Application of a core sampling methodology and a mechanistic model to examine the spatial distribution of non-ionized organic compounds in sediment microcosms

Dorn, Alexander; Hollert, Henner (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die regulatorische Wassersediment Risikobeurteilung von Pestiziden wurde in den letzten Jahren kontrovers diskutiert. Je nach Studientyp kann einerseits das ökotoxikologische Potential von Pestiziden auf Sedimentorganismen untersucht werden. Andererseits gibt es Studientypen, welche die Transformation und Degradation von Pestiziden in Wassersedimenttestsystemen untersuchen. Die Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit identifizierte hierzu unter anderem eine Wissenslücke, welche sich auf die Auswertung von ökotoxikologischen Studien bezog. Denn die erhobenen toxikologischen Endpunkte beruhen auf der Annahme, dass die Testorganismen und Substanzen gleichmäßig im Sediment verteilt sind. Allerdings halten sich Testorganismen wie Chironomus riparius bevorzugt in der obersten Sedimentschicht auf, aufgrund von günstigeren Lebensbedingungen. Gleichzeitig ist es erwiesen, dass Testsubstanzen mit lipophilen Eigenschaften an der der obersten Sedimentschicht adsorbieren, wenn Sie in das Oberflächenwasser gegeben wurden. Diese räumlichen Unterschiede werden auch nicht in Studien untersucht, welche die Transformation von Pestiziden untersuchen, sodass die Verteilung von Transformationsprodukten und deren Entstehungsbedingungen nicht aufgeklärt werden. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es das räumlich-zeitliche Verhalten dreier Modelsubstanzen in unterschiedlichen Wassersediment Testsystemen unter Einsatz einer speziell entwickelten Sedimentkern-Probenahmetechnik zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit simulierten Ergebnissen eines entwickelten TOXSWA Models verglichen, um somit ein besseres mechanistisches Verständnis vom Transport der Modelsubstanzen innerhalb der Sedimentphase zu erhalten. Dadurch soll der Einfluss unterschiedlicher Adsorptionseigenschaften der Modelsubstanzen und der organischen Masse der Sedimente auf die Diffusion herausgestellt werden. Die Modelsubstanzen wurden anhand ihrer Adsorptionseigenschaften ausgewählt. Es handelt sich um Bixafen (KfOM: 2244 L kg-1), Fluopyram (KfOM: 161 L kg-1) und N,N-dimethylsulfamid (KfOM: 0 L kg-1). Die Probenahmetechnik wurde in Wassersediment Testsystemen gemäß OECD 218 (Sediment-Water Chironomid Toxicity Using Spiked Sediment), OECD 219 (Sediment-Water Chironomid Toxicity Using Spiked Water) und OECD 308 (Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems) eingesetzt, um das räumlich-zeitlich Verhalten der Modelsubstanzen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Eintragspfade und Wasser/Sediment Verhältnisse zu untersuchen. Jede der Studien wurde mit künstlichen, aber auch mit zwei natürlichen Wassersedimenten durchgeführt. Das künstliche Sediment bestand aus ca. 3% organischer Masse und wurde als sandiger Lehm klassifiziert. Das natürliche Sediment von der Wiehltalsperre hatte ca. 13% organische Masse und wurde als lehmiger Schlick eingeordnet, wobei das natürliche Sediment vom Anglersee einen geringen Anteil organischer Masse enthielt (ca. 0.3%) und sandig war. In den OECD 218 ("spiked sediment") Studien in denen das Sediment behandelt wurde, migrierte die nicht adsorbierende Modelsubstanz N,N-dimethylsulfamid größtenteils (50 - 80%) von der Sedimentphase in das Oberflächenwasser innerhalb weniger Tage. Aufgrund der moderaten Adsorptionseigenschaften von Fluopyram vollzog sich der Massentransfer vom Sediment in das Oberflächenwasser langsamer. Allerdings konnten Unterschiede in den verschiedenen Sedimenten offenbart werden. In den Studien mit dem künstlichen und dem lehmig schlickigen Sediment offenbarte sich ein stufenartiges Verteilungsmuster der Substanz. Die Konzentration von Fluopyram stieg mit zunehmender Tiefe (exemplarisch von oben bis unten: 91.6, 96.4 und 100.2 µg L-1 totale Konzentration). Allerdings konnte Fluopyram größtenteils (50 - 60%) vom sandigen Sediment in das Oberflächenwasser gelangen, was durch die geringe organischen Masse des sandigen Sediments bedingt wurde und zu einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung innerhalb des Sediments führte. Das stark adsorptive Bixafen zeigte in den Studien mit künstlichem und lehmig schlickigem Sediment keinen ausgeprägten Massentransfer und eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung, wobei der Massentransfer in den Studien mit sandigem Sediment deutlich ausgeprägter war und in einer ungleichmäßigen Konzentrationsverteilung resultierte (exemplarisch von oben bis unten: 134.9, 155.3 und 166.3 µg L-1 totale Konzentration). Der Einfluss der Adsorptionsaffinität der Modelsubstanzen und der organischen Masse der Sedimente auf die Verteilung und Mobilität der Modelsubstanzen zeigte sich auch bei den "spiked water" Studien in denen das Oberflächenwasser behandelt wurde (OECD 219&308). Während N,N-dimethylsulfamid ohne Retardation durch die gesamte Sedimentphase aller eingesetzten Sedimente diffundierte, tendierten Fluopyram und Bixafen zur Adsorption an der Sedimentoberfläche bzw. in der obersten Sedimentschicht. Aufgrund der organischen Masse des künstlichen und lehmig schlickigen Sediments blieb der daraus resultierende Konzentrationsgradient von Fluopyram bestehen (exemplarisch von Oben bis Unten: 9.3, 6.1 und 3.1 µg L-1 totale Konzentration)., während dieser im sandigen Sediment nicht über die Testdauer erhalten blieb. Bedingt durch die starke Adsorptionsaffinität von Bixafen blieb das von der obersten Sedimentschicht ausgehende Konzentrationsgefälle über die gesamte Testdauer bestehen. Die Dissipation der Wirkstoffe wurde ebenfalls von den Adsorptionseigenschaften und der organischen Masse bestimmt, entsprechend wies Bixafen im lehmig schlickigen Sediment die kürzeste Dissipationshalbwertszeit auf. Bedingt durch das kleinere Oberflächenwasservolumen in den OECD 219 Testsystemen waren die Dissipationshalbwertszeiten kürzer als die in den korrespondierenden OECD 308 Testsystemen. Die experimentellen und simulierten Ergebnisse zeigten eine gute Übereinkunft in allen Studien. Die Sedimentkernprobenahme und das zugehörige TOXSWA Model können im Rahmen der Sedimentrisikobeurteilung zur Aufklärung der Expositionskonzentration und des räumlich-zeitlichen Verhaltens von Testsubstanzen eingesetzt werden. Es wurde gezeigt, dass Diffusion retardiert durch Adsorption der relevante Transportprozess ist. Gleichzeitig konnte das TOXSWA Model auch zur Bestimmung der Dissipationsdauer angewandt werden und liefert eine mechanistische Erklärung für biphasische Dissipationskinetik.

Einrichtungen

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