An approach for assessment of waterborne bioavailable organic contaminants using Semipermeable Membrane Devices (SPMDS)

• Autorzy: Pazdro K.

Warianty tytułu

PL

Próba wyznaczenia stężeń organicznych, bio-przyswajalnych zanieczyszczeń w wodzie przy zastosowaniu syntetycznych błon półprzepuszczalnych (SPMD)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A large amount of anthropogenic, organic pollutants has entered the global aquatic environment during the past decades. Many of them, like polycyclic aromatic hydrocarbons, pesticides, polichlorinated biphenyls and dioxins are considered to be hazardous to the environment. Their mobility through air and water, accumulation and/or transformation processes in the environment and finally their biomagnification, constitute a real risk to human health, wildlife and the environment [1,31]. Most of organic micropollutants are hydrophobic and biochemically resistant that cause the compounds bioconcentrate in the fatty tissues of organisms. Knowledge of the potential bioavailability of a pollutant, present in the environment is essential for ecosystem risk assessment and further effects studies [11,34]. This has induced many countries to promote monitoring programs and stepwise evaluation processes. Limitations in nearly all currently employed techniques and analytical methodology impede comprehensive exposure assessments. These limitations include the use of single point in time sampling methods, analytical methods having insufficient sensitivity to determine trace levels of contaminants in water. Bivalve mollusks have been recommended by many as the most suitable monitoring organisms for bioaccumulation of trace contaminants in fresh, marine and estuarine waters [11]. Programs such as the National Oceanic and Atmospheric Administration's National Status and Trends program [19,33] exemplify the utility of this approach to pollutant monitoring. However, monitoring with mussels often encounters some problems, like natural anatomical and behavioral variability of indigenous populations and mortality of organisms in many harsh environments [13]. To avoid these problems, interest in the use of in situ passive sampling approach for assessing environmental pollutant exposure has increased world-wide. By far the most commonly used passive sampler is semipermeable membrane device (SPMD), first described by Huckins et al., [14]. The objectives of this study are to present the theoretical background of organic contaminants sampling by SPMDs. A field study, undertaken in Atlantic coastal waters of France exemplifies a practical application of SPMDs. The field experiment aimed to compare the occurrence and individual PAHs distribution in SPMDs and in the co-deployed mussels, Mytilus galloprovincialis as well as to estimate the ambient water PAH concentrations from the SPMD results.

PL

Jednym z głównych problemów dotyczących losu organicznych zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska przez człowieka, jest określenie ich potencjalnej przyswajalności przez organizmy żywe. Rzetelne oszacowanie poziomów stężeń w otaczającym środowisku jak również ich specjacji jest konieczne do wyjaśnienia mechanizmów wpływu zanieczyszczeń organicznych na funkcjonowanie ekosystemu jak również do określenia zależności pomiędzy zanieczyszczeniami rozpuszczonymi w kolumnie wody a realną ekspozycją organizmów. W ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania zastosowaniem pasywnych technik pomiarów "in situ". Jedną z najbardziej obiecujących technik w przypadku zanieczyszczeń organicznych jest zastosowanie SPMD - syntetycznych błon półprzepuszczalnych wypełnionych neutralnym lipidem, opracowanych przez Huckinsa i wsp. W ramach publikacji opisano teoretyczne założenia działania SPMD i oraz zagadnienia dotyczące kinetyki pobierania zanieczyszczeń przez SPMD. Eksperyment przeprowadzony w morskich wodach przybrzeżnych ilustruje praktyczne zastosowanie syntetycznych błon półprzepuszczalnych w badaniach środowiskowych. SPMDs oraz małże z gatunku Mytilus galloprovincialis zostały umieszczone równolegle w toni wodnej w celu określenia bioprzyswajalnej frakcji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) rozpuszczonych w wodzie. Jednocześnie pobrano duże objętości wody w celu zmierzenia stężeń WWA w wodzie. Wyniki przeprowadzonego eksperymentu wykazały że zarówno SPMDs jak i małże efektywnie zatężały związki z grupy WWA o szerokim zakresie polarności i mas cząsteczkowych. Całkowite stężenie WWA w małżach i w SPMD kształtowało się na podobnym poziomie. Pomimo różnic w przypadku pojedynczych związków wykazano, że stężenie WWA w małżach można określić na podstawie stężenia w SPMD stosując równania regresji liniowej. Na bazie stężeń WWA w SPMD oszacowano stężenia w otaczającej wodzie i porównano ze stężeniami zmierzonymi. Szacowanie na podstawie stężeń w SPMD pozwoliło na określenie stężeń WWA, niewykrywalnych klasyczną metodą ekstrakcji na żywicy typu XAD. Przeprowadzony eksperyment potwierdził możliwość stosowania syntetycznych błon półprzepuszczalnych jako wiarygodnego narzędzia monitorowania poziomów zanieczyszczeń organicznych oraz badania ich bioprzyswajalności w środowisku morskim.

