Assessing human bioaccessibility of trace contaminants in size-fractionated red mud, derived precipitates and geopolymeric blocks

Highlights

PBET values of size-fractionated red mud were depended on pH and chelating role.

MGS results extracted was significantly higher than those by ALF for RM38 samples.

High bioaccessibility values were obtained for derived precipitates using PBET.

High PBET values of the geopolymeric blocks should raise social concerns.

Abstract

The objective of this study was to provide insight into human exposure to trace contaminants bearing red mud, derived precipitates and geopolymeric blocks due to inhalation contact and/or hand-to-mouth ingestion. The in vitro bioaccessibility behavior of trace contaminants was investigated with the PBET (physiologically based extraction test), ALF (artificial lysosomal fluid) and MGS (modified Gamble’ solution) methods. The results showed that total contents of trace contaminants and operation parameters, such as pH and chelating properties of simulated gastrointestinal phases (PBET), played a joint role in controlling the bioaccessibility efficacy for size-fractionated red mud particles. As for airborne particles (<38 µm size fractions), trace contaminants concentrations extracted by MGS was significantly higher than those by ALF. Additionally, higher bioaccessibility (PBET) values of Cu, Pb, Zn, As, V and U were obtained from red mud derived precipitates compared with those of red mud itself. Even though short-term and long-term leaching values of trace contaminants were relatively lower in the prepared geopolymeric blocks, the health risk could be significantly higher due to the more pronounced bioaccessibility characteristics.

Graphical abstract

Keywords

Bioaccessibility / Trace contaminants / Red mud / Precipitates / Geopolymeric blocks.

References

[1] National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. 2014. National economic operation data in  2014. Available from: http://www.chinairn.com/print/4232689.html.

[2] Wen Z C, Ma S H, Zheng S L, Zhang Y, Liang Y. Assessment of environmental risk for red mud storage facility in China: a case study in Shandong Province. Environmental Science and Pollution Research International, 2016, 23(11): 11193–11208

[3] Enserink M. Environment. After red mud flood, scientists try to halt wave of fear and rumors. Science, 2010, 330(6003): 432–433

[4] Mayes1 W M, Burke I T, Gomes H I, Anton Á D, Molnár M, Feigl V, Ujaczki É. Advances in understanding environmental risks of red mud after the Ajka spill, Hungary. Journal of Sustainable Metallurgy, 2016, 2: 332– 343DOI: 10.1007/s40831-016-0050-z.

[5] Gelencsér A, Kováts N, Turóczi B, Rostási Á, Hoffer A, Imre K, Nyirő-Kósa I, Csákberényi-Malasics D, Tóth Á, Czitrovszky A, Nagy A, Nagy S, Ács A, Kovács A, Ferincz Á, Hartyáni Z, Pósfai M. The red mud accident in Ajka (Hungary): characterization and potential health effects of fugitive dust. Environmental Science & Technology, 2011, 45(4): 1608–1615

[6] Mayes W M, Jarvis A P, Burke I T, Walton M, Feigl V, Klebercz O, Gruiz K. Dispersal and attenuation of trace contaminants downstream of the Ajka bauxite residue (red mud) depository failure, Hungary. Environmental Science & Technology, 2011, 45(12): 5147–5155

[7] Burke I T, Mayes W M, Peacock C L, Brown A P, Jarvis A P, Gruiz K. Speciation of arsenic, chromium, and vanadium in red mud samples from the Ajka spill site, Hungary. Environmental Science & Technology, 2012, 46(6): 3085–3092

[8] Ruyters S, Mertens J, Vassilieva E, Dehandschutter B, Poffijn A, Smolders E. The red mud accident in ajka (hungary): plant toxicity and trace metal bioavailability in red mud contaminated soil. Environmental Science & Technology, 2011, 45(4): 1616–1622

[9] Ujaczki É, Klebercz O, Feigl V, Molnár M, Magyar Á, Uzinger N, Gruiz K. Environmental toxicity assessment of the spilled Ajka red mud in soil microcosms for its potential utilisation as soil ameliorant. Periodica Polytechnica. Chemical Engineering, 2015, 59(4): 1141–1142

[10] Ujaczki É, Feigl V, Molnár M, Vaszita E, Uzinger N, Erdélyi A, Gruiz K. The potential application of red mud and soil mixture as additive to the surface layer of a landfill cover system. Journal of Environmental Sciences (China), 2016, 44: 189–196

[11] Burke I T, Peacock C L, Lockwood C L, Stewart D I, Mortimer R J G, Ward M B, Renforth P, Gruiz K, Mayes W M. Behavior of aluminum, arsenic, and vanadium during the neutralization of red mud leachate by HCl, gypsum, or seawater. Environmental Science & Technology, 2013, 47(12): 6527–6535

[12] Klauber C, Grafe M, Power G. Bauxite residue issues: II. options for residue utilization. Hydrometallurgy, 2011, 108(1–2): 11–32

[13] Zhang M, Zhao M X, Zhang G P, Mann D, Lumsden K, Tao M J. Durability of red mud-fly ash based geopolymer and leaching behavior of heavy metals in sulfuric acid solutions and deionized water. Construction & Building Materials, 2016, 124: 373–382

[14] Oomen A G, Hack A, Minekus M, Zeijdner E, Cornelis C, Schoeters G, Verstraete W, Van de Wiele T, Wragg J, Rompelberg C J M, Sips A J A M, Van Wijnen J H. Comparison of five in vitro digestion models to study the bioaccessibility of soil contaminants. Environmental Science & Technology, 2002, 36(15): 3326–3334

