Evaluation and development of passive sampling techniques on the basis of sediment samples from the Baltic and North Seas

Reininghaus, Mathias; Schäffer, Andreas; Schüttrumpf, Holger; Witt, Gesine

doi:HT021740646

Evaluation and development of passive sampling techniques on the basis of sediment samples from the Baltic and North Seas = Evaluierung und Entwicklung von passiven Probenahmetechniken auf der Grundlage von Sedimentproben aus der Ostsee und Nordsee

Reininghaus, Mathias^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von: Mathias Reininghaus Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Witt, Gesine (Thesis advisor) ; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-02099
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/951629/files/951629.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HOC (frei) ; PAHs (frei) ; PCBs (frei) ; partitioning coefficients (frei) ; passive sampling (frei) ; sediment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Mit beginnender Industrialisierung und in den darauffolgenden Jahrzehnten wurden und werden weiterhin zahlreiche Chemikalien in die Umwelt entlassen, deren Wirkungen, Verbreitung und Verbleib in der Umwelt weitestgehend unbekannt sind. Die aufgrund dieser unbekümmerten Herangehensweise notwendige Nachsorge, fördert auch Jahrzehnte nach deren entlassen in die Umwelt noch eine Vielzahl von Chemikalien in zahlreichen Umweltkompartimenten zutage. Diese Chemikalien reichern sich immer dort bevorzugt an, wo ihre chemisch-physikalischen Eigenschaften es begünstigen. Hydrophobe organische Chemikalien (HOCs) sind ubiquitär verteilt, bevorzugen jedoch eine Bindung an Partikel und lagern sich dadurch letztendlich, mit Hinblick auf die aquatische Umwelt, im Sediment ab. Im Sediment angekommen binden diese Schadstoffe dann entweder an die organischen Partikel oder sie lösen sich zu einem Teil in dem, die Partikel umgebenden, Porenwasser auf. Sowohl der Teil der Schadstoffe welcher sich frei gelöst in dem Porenwasser befindet als auch der Teil der Schadstoffe der sich weiterhin an Partikel gebunden hält, kann durch heutige Messverfahren nachgewiesen und quantifiziert werden. Insbesondere die frei gelöste Fraktion der HOCs stellt ein Risiko für diejenigen Organismen dar, die, wenn auch über Umwege, mit dem Sediment in Kontakt kommen. Vorkommen dieser frei gelösten Fraktion wurden in der hier vorliegenden Studie anhand zahlreicher Oberflächensedimente und zusätzlicher Sedimentkerne eingehend untersucht. Um die frei gelöste Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) und polychlorierter Biphenyle (PCBs) in Sedimenten bestimmen zu können, wurde eine Festphasen-Mikroextraktion (SPME) genutzt. Diese passive Probenahmetechnik ermöglicht, unter Zuhilfenahme vorhandener Verteilungskoeffizienten, die Bestimmung der Konzentrationen von Schadstoffen im Porenwasser von Sedimenten. Frei gelöste Konzentration (Cfree) von PAK und PCB wurden i) in Sedimentkernen der Ostsee (Kattegat) sowie dem Skagerrak, ii) in Oberflächensedimenten entlang der deutschen Ostseeküste, iii) in Oberflächensedimenten der Nordsee (deutsche AWZ und Wattenmeer), iv) in Oberflächensedimenten aus diversen Kanälen zwischen Deutschland und Frankreich (Paris) inklusive zahlreicher Proben aus dem Rhein sowie v) in Oberflächensedimenten aus dem Darß-Zingster-Bodden bestimmt. Hierbei wurden die Sedimente im Labor (ex-situ) und, wo möglich, ebenfalls im Feld (in-situ) untersucht. Durch einen eingehenden Vergleich beider Methoden konnten die jeweiligen Vor- und Nachteile herausgestellt werden. Darüber hinaus wurden für einige Proben zusätzlichen Parameter erhoben sowie für zahlreiche Sedimente die Konzentrationen an PAHs und PCBs im gesamten Sediment (Ctotal) bestimmt. Die durch diese Messungen gewonnenen Daten und die daraus berechneten Endpunkte geben einen bisher nicht dagewesenen, umfassenden Überblick über die Belastungssituation der Sedimente entlang der deutschen Küste von Nord- und Ostsee und darüber hinaus für zahlreiche Gewässerabschnitte zwischen Deutschland und Frankreich. Anhand dieser Daten konnten Belastungs-Hotspots und Belastungs-Unterschiede ausgemacht und der Beitrag der gemessenen HOCs zum toxischen Potenzial die Sedimente dargestellt werden. Um die Anwendung dieser vielversprechenden passiven Probenahmemethode weiter voranzutreiben, wurden schließlich zusätzliche Verteilungskoeffizienten für alkylierte PAKs bestimmt, die die Messung dieser wichtigen Schadstoffklasse mittels SPME ermöglichen.

During the course of industrialization and within the decades that followed, countless chemicals were and continue to be released into the environment whose effects, pathways and fate are largely unknown. The aftercare necessitated by this nonchalant approach continues to reveal a large number of these chemicals in numerous environmental compartments decades after their release into the environment. Chemicals tend to accumulate where their chemical-physical properties favor. Hydrophobic organic chemicals (HOCs) are ubiquitously distributed, but prefer to bind to particles and thus, when considering the aquatic environment, are accumulating within the sediment. In the sediment, these contaminants then either bind to the organic particles or partially dissolve in the pore water. Both the part of the pollutants that is in the pore water and the part of the pollutants that remains bound to particles can be detected and quantified by modern measurement methods. Particularly the freely dissolved fraction of the HOCs poses a risk to organisms that have contact with the sediment, albeit in an indirect way. This freely dissolved fraction or freely dissolved concentration (Cfree) has been investigated in detail within the present study through numerous surface sediments and additional sediment cores. In order to determine the freely dissolved concentration of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) in sediments, solid phase microextraction (SPME) was used. This passive sampling method, using known partition coefficients, allows the determination of concentrations of contaminants in sediment pore water. Freely dissolved concentrations (Cfree) of PAHs and PCBs were determined (i) in sediment cores from the Baltic Sea (Kattegat) and the Skagerrak, (ii) in surface sediments along the German Baltic Sea coast, (iii) in surface sediments from the North Sea (German EEZ and Wadden Sea), (iv) in surface sediments from various canals between Germany and France (Paris) including numerous samples from the Rhine, and (v) in surface sediments from the Darss-Zingst Bodden chain. The sediments were examined in the laboratory (ex-situ) and, if possible, in the field (in-situ). A detailed comparison of the two methods identified their respective advantages and disadvantages. In addition, supplementary parameters were determined on certain samples and the concentrations of PAHs and PCBs in the total sediment (Ctotal) were determined for multiple sediments. The data acquired through these measurements and the endpoints calculated from them provide an unprecedented comprehensive overview of the sediment contamination situation along the German coast of the North Sea and Baltic Sea and furthermore for numerous stretches of water between Germany and France. Using these data, contamination hotspots and variations could be identified and the HOC`s contribution to the total toxic potential of the sediments could be presented. Ultimately, to further advance the use of this prospective passive sampling method, additional partition coefficients for alkylated PAHs were determined enabling the measurement of these important pollutants via SPME.

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