Słowa kluczowe

PL

syntetyczne błony półprzepuszczalne; SPMD; stężenia organiczne; zanieczyszczenia wody

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2002
• Tom: Tom 4
• Strony: 189--205
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz.,

Twórcy

autor

Pazdro K.

• Institute of Oceanology, Polish Academy of Sciences, Sopot, Poland

Bibliografia

• 1. Alexander M.: Aging, Bioavailability of Overestimation of Risk from Environmental Pollutants. Environ.Sci.Technol., 34, 20, pp 4259-4265, 2000.
• 2. Axelman J., Naes K, Naf C, Broman D.: Accumulation of polycyclic aromatic hydrocarbons in semipermeable membrane devices and caged mussels (Mytilus edulis). In relation to water phase distribution. Environ. Toxicol. Chem. 18, pp 2454-2461, 1999.
• 3. Baumard P., H.Budzinski, P.Garrigues: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sediments and Mussels of the Western Mediterranean Sea. Environ.Toxicol.Chemistry, 17, 5, 765-776. 1998.
• 4. Bennett, E.R., Metcalfe, T.L., and Metcalfe, C.D.: Semi-permeable Membrane Devices (SPMDs) for Monitoring Organic Contaminants in the Otanabee River, Ontario. Chemosphere 33, pp. 363-375, 1996.
• 5. Bergqvist, P.-A., Strandberg, B., Ekelund, R., Rappe, C., and Granmo, A.: Temporal Monitoring of Organochlorine Compounds in Seawater by Semipermeable Membranes Following a Flooding Episode in Western Europe. Environmental Science & Technology 32, pp. 3887-3892, 1998.
• 6. Booij, K., Sleiderink, H.M., and Smedes, F.: Calibrating the Uptake Kinetics of Semipermeable Membrane Devices using Exposure Standards. Environmental Toxicology and Chemistry 17, pp. 1236-1245, 1998.
• 7. Chambers D.: Semipermeable membrane devices used to estimate bioconcentration of polychlorinated biphenyls. Journal AM.Water Ressources Association. 35, 1, pp. 143-153, 1999.
• 8. Cleveland L., E.Little, J.D.Petty, B.T.Johnson, J.A.Lebo, C.E.Orazio, J.Dionne, A.Crockett: Toxicological and chemical screening of Antarctica Sediments: use of whole sediment toxicity tests, Microtox, Mutatox and semipermeable membrane devices (SPMDs). Mar.Pollut.Bull. 34 (3), pp. 194 – 202, 1997.
• 9. Chiou C.T.: Partitioning coefficients of organic compounds in lipid-water systems and correlations with fish bioconcentration factors. Environ.Sci. Technol., 19, pp. 57-62, 1985.
• 10. Ellis, G.S., Huckins, J.N., Rostad, C.E., Schmitt, C.J., Petty J.D., and MacCarthy, P.: Evaluation of Lipid-Containing Semipermeable Membrane Devices (SPMDs) for Monitoring Organochlorine Contaminants in the Upper Mississippi River. Environmental Toxicology and Chemistry 14, pp. 1875-1884, 1995.
• 11. Farrington J.W.: Biogeochemical Processes Governing Exposure and Uptake of Organic Pollutant Compounds in Aquatic Organisms. Environmental Health Perspectives, 90, pp. 75-84, 1991.
• 12. Herve, S., Prest, H.F., Heinonen, P., Hyötyläinen, T., Koistinen, J., and Paasivirta, J.: Lipid-filled Semipermeable Membrane Devices and Mussels as Samplers of Organochlorine Compounds in Lake Water. Environmental Science & Pollution Research 2, 24-30, 1995.
• 13. Hofelt, C.S. and Shea, D.: Accumulation of Organochlorine Pesticides and PCBs by Semipermeable Membrane Devices and Mytilus edulis in New Bedford Harbor. Environmental Science & Technology 31, pp. 154-159, 1997.
• 14. Huckins, J.N., Tubergen, M.W., and Manuweera, G.K.: Semipermeable Membrane Devices Containing Model Lipid: A New Approach to Monitoring the Availability of Lipophilic Contaminants and Estimating their Bioconcentration Potential. Chemosphere 20, pp. 533-552, 1990.
• 15. Huckins, J.N., Manuweera, G.K., Petty, J.D., Mackay, D., and Lebo, J.A.: Lipid-Containing Semipermeable Membrane Devices for Monitoring Organic Contaminants in Water. Environmental Science & Technology 27, pp. 2489-2496, 1993.
• 16. Huckins, J.N., Petty, J.D., Orazio, C.E., Lebo, J.A., Clark, R.C., Gibson, V.L., Gala, W.R., and Echols, K.R.: Determination of Uptake Kinetics (Sampling Rates) by Lipid-Containing Semipermeable Membrane Devices (SPMDs) for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Water. Environmental Science & Technology 33, pp. 3918-3923, 1999.
