Katrin Schwab

Effect-directed identification of bioavailable toxic organic compounds in contaminated sediments

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 01.10.2008

Abstract
Die Wasserrahmenrichtlinie (WRR) fordert einen guten chemischen und ökologischen Status der europäischen Oberflächengewässer bis 2015. Eine Voraussetzung dafür ist die Zuordnung von chemischen Stressoren zu beobachteten Effekten. Das ist das, was normalerweise in einer wirkungsorientierten Analyse (EDA) gemacht wird. Aber Totalkonzentrationen, normalerweise die Basis einer EDA, liefern eine schlechte Vorhersage von der Gefahr und dem Risiko, was von einer Probe ausgeht, da eine bestimmte Fraktion der Schadstoffe am Sediment gebunden ist und daher nicht für die Aufnahme in Organismen zur Verfügung steht. Die TENAX®-Extraktionsmethode stellt eine Möglichkeit dar, um den bioverfügbaren Teil von sedimentgebundenen Schadstoffen einzufangen. Auf dieser Basis wurden drei Sedimente extrahiert und einer EDA zugeführt, bestehend aus chromatographischen Fraktionierungsschritten, biologischer Wirkungstestung mit der einzelligen Grünalge Scenedesmus vacuolatus als Testorganismus und einer chemischen Analyse der wirksamen Fraktionen. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Heterozyklen mit Sauserstoff und Schwefel, aber auch N-Phenyl-2-naphthylamin und 7H-Benzo[de]anthracen-7-one wurden als algentoxische Sedimentschadstoffe identifiziert. Eine Priorisierung der Standorte im Bezug auf das vorherrschende Risiko war möglich, da die Bioverfügbarkeit der Schadstoffe zwischen den Standorten deutlich unterschiedlich war. Ähnliche Totalkonzentrationen führten zu bioverfügbaren Konzentrationen, die deutlich unterschiedlich waren. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine Extraktionsmethode entwickelt wurde, um das Konzept der Bioverfügbarkeit in eine EDA einzuführen, um somit eine realistischere Risikoabschätzung von belasteten Standorten durchführen zu können.

On behalf of the Water Framework Directive (WFD) the chemical and ecological status of European water bodies should be improved until 2015 requiring the assignment of chemical stressors to observed effects. That is what is normally done in an Effect-Directed Analysis (EDA). But total concentrations, as basis of most EDA studies, are a poor predictor of hazard and risk since a certain fraction of sediment contaminants is bound at the sediment and thus not available for the uptake into organisms. The TENAX® extraction method is commonly used to trap the bioaccessible fraction of sediment-associated contaminants. Three sediment samples were bioaccessibility-directed extracted with the large volume TENAX® method and subjected to an EDA consisting of a chromatographically fractionation, biotesting with green algae Scenedesmus vacuolatus as test organism and a chemical analysis of the effective fractions to provide information about the identity and quantity of toxicants. Polycyclic aromatic hydrocarbons, heterocycles containing oxygen and sulphur as well as N-phenyl-2-naphthylamine and 7H-benzo[de]anthracen-7-one were identified as major algal toxicants. A prioritization of sampling locations according to posed risk was possible since the bioaccessibility of toxicants was significantly different for the selected hot spots. Similar total concentration results in bioaccessible concentrations that significantly deviate. In conclusion, a large volume extraction method was developed to introduce the concept of bioaccessibility into an Effect-Directed Analysis of sediments. The risk assessment on the basis of a bioaccessibility-directed extraction yielded a prioritization of sampling locations according to hazard rather than to total concentrations.

Keywords:
Wirkungsorientierte Analyse, Konfirmation, ICQ, TENAX®, Gefriertrocknung, Scenedesmus vacuolatus, Sediment, Bioverfügbarkeit, Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Effect-Directed Analysis, Confirmation, ICQ, TENAX®, Freeze-drying, Scenedesmus vacuolatus, Sediment, Bioaccessibility, Polycyclic aromatic hydrocarbons

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Table of Contents, List of Figures, List of Tabels, List of abbreviations
1 General introduction and objectives (1-4)
2 Effect-Directed Analysis of sediment-associated algal toxicants at selected hot spots in the river Elbe basin (5-23)
3 Large volume TENAX® extraction of the bioaccessible fraction of sediment-associated organic compounds for a subsequent Effect-Directed Analysis (24-39)
4 The influence of freeze-drying on the desorption of sediment associated contaminants (40-51)
5 Application of the large volume TENAX® method as basis of an Effect-Directed Analysis of contaminated sediments (52-68)
6 Experimental section (69-84)
7 Summary (85-87)
8 Reference List (88-97)
9 Appendix (98)
Veröffentlichungen