Screening, quantitative analysis and toxicology of organic compounds in sediments and suspended particulate matter of the Saar and the Rhine (Germany)

Abstract

River sediments and suspended particulate matter (SPM) are sinks as well as secondary sources for nonpolar organic compounds that might pose a risk to aquatic ecosystems’ goods and services. Sources of these pollutants are for example wastewater treatment plants effluents or direct discharges as well as dry and wet atmospheric deposition. Surface run-off of contaminated soils and dust from streets are other important origins. The particularly bound substances with different physical and chemical properties are constrained to partitioning processes between the solids and the water phase. Hence, they might get bioavailable and thus pose an ecotoxicological risk for water organisms. During flood events, contaminated sediments could be remobilized and transported to riparian lands. Consequently, there are concerns regarding risks for terrestrial ecosystems’ goods and services. In the first part of this thesis, sediments and SPM samples of the Saar and the Rhine were investigated regarding organic compounds using target, suspect and nontarget screening analysis with gas chromatography – mass spectrometry (GC-MS). Sediment core and suspended particulate matter samples were collected at representative sampling sites along the both rivers. This study was conducted, among other things, to improve information regarding nonprioritized organic compounds in sediments and suspended particulate matter of the Saar and the Rhine. In the second part, the extractability and potential toxicity of particularly bound organic compounds was investigated. Sediment samples from the Saar as well as the Elbe and the Bílina in Czech Republic was extracted with different exhaustive and biomimetic extraction approaches. Soxhlet, ultrasonic and accelerated solvent extraction as well as membrane dialysis extraction were used as exhaustive methods. Extractions with Tenax®-TA as well as mixtures of water with methanol or 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin were applied as biomimetic approaches. The main objective of these investigations was the generation of comprehensive knowledge concerning the relationship between the physical-chemical properties of compounds and sediments as well as extractability and resulting toxicity. Recommendations for the integrated risk assessment of sediments including exhaustive extraction as well as biomimetic methods and dosing were compiled. In the third part, potentially adverse effects of contaminated sediments and SPM for riparian lands were investigated. A main aim was the investigation of two exposition pathways in the contact tests – native sediment versus acetonic extract. Effect-directed analysis was used to examine selected soil and SPM samples regarding effect potentials in vitro and to unravel responsible compound classes or substances, respectively.

Fluviale Sedimente und Schwebstoffe bilden sowohl eine Senke als auch eine sekundäre Quelle für hydrophobe organische Verbindungen mit ökotoxikologischem Potential. Der Eintrag dieser Substanzen in die Gewässer erfolgt beispielsweise durch Klär- und Direkteinleitung, trockene und nasse atmosphärische Deposition, oder den Eintrag von Bodenpartikeln und Oberflächenabfluss bei Niederschlagsereignissen. Die partikulär gebundenen Stoffe mit unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften können aufgrund von Verteilungsprozessen zwischen Sediment bzw. Schwebstoff und der Wasserphase für Wasserorganismen verfügbar werden und bilden damit ein ökotoxikologisches Gefährdungspotential. Während Flutereignissen besteht die Gefahr, dass belastete Sedimente remobilisiert und diese in Auengebiete eingetragen werden, somit die Besorgnis einer Gefährdung terrestrischer Schutzgüter besteht. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der chemischen Analyse und Identifizierung von organischen Verbindungen in Sedimenten und Schwebstoffen des Rheins und der Saar. An verschiedenen repräsentativen Standorten des Rheins und der Saar wurden Sedimentkerne mit einem Gefrierkernverfahren bzw. einem Kernstechverfahren sowie Schwebstoffe gewonnen. Diese Studie wurde unter anderem durchgeführt, um die Datenlage hinsichtlich nichtregulierter organischer Substanzen in Sedimenten und Schwebstoffen der Saar und des Rheins zu verbessern. Der zweite Teil dieser Arbeit umfasste die Frage nach der Extrahierbarkeit und potentiellen Toxizität partikulär gebundener organischer Verbindungen. Sedimentproben wurden mit unterschiedlichen erschöpfenden und nichterschöpfenden Extraktionsverfahren (Soxhlet-, Ultraschall- und Beschleunigte Lösungsmittelextraktion, Membran- Dialyse-Extraktion sowie Extraktion mit dem Polymer TENAX®-TA und Methanol- bzw. 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin-Wassergemischen). Das Ziel dieser Untersuchung war es unter der Anwendung chemischer und bioanalytischer Methoden neue Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen Extrahierbarkeit, Stoff- und Sedimenteigenschaften und resultierender Sedimenttoxizität zu erlangen. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen für eine umfassende Risikobewertung von Sedimenten unter der Berücksichtigung von Verfahren zur Bestimmung des bioverfügbaren Anteils abgeleitet sowie weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt. Der dritte Teil dieser Abhandlung untersucht potentielle adverse Effekte des Eintrages von Schwebstoffen und remobilierten Sedimenten des Rheins in ein Auengebiet am Oberrhein. Ein wichtiger Aspekt war die Untersuchung unterschiedlicher Expositionspfade in Sediment- bzw. Bodenkontakttests (natives Sediment versus acetonischer Extrakt). Desweiteren wurden ausgewählte Proben einer wirkungsorientierten Analytik unterzogen um biologische Effekte in vitro zu untersuchen sowie für die Effekte verantwortlichen Substanzklassen bzw. Verbindungen zu identifizieren.