Bioavailability of persistent organic pollutants in soils with regard to soil properties and contamination aging

Mgr. Klára Šmídová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce shrnuje poznatky studií zaměřených na téma biodostupnost hydrofobních organických látek v půdách a bioakumulace v žížalách. Jedním z diskutovaných témat ve vědecké literatuře je extrapolace bioakumulačních faktorů získaných z těchto studií mezi různými půdami a látkami. Dalším tématem týkajícím se extrapolace je používání umělé půdy. Ta byla vyvinuta jako „modelová“ za účelem snížení variability přirozených půd tak, aby byla schopna poskytovat reprodukovatelná a srovnatelná data. Vlastnosti umělých a přirozených půd se ale mohou lišit, což vede k odchylkám v osudu, chování a efektech jednotlivých znečišťujících látek. Pro normalizaci toxikologických endpointů bylo navrženo množství půdní organické hmoty, nicméně nedávno bylo dokázáno, že i další faktory, jako je například mikrobiální aktivita, mohou v osudu látek v půdě hrát významnou roli. Množství informací o kinetice příjmu látek z půdy je navíc zpravidla limitované: a) organismy jsou exponovány fixní dobu, místo aby u nich došlo k proměření kinetiky příjmu, b) studie, zabývající se chováním většího množství různých látek v různých půdách, jsou poměrně vzácné. V neposlední řadě všechny tyto nejasnosti ztěžují vývoj nových chemických metod, které by měly být rychlejší, levnější a v některých případech by mohly nahradit metody biologické. V návaznosti na již zmíněná témata byl navržen design tří studií zaměřených na bioakumulaci v žížale Eisenia fetida z různých půd. Výsledky první studie dokazují, že obsah půdní organické hmoty není jediný faktor ovlivňující biodostupnost hydrofobních organických polutantů v půdách a že extrapolace výsledků založená na obsahu půdní organické hmoty může být nesprávná, zvláště pokud jde o srovnání umělých a přirozených půd. Tento poznatek byl ověřen v druhé studii zacílené na bioakumulaci ve sterilních půdách, kde jsme také navrhli použití sterilních půd v ekotoxikologických testech jako „nejhorší scénář“. Na závěr byl proveden experiment zaměřený na detailní popis kinetiky příjmu pěti hydrofobních organických polutantů žížalou ze šesti přirozených půd. Na základě jejich výsledků jsme pro studium bioakumulace látek s relativně nízkou hodnotou log Kow v žížalách doporučili použití ustálených systémů (dlouhodobě kontaminovaná půda, půda kontaminovaná v laboratoři ponechaná stárnutí po několik měsíců).

Abstract:

This thesis summarizes several studies which have a similar topic: bioavailability of hydrophobic organic contaminants (HOCs) in soils and bioaccumulation in earthworms. One of the frequently discussed topics in the scientific literature is the extrapolation of bioaccumulation factors from these studies to other soils and compounds. The other issue (related to the extrapolation topic) is the use of artificial soil as a standardized “model soil”, which can be used to produce reproducible and comparable data. However, properties of artificial and natural soils often vary and may lead to substantial differences in the fate, behaviour, and effects of certain contaminants. Soil organic matter has been suggested for normalization of the toxicological endpoints of HOCs between different soils, but recently it has been shown that other factors, such as microbial activity, are crucial. Moreover, uptake data for earthworms are usually limited, as: a) only fixed exposure times are studied instead of whole uptake kinetics, b) studies including more compounds and more soils of different properties are quite rare. Last but not least, these uncertainties make the development of chemical methods which are faster, less expensive and which should in specific cases replace biological methods, even more difficult. Given the topics discussed above, three experiments about bioaccumulation in the earthworm Eisenia fetida were performed in different kinds of soils. In the first study, we proved that total organic carbon (TOC) content is not the only factor affecting the bioavailability of HOCs, and that TOC based extrapolation might be incorrect, especially when comparing natural and artificial soils. This observation was verified in the second study with sterile soils where we suggested using sterile soils as “the worst case scenario” in soil ecotoxicity studies. Finally, a toxicokinetic study with six natural soils was performed to characterize in detail the uptake kinetics of five HOCs to earthworms. We suggested using a steady state system (i.e. long term field-contaminated soil, aged soil spiked in the laboratory) for studying bioaccumulation in earthworms for compounds with relatively low log Kow.

Keywords

Biodostupnost, půda, hydrofobní organické polutanty, bioakumulace, žížaly, umělá půda, kinetika příjmu látek, půdní organická hmota Bioavailability, soil, hydrophobic organic compounds, bioaccumulation, earthworm, artificial soil, uptake kinetics, soil organic carbon

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 10. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 31. 10. 2013
• Supervisor: doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.
• Reader: PhD. Luca Nizzetto, Dr. C.A.M. (Kees) van Gestel, doc. Ing. Vladimír Kočí, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology