Consideration of bioavailability in the effect directed analysis of contaminated sediment samples

Bandow, Nicole; Hollert, Henner

doi:3726

Consideration of bioavailability in the effect directed analysis of contaminated sediment samples = Berücksichtigung der Bioverfügbarkeit in der wirkungsorientierten Analytik von belasteten Sedimenten

Bandow, Nicole

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nicole Bandow

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIX, 104 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hollert, Henner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37261
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64598/files/3726.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Umwelttoxikologie (Genormte SW) ; Grünalgen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Wirkungsorientierte Analytik (frei) ; Sedimentschadstoffe (frei) ; nd-SPME (frei) ; sediment contaminants (frei) ; green algae (frei) ; effect-directed analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Berücksichtigung der Bioverfügbarkeit in der Wirkungsorientierten Analytik (EDA) von belasteten Sedimentproben. Die EDA ist in den letzen Jahren erfolgreich angewendet worden, um Schlüsselschadstoffe in Umweltproben zu identifizieren. Eine der größten Herausforderungen der EDA ist die Veränderung der Bioverfügbarkeit der Substanzen durch die Verwendung von Gesamtextrakten von Sedimenten und die damit einhergehende Veränderung der relativen Toxizität der Sedimentinhaltsstoffe. Dies kann zu einer fehlerhaften Priorisierung von Fraktionen und Substanzen führen. Die Gleichgewichtsverteilungstheorie wird häufig verwendet, um Bioverfügbarkeit abzuschätzen. Um die Verteilung zwischen dem Sediment und der umliegenden wässrigen Phase zu simulieren, wurde eine verteilungsbasierte Dosierungstechnik entwickelt. Selbst gefertigte Magnetrührstäbe aus Silikon wurden hinsichtlich ihrer Anwendung im Algenwachstumshemmtest mit der Grünalge Scenedesmus vacuolatus untersucht. Dazu wurden ausgewählte Modellsubstanzen verwendet, die eine Vielzahl von unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften abdecken. Die Ergebnisse zeigen, dass die Magnetrührstäbe eine hohe Beladekapazität und eine schnelle Gleichgewichtseinstellung haben. Die kontinuierliche Nachlieferung von Testsubstanzen, deren freie gelöste Konzentration durch z.B. Adsorption an Gefäßwänden sinkt, führt zu konstanten Konzentrationen und guten Dosiswirkungsbeziehungen im Biotest. Um die Konzentrationen in der wässrigen Phase während des Biotest messen und verfolgen zu können, wurde eine Festphasenmikro-extraktionsmethode (SPME) entwickelt und validiert. Diese Extraktion ist nicht erschöpfend und verändert daher die Konzentrationen in der Probe nicht. Die Bestimmungsgrenzen liegen weit genug unter den EC50 Konzentrationen für diesen Biotest und erlauben damit die Messung der realen Expositionskonzentrationen über den ganzen Konzentrationsbereich der Dosiswirkungskurven. Die Anwesenheit der Algen hat keinen messbaren Effekt auf die Konzentrationsmessung. Biologische Ablagerungen oder die Beeinflussung der Aufnahmekinetik in die SPME durch die Anwesenheit einer zweiten absorbierenden Phase (Algen) spielen bei diesem Testdesign offensichtlich keine Rolle. Die SPME Methode wurde auch dazu verwendet, um Verteilungskoeffizienten zwischen Algen und dem Nährmedium zu bestimmen. Beide hier entwickelten Methoden wurden in der EDA von Sedimentproben angewendet. Sedimentproben von drei stark belasteten Standorten im Elbeeinzugsgebiet wurden extrahiert und mit einer Hilfe einer mehrstufigen Normalphasen HPLC Methode fraktioniert. Die so gewonnen Fraktionen wurden im Algentest entweder konventionell mit Dimethylsulfoxid (DMSO) als Lösungsvermittler oder mit der neu entwickelten verteilungsbasierten Methode mit Magnetrührstäben dosiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art der Dosierung einen großen Einfluss auf die Priorisierung der Fraktionen hat und dass die Unterschiede zwischen den Dosierungstechniken größer sind als zwischen den Proben. Die Verwendung von DMSO führt zur Priorisierung der Fraktionen, die mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) sowie derjenigen, die mit polaren Substanzen ko-eluieren. Dagegen sind bei Verwendung der Magnetrührstäbe nur noch die Fraktionen mit polareren Substanzen entscheidend. Aus den drei Sedimentproben wurde eine aus einem Zufluss der Elbe für weitere Fraktionierungsschritte ausgewählt und mit Umkehrphasen HPLC als zweitem Fraktionierungsschritt weiter aufgetrennt. Subfraktionen, welche die höchste Wachstumshemmung im Algentest hervorriefen, wurden mit Hilfe von GC-MS sowohl quantitativ als auch qualitativ analysiert. Die chemische Identität wurde mit Standards verifiziert. Die biologische Wirkung wurde mit Hilfe von künstlichen Mischungen bestätigt, die in ihrer Zusammensetzung und Konzentration den Subfraktionen entsprachen. Bei Dosierung mit DMSO wurden PAKs und Hexadecanol als Schlüsselschadstoffe identifiziert, während bei verteilungsbasierter Dosierung mit Magnetrührstäben polarere Substanzen wie z.B. Triclosan und Benz[c]acridin die Toxizität dominieren. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit EDA Studien unter realistischeren Bedingungen durchzuführen, um diejenigen Substanzen zu identifizieren, die in der Umwelt die größten Gefährdungspotentiale zeigen.