[15] Cruz N, Rodrigues S M, Tavares D, Monteiro R J R, Carvalho L, Trindade T, Duarte A C, Pereira E, Römkens P F A M. Testing single extraction methods and in vitro tests to assess the geochemical reactivity and human bioaccessibility of silver in urban soils amended with silver nanoparticles. Chemosphere, 2015, 135: 304–311

[16] Rodrigues S M, Coelho C, Cruz N, Monteiro R J R, Henriques B, Duarte A C, Römkens P F A M, Pereira E. Oral bioaccessibility and human exposure to anthropogenic and geogenic mercury in urban, industrial and mining areas. Science of the Total Environment, 2014, 496: 649–661

[17] Juhasz A L, Weber J, Smith E, Naidu R, Rees M, Rofe A, Kuchel T, Sansom L. Assessment of four commonly employed in vitro arsenic bioaccessibility assays for predicting in vivo relative arsenic bioavailability in contaminated soils. Environmental Science & Technology, 2009, 43(24): 9487–9494

[18] Izquierdo M, De Miguel E, Ortega M F, Mingot J. Bioaccessibility of metals and human health risk assessment in community urban gardens. Chemosphere, 2015, 135: 312–318

[19] Pelfrêne A, Waterlot C, Mazzuca M, Nisse C, Cuny D, Richard A, Denys S, Heyman C, Roussel H, Bidar G, Douay F. Bioaccessibility of trace elements as affected by soil parameters in smelter-contaminated agricultural soils: a statistical modeling approach. Environmental Pollution, 2012, 160(1): 130–138

[20] Ruby M V, Davis A, Schoof R, Eberle S, Sellstone C M. Estimation of lead and arsenic bioavailability using a physiologically based extraction test. Environmental Science & Technology, 1996, 30(2): 422–430

[21] Colombo C, Monhemius A J, Plant J A. Platinum, palladium and rhodium release from vehicle exhaust catalysts and road dust exposed to simulated lung fluids. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2008, 71(3): 722–730

[22] Gray J E, Plumlee G S, Morman S A, Higueras P L, Crock J G, Lowers H A, Witten M L. In vitro studies evaluating leaching of mercury from mine waste calcine using simulated human body fluids. Environmental Science & Technology, 2010, 44(12): 4782–4788

[23] Mukhtar A, Limbeck A. Recent developments in assessment of bio-accessible trace metal fractions in airborne particulate matter: a review. Analytica Chimica Acta, 2013, 774(8): 11–25

[24] USEPA. Standard operating procedure for an in vitro bioaccessibilityassay for lead in soil, EPA 9200; p. 1–86, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, 2008.

[25] Somlai J, Jobbágy V, Kovács J, Tarján S, Kovács T. Radiological aspects of the usability of red mud as building material additive. Journal of Hazardous Materials, 2008, 150(3): 541–545

[26] Ollson C J, Smith E, Scheckel K G, Betts A R, Juhasz A L. Assessment of arsenic speciation and bioaccessibility in mine-impacted materials. Journal of Hazardous Materials, 2016, 313: 130–137

[27] Xie Y J, Zhu J X. Leaching toxicity and heavy metal bioavailability of medical waste incineration fly ash. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2013, 15(4): 440–448

[28] Poggio L, Vrscaj B, Schulin R, Hepperle E, Ajmone Marsan F. Metals pollution and human bioaccessibility of topsoils in Grugliasco (Italy). Environmental Pollution, 2009, 157(2): 680–689

[29] Tian Z P, Zhang B R, He C J, Tang R Z, Zhao H P, Li F T. The physiochemical properties and heavy metal pollution of fly ash from municipal solid waste incineration. Process Safety and Environmental Protection, 2015, 98: 333–341

[30] Shoeib T, Rodriquez C F, Siu K W M, Hopkinson A C. A comparison of copper(I) and silver(I) complexes of glycine, diglycine and triglycine. Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3(5): 853–861

[31] Qin S, Wu B. Effect of self-glazing on reducing the radioactivity levels of red mud based ceramic materials. Journal of Hazardous Materials, 2011, 198(2): 269–274

[32] Akinci A, Artir R. Characterization of trace elements and radionuclides and their risk assessment in red mud. Materials Characterization, 2008, 59(4): 417–421

[33] Somlai J, Jobbágy V, Kovács J, Tarján S, Kovács T. Radiological aspects of the usability of red mud as building material additive. Journal of Hazardous Materials, 2008, 150(3): 541–545

[34] USEPA. Toxicity characteristic leaching procedure. USEPA Method 1311, SW-846 Test methods for evaluating solid waste, physical/chemical methods, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC. 1992

[35] USEPA. Multiple extraction procedure, Revision 0. USEPA Method 1320, Washington, DC. 1986

[36] USEPA. Extraction procedure (EP) toxicity test method and structural integrity test, Revision 2. USEPA Method 1310B, Washington, DC. 2004

[37] GB 5749–2006.Standards for drinking water quality. Beijing: Standards Press of China, 2007

[38] Davidovits J. Geopolymer chemistry and sustainable development. The poly (sialate) terminology: A very useful and simple model for the promotion and understanding of green-chemistry. Proceedings of the world Congress Geopolymer: France 2005, 9–15

Acknowledgements

This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No: 51378180), the Technology Department of the Henan Science and Technology Fund Project (No: 142102210457), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No: 30916014102).

Electronic Supplementary Material

Supplementary material is available in the online version of this article at and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg