans un contexte géo environnemental tel que celui de Lanmuchang, mais on devrait développer des initiatives telles que l'introduction de plantes hyperaccumulantes de Tl, afin de réduire la concentration de thallium dans l'environnement, de même que le remplacement de la culture d'aliments comme le chou vert qui a une forte tendance à accumuler le thallium. Cette étude non seulement apporte une meilleure compréhension des processus de dispersion du thallium, mais elle souligne également la nécessité d'entreprendre des études dans des régions susceptibles d'être affectées par le thallium, et d'étudier les effets sur la santé humaine d'une exposition prolongée au Tl

Response of microbial communities to elevated thallium contamination in river sediments

The study of microbial communities in river sediments contaminated by thallium (Tl) is necessary to achieve the information for in-situ microbially mediated bioremediation. However, little is known about the microbial community in Tl-contaminated river sediments. In the present study, we characterized the microbial community and their responses to Tl pollution in river sediments from the Tl-mineralized Lanmuchang area, Southwest Guizhou, China. Illumina sequencing of 16S rRNA amplicons revealed that over 40 phyla belong to the domain bacteria. In all samples, Proteobacteria, Cyanobacteria, and Actinobacteria were the most dominant phyla. Based on the UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean) tree and PCoA (Principal Coordinates Analysis) analysis, microbial composition of each segment was distinct, indicating in-situ geochemical parameters (including Tl, sulfate, TOC, Eh, and pH) had influenced on the microbial communities. Moreover, canonical correspondence analysis (CCA) was employed to further elucidate the impact of geochemical parameters on the distribution of microbial communities in local river sediments. The results indicated that a number of microbial communities including Cyanobacteria, Spirochaete, Hydrogenophaga, and Acinetobacter were positively correlated with total Tl, suggesting potential roles of these microbes to Tl tolerance or to biogeochemical cycling of Tl. Our results suggested a reliable location for the microbial community's diversity in the presence of high concentrations of Tl and might have a potential association for in-situ bioremediation strategies of Tl-contaminated river. Overall, in situ microbial community could provide a useful tool for monitoring and assessing geo-environmental stressors in Tl-polluted river sediments

A modified method of separating Tl(I) and Tl(III) in aqueous samples using solid phase extraction

Abstract In spite of the development of new measurement techniques in recent years, the rapid and accurate speciation of thallium in environmental aqueous samples remains a challenge. In this context, a novel method of solid phase extraction (SPE), involving the anion exchange resin AG1-X8, is proposed to separate Tl(I) and Tl(III). In the presence of diethylene triamine pentacetate acid (DTPA), Tl(III) and Tl(I) can be separated by selective adsorption of Tl(III)-DTPA onto the resin, Tl(III) is then eluted by a solution of HCl with SO2. The validity of this method was confirmed by assays of standard solutions of Tl(I) and Tl(III). The proposed method is shown to have an outstanding performance even in solutions with a high ratio of Tl(I)/Tl(III), and can be applied to aqueous samples with a high concentration of other electrolytes, which could interfere with the measurement. Portable equipment and reagents make it possible to use the proposed method routinely in the field

Geogenic Cadmium Pollution and Potential Health Risks, With Emphasis on Black Shale

Cadmium (Cd) is a non-essential trace element that is toxic to humans. Previous studies of Cd in the environment have primarily focused on pollution resulted from anthropogenic sources, but little is known on naturally occurring sources of Cd. This paper aims to review the geochemical distribution of geogenic Cd and associated environmental risk. The source, accumulation, mobility, transportation, and health risk of Cd are discussed in a geo-environmental perspective, with an emphasis on black shale soils. Cadmium generally occurs in sulfides in black shale, and is easily released when exposed to oxygen and water. Leaching of these rocks tends to elevate Cd concentrations in aquatic systems, and may pose the potential to produce acid rock drainage (ARD) as well. Weathering of Cd-rich rocks also elevates soil Cd concentrations, and influence the geochemical species of Cd. Crops grown in these soils tend to accumulate higher Cd and threaten the food safety. Local inhabitant exposed to high geogenic Cd via food chains may experience Cd-related health risk. High Cd concentrations are observed in urine, and renal damage is also detected in Cd naturally enriched area based on low molecular weight proteins in urine. Overall, the findings in literature have provided with insights for potential health risk of Cd in areas with high Cd geochemical background levels, particular for the black shale exposed areas, more attentions should be paid on the geogenic Cd pollution, and suitable strategies of remediation and geo-environmental management for geogenic Cd pollution need further research

Response of microbial communities to elevated thallium contamination in river sediments

<p>The study of microbial communities in river sediments contaminated by thallium (Tl) is necessary to achieve the information for <i>in-situ</i> microbially mediated bioremediation. However, little is known about the microbial community in Tl-contaminated river sediments. In the present study, we characterized the microbial community and their responses to Tl pollution in river sediments from the Tl-mineralized Lanmuchang area, Southwest Guizhou, China. Illumina sequencing of 16S rRNA amplicons revealed that over 40 phyla belong to the domain bacteria. In all samples, <i>Proteobacteria</i>, <i>Cyanobacteria</i>, and <i>Actinobacteria</i> were the most dominant phyla. Based on the UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean) tree and PCoA (Principal Coordinates Analysis) analysis, microbial composition of each segment was distinct, indicating <i>in-situ</i> geochemical parameters (including Tl, sulfate, TOC, Eh, and pH) had influenced on the microbial communities. Moreover, canonical correspondence analysis (CCA) was employed to further elucidate the impact of geochemical parameters on the distribution of microbial communities in local river sediments. The results indicated that a number of microbial communities including <i>Cyanobacteria, Spirochaete, Hydrogenophaga,</i> and <i>Acinetobacter</i> were positively correlated with total Tl, suggesting potential roles of these microbes to Tl tolerance or to biogeochemical cycling of Tl. Our results suggested a reliable location for the microbial community’s diversity in the presence of high concentrations of Tl and might have a potential association for <i>in-situ</i> bioremediation strategies of Tl-contaminated river. Overall, <i>in situ</i> microbial community could provide a useful tool for monitoring and assessing geo-environmental stressors in Tl-polluted river sediments.</p

Biochar Addition Enhances Phenanthrene Fixation in Sediment

Biochar is believed to be promising for soil contaminant stabilization due to its large adsorption capacity. However, study in sediment is rare, especially with the aging effect. In the present study, a plant biomass-derived biochar was added to phenanthrene polluted sediment, in order to investigate its performance in sediment remediation. During the incubation period of 60days, it was observed that the partition coefficient of phenanthrene increased in sediment either with or without biochar addition, as a result of aging process. Whilst, the biochar-added sediments showed much higher partition coefficients, as well as more curved adsorption isotherms, suggesting larger retention of the contaminant. Under the extreme extraction by strong surfactant, the release ratio of phenanthrene from polluted sediment was significantly reduced from 60% to 5% by 0.5% (w/w) addition of biochar. These results suggested that biochar would be applicable for improving the adsorption of organic pollutant in sediment, and the adsorbed organic pollutant would be stably fixed during aging as a result of the increased affinity

Occurrence and mobility of toxic elements in coals from endemic fluorosis areas in the Three Gorges Region, SW China

Fluorine (F) is a topic of great interest in coal-combustion related endemic fluorosis areas. However, little extent research exists regarding the environmental geochemistry of toxic elements that are enriched in coals and coal wastes in traditional endemic fluorosis areas, particularly focusing on their occurrences and mobilities during the weathering -leaching processes of coals and coal wastes in the surface environment. This paper addressed the issue of toxic elements in coals and coal wastes in the Three Gorges Region, Southwest (SW) China, where endemic fluorosis has historically prevailed, and investigated the distribution, occurrence, mobility features, and associated potential health risks. For this purpose, a modified experiment combined with long-term humidity cell test and column leaching trial was applied to elucidate the mobility of toxic elements in coals and coal wastes. In addition, sequential chemical extraction (SCE) was used to ascertain the modes of occurrence of toxic elements. The results demonstrated that the contents of toxic elements in the study area followed the order: stone coals > gangues > coal balls > coals. Furthermore, modes of occurrence of toxic elements were obviously different in coals and coal wastes. For example, cadmium (Cd) was mainly associated with monosulfide fraction in coals, molybdenum (Mo) and arsenic (As) were mainly associated with carbonate and silicate in coal gangues and stone coals, chromium (Cr) mainly existed in silicate and insoluble matter in coal gangues and coal balls, thallium (Ti) mainly occurred in organic matter in stone coals and sulfide in coals, and the occurrence of antimony (Sb) varied with different kinds of samples. Moreover, a large amount of toxic elements released to the leachates during the weathering and leaching process, which might pollute the environment and threaten human health. Based on the geo-accumulation index (I-geo), single factor index (P-i) and Nemerow index (P-N), soils in the study area were mainly polluted by Cd, which constituted a potential risk to locally planted crops