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Characterizing reactions and fate of trace elements in the Amazon biome and marine environments by combining chemical speciation and isotopic analyses

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Resumo

Os metais-traço desempenham um papel fundamental nos ciclos biogeoquímicos, influenciando processos ambientais em ecossistemas marinhos e terrestres. Esta tese investiga a dinâmica geoquímica do cromo (Cr), manganês (Mn), zinco (Zn) e mercúrio (Hg) em diferentes matrizes ambientais, com foco em suas fontes, transformações e destino. Utilizando uma combinação de técnicas analíticas avançadas, incluindo X-rayAbsorptionSpectroscopy(XAFS) e isótopos estáveis, esta pesquisa desafia paradigmas convencionais sobre o ciclo dos metais-traço e oferece novas perspectivas sobre seu comportamento ambiental.O primeiro estudo examina a especiação do Cr em sedimentos marinhos redutores e folhelhos negros, demonstrando que o Cr(III) ligado à matéria orgânica natural (Cr(III)-NOM) representa um reservatório significativo, anteriormente negligenciada em reconstruções paleo-redox. O segundo estudo utiliza isótopos de Hg para rastrear fontes de contaminação provenientes da mineração de ouro artesanal e em pequena escala (ASGM) na Amazônia brasileira. Os resultados revelam caminhos distintos de fracionamento isotópico do Hg associados à deposição atmosférica e às atividades de mineração, fornecendo uma base robusta para distinguir entradas naturais e antrópicas de Hg. O terceiro estudo investiga a especiação de Mn e Zn em solos tropicais altamente intemperizados. As análises de XAFS revelam o papel crucial da matéria orgânica natural (NOM) na estabilização do Mn/Zn em ambientes tropicais.De forma geral, esta pesquisa aprimora nossa compreensão da biogeoquímica de metais-traço em contextos marinhos e de solos tropicais, oferecendo novas perspectivas sobre seus ciclos ambientais.

Abstract

Trace metals play a fundamental role in biogeochemical cycles, influencing environmental processes in marine and terrestrial ecosystems. This thesis investigates the geochemical dynamics of chromium (Cr), manganese (Mn), zinc (Zn), and mercury (Hg) across different environmental matrices, focusing on their sources, transformations, and fate. Using a combination of advanced analytical techniques, including X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy and stable isotope geochemistry, this research challenges conventional paradigms of trace metal cycling and provides novel insights into their environmental behavior. The first study examines Cr speciation in reducing marine sediments and black shales, demonstrating that Cr(III) bound to natural organic matter (Cr(III)-NOM) represents a significant burial phase previously overlooked in paleo-redox reconstructions. The second study utilizes Hg isotopes to trace contamination sources from artisanal and small-scale gold mining (ASGM) in the Brazilian Amazon. The results reveal distinct Hg isotope fractionation pathways associated with atmospheric deposition and mining activities, providing a robust framework for distinguishing natural and anthropogenic Hg inputs. The third study investigates Mn and Zn speciation in highly weathered tropical soils. XAFS analyses reveal the critical role of NOM in stabilizing Mn/Zn in tropical environments. Overall, this research refines our understanding of trace metal biogeochemistry in marine and tropical soils settings, offering new perspectives on their environmental fate and cycling.

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PRIANTI, Marcelo Tesser Antunes. Caracterização das reações e do destino de elementos-traço no bioma amazônico e em ambientes marinhos por meio da combinação de especiação química e análises isotópicas. 2025. 88 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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