Influence of a chemical charge on the distribution and degradation of organic chemicals in water-sediment systems

• Einfluss einer chemischen Ladung auf die Verteilung und den Abbau organischer Chemikalien in Wasser-Sediment-Systemen

Holzmann, Hannah; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

(2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Einflusses einer chemischen Ladung auf die Verteilung und den Abbau organischer Chemikalien in Wasser-Sediment-Systemen und in Oberflächenwasser. Zu diesem Zweck wurden drei 14C-markierte Testsubstanzen verwendet, wobei 4-n-Dodecylbenzolsulfonsäure Natriumsalz (14C-DS-), 4-n-Dodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid (14C-DA+) und 4-n-Dodecylphenol (14C-DP) jeweils die anionische, kationische und nicht-ionische Testsubstanz darstellen. Die Testsubstanzen zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Ähnlichkeit des hydrophoben Molekülteils aus, wohingegen die Kopfgruppe eine negative (14C-DS-), positive (14C-DA+) bzw. keine (14C-DP) Ladung trägt. Mit diesen Substanzen wurden Simulationstests in Anlehnung an die OECD Testrichtlinien 308 (Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems) und 309 (Aerobic Mineralization in Surface Water - Simulation Biodegradation Test) durchgeführt. Das für die Studien verwendete Sediment und Oberflächenwasser wurden einem Regenrückhaltebecken in Aachen (Deutschland) entnommen. Das Verhalten von 14C-DS-, 14C-DA+ und 14C-DP in einem Wasser-Sediment-System wurde über eine Inkubationszeit von 120 Tagen untersucht. Das Sediment wurde mit verschiedenen Lösemitteln sequentiell extrahiert (CaCl2-Lösung, Methanol und Acetonitril). Das mit 14C-DA+ inkubierte Sediment wurde zusätzlich einer 24-stündigen Soxhlet-Extraktion mit Methanol unterzogen. Nach 120 Tagen betrugen die mineralisierten Anteile von 14C-DS- und 14C-DP jeweils 68% und 63% der applizierten Radioaktivität (AR). 14C-DA+ wurde in geringerem Maße mineralisiert (6% AR). Basierend auf der Mineralisationsrate und den Anteilen der Ausgangssubstanzen in den CaCl2-Exrakten wurde die direkte Bioverfügbarkeit bestimmt, die wie folgt abnahm: 14C-DS- > 14C-DP > 14C-DA+. 14C-DA+ bildete die höchsten Mengen an NER nach 120 Tagen (33% AR), gefolgt von 14C-DS- (19% AR) und 14C-DP (14% AR). Die Halbwertszeiten (DT50) nahmen wie folgt ab: 14C-DA+ (162 Tage) > 14C-DS- (22 Tage) > 14C-DP (14 Tage). Um den Einfluss unterschiedlicher Partikelgrößenfraktionen des Sediments auf den Abbau der Testsubstanzen zu untersuchen, wurden Simulationsstudien nach OECD 308 mit Sand, Schluff und Ton durchgeführt. Nach 14-tägiger Inkubation und unabhängig von der Partikelgrößenfraktion wurden höhere Mengen an 14C-DS- (45-60% AR) und 14C-DP (24-32% AR) mineralisiert im Vergleich zu 14C-DA+ (2-5% AR). Die direkte Bioverfügbarkeit der Testsubstanzen nahm in der gleichen Reihenfolge ab wie in dem Wasser-Sediment-System. In den Ansätzen mit der Sand- bzw. Schlufffraktion wurden die höchsten NER-Mengen von 14C-DS- gebildet (16% AR bzw. 18% AR), in den Ansätzen mit der Tonfraktion war der Anteil für 14C-DA+ mit 24% AR am höchsten. Der Oberflächenwassertest nach OECD 309 wurde als suspendierter Sedimenttest durchgeführt. Zusätzlich wurde der abiotische Abbau der Testsubstanzen unter sterilen Bedingungen untersucht. Hierzu wurde das Wasser autoklaviert und mit Natriumazid behandelt, das Sediment wurde γ-bestrahlt. Nach einer Inkubationszeit von 60 Tagen unter nicht-sterilen Bedingungen betrugen die mineralisierten Anteile von 14C-DS- und 14C-DP 63% bzw.58% AR, wohingegen nur 7% der AR im Falle von 14C-DA+ mineralisiert wurden. Unter sterilen Bedingungen war die Mineralisation der Testsubstanzen vernachlässigbar (< 0,1% AR). Die höchsten Mengen an NER konnten für 14C-DP beobachtet werden (21% AR), gefolgt von 14C-DA+ (14% AR) und 14C-DS- (9% AR). Unter sterilen Bedingungen lagen die nicht-extrahierbaren Anteile von 14C-DS-, 14C-DA+ und 14C-DP jeweils bei 0,1%, 5,5% und 0,6% AR. Die Halbwertszeiten nahmen wie folgt ab: 14C-DA+ (13 Tage) > 14C-DP (1.2 Tage) > 14C-DS- (1 Tag). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass das Schicksal organischer Chemikalien in aquatischen Sedimentsystemen von deren chemischen Ladung beeinflusst wird. Eine positive Ladung führt zu einem verminderten Abbau der Chemikalie im Wasser-Sediment-System und im Oberflächenwasser und erhöht deren Sorption an Sedimentpartikel. Die daraus resultierende höhere Persistenz der positiv geladenen Substanz spiegelt sich auch in deren Halbwertszeit wider, die im Vergleich zu der negativ geladenen und ungeladenen Chemikalie deutlich erhöht ist.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]