• 17. Lebo, J.A., Gale, R.W., Petty, J.D., Tillitt, D.E., Huckins, J.N., Meadows, J.C., Orazio, C.E., Echols, K.R., Schroeder, D.J., and Inmon, L.E.: Use of the Semipermeable Membrane Device (SPMD) as an In Situ Sampler of Waterborne Bioavailable PCDD and PCDF Residues at Sub-Part-Per-Quadrillion Concentrations. Environmental Science & Technology 29, pp. 2886-2892, 1995.
• 18. MacRae, J.D. and Hall, K.J.: Comparison of Methods Used to Determine the Availability of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons on Marine Sediment. Environmental Science & Technology 32, pp. 3809-3815, 1998.
• 19. Martin M, Richardson B.J.: Long-term contaminant biomonitoring: views from Southern and Northern hemisphere perspectives. Mar.Poll.Bull.22, 533-537. 1991.
• 20. Meadows, J.C., Echols, K.R., Huckins, J.N., Borsuk, F.A., Carline, R.F., and Tillitt, D.E.: Estimation of Uptake Rate Constants for PCB Congeners Accumulated by Semipermeable Membrane Devices and Brown Trout (Salmo trutta). Environmental Science & Technology 32, pp. 1847-1852, 1998.
• 21. Oeckenden W.A., Steinnes E., Parker C., Jones K.: Observations on Persistent Organic Pollutants in Plants: implications for their use as passive air samplers and for POP cycling. Environ. Sci.Technol. , 32, pp. 2721-2726, 1998.
• 22. Opperhuizen A., Velde E., Gobas F., Liem D., Steen J.: Relationship between bioconcentration in fish and steric factors of hydrophobic chemicals. Chemopshere 14, pp. 1871-1896, 1985.
• 23. Pazdro K. Tronczyński J.: Developpement de capteurs pour le suivi de la contamination chimique et de la biodisponibilite des contaminants organiques en milieu marin cotier. Report IFREMER No 03/2001, pp 32, 2001.
• 24. Pazdro K., Moisan K., Tronczyński J.: Assessment of Bioavailable Polycycling Aromatic Hydrocarbons in French Coastal Waters: Mussels and Semipermeable Membrane Devices Approach, Chemosphere, in press, 2002.
• 25. Petty, J.D., Huckins, J.N., Martin, D.B., and Adornato, T.G.: Use of Semipermeable Membrane Devices (SPMDs) to Determine Bioavailable
• Organochlorine Pesticide Residues in Streams Receiving Irrigation Drainwater. Chemosphere, 30, pp. 1891-1903, 1995.
• 26. Petty, J.D., Poulton, B.C., Charbonneau, C.S., Huckins, J.N., Jones, S.B., Cameron, J.T., and Prest, H.F.: Determination of Bioavailable Contaminants in the Lower Missouri River following the Flood of 1993. Environmental Science & Technology 32, pp. 837-842, 1998.
• 27. Peven, C.S., Uhler, A.D., and Querzoli, F.J.: Caged Mussels and Semipermeable Membrane Devices as Indicators of Organic Contaminant Uptake in Dorchester and Duxbury Bays, Massachusetts. Environmental Toxicology and Chemistry 15, 144-149. 1996.
• 28. Piccardo M.T., Coragdeghini R., Valerio F.: Polycyclic aromatic hydrocarbon pollution in native and caged mussels. 2001.
• 29. Prest, H.F., Huckins, J.N., Petty, J.D., Herve, S., Paasivirta, J., and Heinonen, P.A.: Survey of Recent Results in Passive Sampling of Water and Air by Semipermeable Membrane Devices. Marine Pollution Bulletin 31, pp. 306- 312., 1995.
• 30. Pruell R.J., J.Lake, W.Davis, J.Quinn: Uptake and depuration of organic contaminants by blue mussels (Mytilus edulis) exposed to environmentally contaminated sediment. Mar.Biology, 91, 497-507, 1986.
• 31. Sabaliunas, D. and Sodergren, A.: Use of Semipermeable Membrane Devices to Monitor Pollutants in Water and Assess Their Effects: A Laboratory Test and Field Verification. Environmental Pollution 2, pp. 195-205, 1997.
• 32. Strandberg, B., Wagman, N., Bergqvist, P.-A., Haglund, P., and Rappe, C.: Semipermeable Membrane Devices as Passive Samplers to Determine Organochlorine Pollutants in Compost. Environmental Science & Technology 31, pp. 2960-2965, 1997.
• 33. Serrano R., F.Hernandez, F.Lopez, J.Pena: Bioconcentration and Depuration of Chlorpyrifos in the marine Mollusc Mytilus edulis. Arch.Environ.contam.Toxicol., 33, pp. 47-52. 1997.
• 34. Sharpe S., McKay D.: A framework for Evaluating Bioaccumulation in Food Webs. Environ.Sci.Technol., 34,12, pp. 2373-2379, 2000.
• 35. Utvik T.I.R., G.Durell, S.Johnsen.: Determining produced water originating polycyclic aromatic hydrocarbons in North Sea waters: comparison of sampling techniques. Mar.Poll.Bull. 38, 11, pp. 977 – 989, 1999.
• 36. http//wwwaux.cerc.usgs.gov/spmd