Fate and transport of persistant organic pollutants in the atmosphere

Mgr. Krzysztof Okonski, Ph.D.

Doctoral thesis

Anotácia:

Do životního prostředí vstupuje stále větší počet chemikálií. U některých s nich je známo, že představují hrozbu pro prostředí i lidské zdraví, u jiných zatím nemáme o rizicích dost informací. Skupinou látek vyvolávajících zvláštní obavy jsou tak zvané perzistentní organické polutanty (POPs), které jsou regulované Stockholmskou úmluvou o perzistentních organických polutantech. Jejich fyzikálně-chemické vlastnosti je ale bohužel předurčují k tomu, aby setrvávaly v prostředí po dlouho dobu. Mnoho z těchto POPs je klasifikováno jako semi-volatilní organické sloučeniny (SVOC) a podléhají dálkovému transportu atmosférického znečištění (LRAT). Bylo zjištěno, že v životním prostředí jsou všudypřítomné, jejich přítomnost byla prokázána i v nedotčených polárních oblastech. Aby bylo možno lépe chránit člověka a životní prostředí před škodlivými účinky těchto látek, je zásadní pochopit jejich osud a transport v prostředí. Předkládaná práce se zabývá tímto problémem ze dvou úhlů pohledu. V první části byla studována distribuce SVOC na velikostně frakcionovaných aerosolech. V okamžiku, kdy SVOC vstoupí do atmosféry, jsou distribuovány mezi plynnou fázi a atmosférické částice. Atmosférické aerosoly různých velikostních frakcí mají různý potenciál k dálkovému transportu a díky rozdílné expozici také představují různá zdravotní rizika. V této studii bylo prokázáno, že zpomalovače hoření mají vyšší potenciál k transportu, než se předpokládalo dříve, kdy se nevěnovala pozornost velikostní distribuci zpomalovačů vázaných na atmosférické částice. Produkty spalovacích procesů, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs) a polychlorované dibenzo-p-dioxiny/furany (PCDD/Fs) mají zase nižší expoziční potenciál pro člověka, než se předpokládalo, protože jsou často vázány na částice s velkým průměrem, které nepronikají do dýchacího ústrojí. Podobně se ukázalo, že také u současně používaných pesticidů (CUPs) bude třeba přehodnotit jejich potenciál k dálkovému transportu a související rizika, protože mnohé jsou přítomny především na větších částicích. Ve druhé studii zaměřené na transport hexabromocyklododekanu (HBCD) mezi různými složkami životního prostředí bylo prokázalo, že poměr izomerů HBCD ve vzorku se mění se změnou environmentální matrice a se vzdáleností od zdroje kontaminace. Rizika související s HBCD klesají od zdroje kontaminace s tím, jak klesá koncentrace HBCD a také podíl toxičtějšího γ-HBCD ve prospěch méně toxického α-HBCD. K tomu, aby bylo možné porozumět environmentálnímu osudu HBCD, bylo zapotřebí pokročilé instrumentace a odpovídajících analytických metod. Obě studie ukázaly, že použití moderních vzorkovacích a analytických je zásadně důležité pro získání dat s vysokou kvalitou potřebnou pro jejich další využití při modelování nebo rozhodovacích procesech v oblasti managementu chemických látek.

Abstract:

The number of synthetic chemicals introduced to the environment is constantly growing. Some of these chemicals are known to be hazardous to human or environmental health; for many others the possible hazards are not known. One chemical group of particular concern, the persistent organic pollutants (POPs), has been banned by the Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants. Unfortunately, their physico-chemical properties allow them to remain in the environment for extended periods of time. Many POPs are classified as semi-volatile organic compounds (SVOCs). They may undergo long-range atmospheric transport (LRAT) and, as a result, their presence has been detected even in pristine polar regions. Indeed, they have been found to be ubiquitous in the environment. To better protect humans and the environment from the deleterious effects of these pollutants it is crucial to understand their environmental fate and transport. This thesis addresses this issue in two ways. Firstly, the distribution of SVOCs was investigated on size-segregated atmospheric aerosols. SVOCs, when introduced to the atmosphere, partition between gas and particulate fractions. Atmospheric aerosols of different sizes have different atmospheric transport potential and pose different risks to human health through differing exposure. This investigation identified that brominated flame retardants have higher transport potential than previously suggested when the particle-size distribution of the particle-bound flame retardants was not taken into account. Moreover, combustion-emitted compounds like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans (PCDD/Fs) have lower human exposure potential as a significant fraction is distributed on larger particles with lower penetration into the human respiratory system. Finally, based on the size-segregated aerosol concentrations, it was identified that both LRAT and risk assessment should be reconsidered for current-use pesticides (CUPs), as many have been found mainly on coarse particules. Secondly, an investigation of hexabromocyclododecane (HBCD) transport between various environmental compartments showed that its isomer profile shifts with environmental matrix and distance from source region. The risk potential of HBCD changes from sources to sinks, as concentration changes and the HBCD isomers shift from the more toxic γ-HBCD to the less toxic α-HBCD. Appropriate analytical methods and instrumentation are necessary to gain this insight into HBCD environmental fate. Overall, these two results emphasize the importance of using advanced sampling and analytical techniques to provide the best quality data for further use (e.g. modelling) and decision-making in chemicals management.

Keywords

dálkový transport atmosférického znečištění, atmosférické aerosoly, izomerické složení, distribuce mezi plynnou fázi a částice, hodnocení rizik long-range atmospheric transport, atmospheric aerosols, isomer profile, gas-particle partitioning, risk assessment

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 10. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 23. 11. 2017
• Vedúci: prof. RNDr. Jana Klánová, Ph.D.
• Oponent: PhD. Luca Nizzetto, Ing. Jaroslav Schwarz, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry