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; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Witt, Gesine (Thesis advisor); Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

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.

Einrichtungen

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