As atividades antrópicas atreladas ao risco de contaminação dos recursos hídricos são uma crescente preocupação para as agências reguladoras, órgãos de saúde pública e para os profissionais que atuam na área. Em sistemas estuarinos, é comum o desenvolvimento de estudos objetivando o levantamento da fauna bentônica e dinâmica de nutrientes e contaminantes. Entretanto, estudos relacionados a impactos atribuídos a espécies químicas e suas interações no ambiente apresentam limitações relacionadas à determinação com rapidez e eficiência dos níveis encontrados em diferentes matrizes ambientais. Diante desta questão, nesta tese, foram propostas alternativas e estratégias analíticas para o preparo de amostras provenientes de sistemas estuarinos brasileiros (tecidos de peixes e moluscos bivalves) com foco na determinação de elementos traço, potencialmente tóxicos e tecnologicamente críticos. Os trabalhos desenvolvidos estão apresentados em quatro capítulos, incluindo a determinação (I) de Cd e Pb por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GF AAS) após preparo de amostra por extração com ácido fórmico; (II) de As, Cd, Cr, Co, Cu, Mn, Hg, Ni e V por espectrometria de emissão ótica com plasma induzido por micro-ondas (MIP OES) após pré-concentração via coprecipitação; e (III) de As e Cd por espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) após extração utilizando solvente eutético profundo natural (NADES). Por fim (IV), uma abordagem inovadora baseada em inteligência artificial foi aplicada para a seleção de padrões internos utilizados na quantificação de Cd, Pb, Sn e elementos do grupo da platina por ICP-MS. Nos métodos apresentados, os parâmetros de desempenho analítico foram avaliados, incluindo a exatidão, precisão e determinação de limites de detecção e quantificação. As vantagens e potencialidades foram apresentadas, com destaque as melhorias de sensibilidade e adequação aos limites estabelecidos por agências reguladoras, ganhos em simplicidade, rapidez e segurança. Além disso, o uso de reagentes alternativos e diluídos, estratégias de otimização multivariada, inteligência artificial e solventes seguros propiciaram a obtenção de métodos ambientalmente equilibrados, mais eficientes e alinhados aos princípios da Química Analítica Verde. Os trabalhos desenvolvidos dão suporte para aplicações analíticas alternativas mais rápidas, simples e confiáveis, e estudos ambientais podem ser beneficiados pelos avanços gerados nesta tese.