Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) in an Aquatic Ecosystem - Distribution and Fate

Titelangaben

Becker, Anna Maria:
Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) in an Aquatic Ecosystem - Distribution and Fate.
Bayreuth , 2009
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Perfluorooctanoate (PFOA) and perfluorooctane sulfonate (PFOS) belong to the family of perfluorinated surfactants (PFSs). They are widely distributed and persistent in the environment. For over 50 years, they have been used in numerous applications including paper and textile treatment, production of fluoropolymers, cosmetics and insecticides formulations, and fire fighting foams. They can enter the environment via direct and indirect emission sources such as manufacturing processes, use of commercial products containing PFSs, release of waste waters or degradation of precursor substances. Due to their physical-chemical properties, i.e. relatively good solubility, low volatility and stability under environmental conditions, water bodies are important sinks for these chemicals. The aim of this doctoral thesis was to elucidate sources, distribution and fate of PFOA and PFOS in an aquatic ecosystem that is not directly affected by fluorochemical production activity. The presented study was mainly focused on the river Roter Main, Bayreuth, Germany, and gives a good picture of the behaviour of PFOA and PFOS in such an aquatic ecosystem. In order to achieve the main goal, suitable analytical procedures for reliable quantification of trace amounts of the target analytes in different environmental matrices such as water, liquid and solid wastes, sediments, biological tissues, were developed or optimised. Each method included a solid-phase extraction step for analytes’ preconcentration and removal of interfering matrix, followed by quantitative determination via high performance liquid chromatography coupled to electrospray ionisation tandem mass spectrometery (HLPC-ESI-MS). Due to the possibility of ionisation suppression, isotope dilution or standard addition method was applied. Analysis of waste waters collected from four different waste water treatment plants (WWTPs) located in Upper Franconia, Bavaria, Germany, showed that the largest plant (Bayreuth) receiving waste waters of mostly commercial and industrial origin released the highest amount of PFOA and PFOS, whereas the smallest plant (Himmelkron) treating waste waters of only domestic source released the least. The monitoring of waste waters from the WWTP Bayreuth enabled to estimate the typical mass flows of PFOA and PFOS into river waters as about 1 and 5 g/day, respectively, showing that a plant of a medium-size, moderately industrialised city can be a major source of river pollution. Detailed investigation of PFOA and PFOS concentrations in liquid and solid wastes collected at different stages of the treatment process showed additional fluxes of these compounds inside the plant, likely due to the decomposition of their precursors. Analysis of sediments collected from the river receiving treated waste waters showed a significant increase in concentrations of both analytes downstream the outlet of the plant (up to 3- and 4-fold for PFOA and PFOS, respectively). PFOS concentrations were up to 40-fold higher in sediments than in river water, showing its higher adsorption potential in comparison to PFOA (max. sediment/water = 6). Once in the river, PFOS, and to a lower extent PFOA, can bioaccumulate in aquatic organisms. Although partially removed from water, they are still bioavailable for benthic organisms inhabiting the river thus entering the food chain. This was reflected in higher levels found in river goby - in comparison to chub - feeding on invertebrates living in the sediment. At the starting point of this doctoral thesis little information was available about environmental contamination with PFOA and PFOS in Germany, and it is the first study performed in Bavaria giving such a detailed picture of sources and fate of PFSs in a river ecosystem

Abstract in weiterer Sprache

Perfluorooctanoat (PFOA) und Perfluorooctansulfonat (PFOS) sind perfluorierte Tenside (PFT), die in der Umwelt weit verbreitet und persistent sind. Seit über 50 Jahren werden sie vielfältig verwendet, z.B. zur Oberflächenbehandlung von Papier und Textilien, zur Produktion von Fluorpolymeren, in kosmetischen Produkten, in Insektiziden und zur Bildung stabiler Schäume z.B. in Löschmitteln. Sie können auf direktem und indirektem Weg in die Umwelt gelangen: aus Produktionsprozessen, bei der Verwendung kommerzieller, PFT-enthaltender Produkte, über Abwasser oder durch die Zersetzung von Vorläufer-Verbindungen. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, ihre relativ gute Löslichkeit, niedrige Flüchtigkeit und Stabilität unter Umweltbedingungen, machen Gewässer zu wichtigen Senken für diese Verbindungen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, Quellen, Verteilung und Verhalten von PFOA und PFOS in einem aquatischen Ökosystem zu untersuchen, an dem keine Fluorchemikalien produziert werden. Die vorliegende Studie konzentrierte sich hauptsächlich auf den Roten Main, Bayreuth, Deutschland, und gibt einen Einblick in das Verhalten von PFOA und PFOS in einem typischen Fluss-Ökosystem. Um das Hauptziel zu erreichen, wurden geeignete analytische Verfahren zur zuverlässigen Quantifizierung der Zielverbindungen im Spurenbereich in den verschiedenen Umweltmatrices, Wasser, Abwasser, Klärschlamm, Sediment, tierische Gewebeproben, entwickelt oder optimiert. Alle Methoden beinhalten eine Festphasen-Extraktion zur Aufkonzentrierung der Analyten und zum Entfernen störender Matrix; die Quantifizierung erfolgte mittels Hochleistungs-Flüssigchromatographie und Elektrospray-Ionisations-Tandem-Massen-spektrometrie (LC-ESI-MS/MS). Zur Korrektur der möglichen Ionisations-Unterdrückung wurde die Isotopen-Verdünnungs-Technik oder die Standard-Additions-Methode verwendet. Abwässer vier verschiedener Kläranlagen in Oberfranken, Bayern, Deutschland, wurden untersucht. Die größte Anlage (Bayreuth), in der überwiegend kommerzielle und industrielle Abwässer geklärt werden, trägt die höchsten Mengen von PFOA und PFOS in den Vorfluter ein, die kleinste Anlage (Himmelkron), in der nur häusliches Abwasser geklärt wird, trägt die geringsten Mengen ein. Für die Kläranlage Bayreuth wurden die täglichen Massenfrachten von PFOA und PFOS bestimmt, die in den Roten Main gelangen, sie betrugen ca. 1 g/Tag PFOA und 5 g/Tag PFOS. Außerdem können PFOA und PFOS während des Klärprozess aus Vorläufer-Verbindungen gebildet werden und sich zwischen wässrigen und festen Stoffströmen verteilen. Abwässer aus kommunalen Kläranlagen können also eine Hauptquelle der Umweltverschmutzung an PFOA und PFOS sein. Die Analyse von Sedimenten des Vorfluters zeigte eine signifikante Zunahme beider Analyten flussabwärts des Auslaufs der Kläranlage (3-fach für PFOA, 4-fach für PFOS). PFOS-Konzentrationen in Sedimenten waren bis zu 40-mal höher als im Flusswasser, daran zeigt sich sein, im Vergleich zu PFOA, höheres Adsorptionspotential (PFOA: max. Sediment/Wasser = 6). Einmal im Vorfluter reichern sich PFOS und – in geringerem Maße – PFOA in der Biota dieses Lebensraumes an. Auch adsorbiert ans Sediment sind sie für bentische Organismen bioverfügbar, wie die höhere Belastung der Gründlinge – im Vergleich zu Döbeln – zeigt, die am Grund der Gewässer leben und sich von Invertebraten ernähren, die sie aus dem Bodensediment filtrieren. Zu Beginn dieser Doktorarbeit gab es nur wenige Informationen zur Umweltbelastung mit PFOA und PFOS in Deutschland; dies ist die erste Studie, die sich detailliert mit Quellen und Verhalten dieser Verbindung in einem aquatischen Ökosystem in Bayern beschäftigt.