Development of a passive sampling method for the determination of hydrophobic organic pollutants in benthic organisms

Abstract

The North Sea is one of the most heavily used marine regions, resulting in pollution, which has a major impact on the Wadden Sea, a UNESCO World Heritage for its unique ecosystem. The environment of the Wadden Sea is characterised by the constant change of ebb and flood tides, which create different habitats with a wide range of species, such as the blue mussel Mytilus edulis and the lugworm Arenicola marina. Both organisms function as a food source for a wide range of species. Moreover, the lugworm prevents the sand flat from becoming a mud flat and the blue mussel is an important organism for preserving the water quality of the Wadden Sea. In these two benthic organisms, an accumulation of the pollutants can occur, caused by the type of food intake and living in sediments. Among the substances measured in the Wadden Sea, those having the properties persistence, bioaccumulation and toxicity are categorised as substances of very high concern, like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). In addition, the PAHs have an affinity to adsorb onto microplastic, a particle with hydrophobic property and a high surface to volume ratio. The blue mussel experiment shows, that microplastic acts as vehicle for PAHs. Other forms of pollutants occurring in the marine environment are pollutants, which are adsorbed onto sediments Csorbed, freely dissolved Cfree and in organisms Cbiota. To measure the Cfree available to the organisms, passive sampling can be used. The passive sampling technique is based on the equilibrium between the sample and the receiving phase. A glass fibre coated with polydimethylsiloxane (PDMS) is applied according to the principle of solid phase microextraction (SPME). The SPME involves bringing the sampling device into the sample, where the adsorption of pollutants onto the PDMS takes places. This technique has numerous advantages, like saving time and being cost and material efficient. In this present thesis, Cbiota is measured with this technique. The results show, that the passive sampling technique is suitable for benthic organisms based on great reliability and validity. With this technique, the chemical mixture influencing the benthic organism can be demonstrated. Moreover, statements about the distribution and bioaccumulation of the pollutants in organism can be made. Experiments show, that microplastic and PAHs accumulate more in the lugworms, than in the blue mussels. The substance indeno(123cd)pyrene, which exposes a non-volatile property due to its six benzene rings, is the substance with the lowest concentration measured in the lugworm samples. However, the substances with the highest concentrations measured in the lugworm samples were those with four or less rings, such as benzo[a]anthracene and fluoranthene.

Die Nordsee ist eine der am stärksten genutzten Meeresregionen. Dies führt zu Umweltverschmutzungen, die einen erheblichen Einfluss auf das Wattenmeer haben, welches aufgrund seines einzigartigen Ökosystems zum UNESCO-Weltkulturerbe zählt. Die Umwelt des Wattenmeeres ist durch den ständigen Wechsel von Ebbe und Flut gekennzeichnet, die unterschiedliche Lebensräume mit einer Vielzahl von Arten schaffen, wie die Miesmuschel Mytilus edulis und den Wattwurm Arenicola marina. Beide Organismen fungieren als Nahrungsquelle für eine Vielzahl von Arten. Darüber hinaus verhindert der Wattwurm, dass die Sandfläche zu Schlick wird während die Miesmuschel einen wichtigen Organismus zur Erhaltung der Wasserqualität des Wattenmeeres darstellt. In diesen beiden benthischen Organismen kann es bedingt durch ihre Nahrungsaufnahme und den Lebensraum zu einer Anreicherung von Schadstoffen kommen. Unter den Schadstoffen, die im Wattenmeer gemessen werden, werden jene, die persistent, bioakkumulativ und toxisch sind, als besonders besorgniserregend eingestuft, wie beispielsweise Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Zusätzlich haben die PAK eine Affinität zur Adsorption an Mikroplastik, ein Partikel mit hydrophoben Eigenschaften und einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Die Ergebnisse der Miesmuschel-Experimente zeigen, dass Mikroplastik als Vehikel für PAK fungiert. Die Schadstoffe können in der marinen Umwelt in verschiedenen Formen, in etwa adsorbiert an Sediment Cabsorbed, frei gelöst Cfree und in Organismen Cbiota vorkommen. Zur Messung der Cfree, der Konzentration, die den Organismen zur Verfügung steht, kann mit Passive Sampling gemessen werden. Diese Technik hat zahlreiche Vorteile, wie Zeitersparnis und Kosten- und Materialeffizienz. In dieser Arbeit wird Cbiota mit dieser Technik gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass Passive Sampling für benthische Organismen geeignet ist und dabei auf hoher Zuverlässigkeit und Validität beruht. Mit dieser Technik können chemische Gemische, die die benthischen Organismen beeinflussen, nachgewiesen werden. Darüber hinaus können Aussagen über die Verteilung und die Bioakkumulation der Schadstoffe in Organismen getroffen werden. Experimente zeigen, dass sich Mikroplastik und PAK in den Wattwürmern stärker ansammeln, als in den Miesmuscheln. Der Stoff Indeno(123cd)pyren wurde aufgrund seiner nichtflüchtigen Eigenschaft, welche durch die sechs Benzolringe entsteht, in den Wattwurmproben als niedrigste Konzentration gemessen. Bei den Substanzen mit den höchsten gemessenen Konzentrationen in den Wattwurmproben, handelt es sich um Substanzen mit vier oder weniger Benzolringen, wie Benzo[a]anthracen und Fluoranthen.