The scope of the presented PhD thesis is on the incorporation of bioavailability into effect directed analysis (EDA) of contaminated sediment samples. EDA has been successfully applied in the last years to identify key toxicants in environmental samples. One of the major challenges in EDA is how to consider bioavailability of investigated chemicals. By using crude sediment extracts and solvent dosing the ecotoxicological effects may be overestimated and prioritisation of fractions may be biased. The equilibrium approach is often used for bioavailability estimation. A new dosing technique has been developed to simulate the partitioning between sediment particles and the surrounding aqueous phase. Costumer made stirrer bars (SR) consisting of poly(dimethylsiloxane) were suggested as a novel tool and evaluated for the application in a cell multiplication inhibition test with green algae Scenedesmus vacuolatus using a set of model compounds covering a broad range of physico-chemical properties. The SRs have been shown to have a high loading capacity and in general a fast achievement of equilibrium. This subsequent delivery compensates for possible losses due to e.g. adsorption or evaporation and leads to constant concentrations. Good dose-response curves were achieved using this method. To measure and monitor the aqueous concentration during the bioassay a pre-equilibrium solid phase extraction (SPME) method was developed and validated. This method is non depletive and thus does not change the concentration in the sample. Evaluation of the limit of detection (LOQ) confirms that sufficiently low concentrations compared to EC50 concentrations observed in the algae assay can be measured. The presence of the algae has no observable overall effect on the concentration measurements. Therefore, bio fouling of the SPME fibers and enhanced uptake kinetics due to the presence of another strong adsorbing phase (algae) do not play an important role in this system. This SPME method was also used for determination of algae growth medium partition coefficients. The two developed methods were applied in EDA studies of contaminated sediment samples. The sediment extracts from hot spots from the Elbe River basin were fractionated using a multistep normal phase HPLC method. The fractions were dosed to the algae assay either by conventional solvent dosing via dimethylsulfoxid (DMSO) or by using the partition based dosing method using SR. The results reveal that the consideration of the bioavailability has a strong influence on the prioritization of fractions and that the differences between the three sediment samples is less pronounced than between the two dosing techniques. Dosing with DMSO identifies mainly fractions, in which polyaromatic hydrocarbons (PAHs) and more polar compounds are expected to elute, as most toxic fractions, while for dosing with SRs the fractions co-eluting with polar compounds are the most toxic ones. From the three sediments one from a tributary from the Elbe River was chosen. As second fraction step a reversed phase HPLC was used to fractionate the most toxic fraction from the first step. Sub-fractions showing highest toxicity in the bioassay with green algae were analyzed by GC-MS. The identity of the compounds was confirmed with pure standards. Effect confirmation was based on the effects of artificial mixtures with the same composition and concentrations as the sub-fractions. For DMSO dosing PAHs and hexadecanol were confirmed as toxicants, while for the new dosing technique more polar compounds as e.g. triclosane and benz[c]acridine were confirmed. These results support the need for increasing environmental realism in EDA to identify those toxicants that pose major hazards.

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