Fate of persistent organic pollutants in the atmosphere

Mgr. Celine Degrendele, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Semi-volatilní organické látky (SVOCs) se v atmosféře rozdělují mezi atmosférické částice a plynnou fázi v závislosti na teplotě, charakteru částic a fyzikálně chemických vlastnostech dané látky. Toto rozdělování potom dále ovlivňuje transportní, depoziční a degradační procesy a tím i celkový rezidenční čas těchto látek v atmosféře. Podle jejich aerodynamického průměru obvykle rozlišujeme částice ultrajemné (<0.01 µm), jemné (<2.5 µm) a hrubé (>2.5 µm). Informace o velikosti a složení částic jsou velmi relevantní pro hodnocení jejich zdravotních dopadů i potenciálu k dálkovému transportu, protože jemnější částice zůstávají v atmosféře po delší dobu a zároveň pronikají hlouběji do dýchacího systému člověka. Mnoho látek ze skupiny SVOCs je klasifikováno jako perzistentní organické polutanty (POPs) a je předmětem zvýšeného zájmu pro svou stabilitu v prostředí, schopnost dálkového transportu, bioakumulační potenciál a toxicitu pro člověka i volně žijící organismy. Cílem této dizertační práce bylo popsat sezónně závislou distribuci SVOCs mezi velikostně stratifikované atmosférické částice. Zvláštní pozornost byla přitom věnována látkám, které vznikají jako produkty nedokonalého spalování (polycyklické aromatické uhlovodíky, polychlorované dibenzo-p-dioxiny a furany a polychlorované bifenyly), zpomalovačům hoření (polybromované difenylethery, hexabromcyklododekan a další nové typy halogenovaných retardantů hoření) a pesticidům (současně používaným i těm, jejichž výroba a aplikace byly zakázány) v brněnské metropolitní oblasti. U pesticidů byly sezónní trendy a procesy distribuce mezi částice a plynnou fázi studovány navíc také na venkovské pozaďové lokalitě v České republice. Bylo sledováno, nakolik je distribuce látek mezi velikostně specifické frakce atmosférických částic závislá na sezónní variabilitě meteorologických parametrů, vzdálenosti od zdrojů či sezónnosti emisí. Lepší poznání této distribuce může být velmi důležité pro kvantifikaci zdravotních rizik souvisejících s inhalační expozicí a depozičními toky. Pro nově sledované látky typu nových zpomalovačů hoření či současně používaných pesticidů jsou toto první data o jejich distribuci mezi velikostně stratifikované atmosférické částice a sezónním chování.

Abstract:

Semi-volatile organic compounds (SVOCs) in the atmosphere partition between particle and gaseous phases depending on temperature, the characteristics of atmospheric particulates and the physicochemical properties of the compound. This partitioning influences the transport, deposition and degradation processes and thus, the atmospheric residence time of SVOCs. Particulate matter is commonly grouped into ultrafine, fine and coarse particles with aerodynamic diameters of <0.01 µm, <2.5 µm and >2.5 µm, respectively. The size of particles and their composition is of great relevance for human health and atmospheric transport potential, as finer particles penetrate deeper in the human respiratory system and have longer atmospheric residence times than do larger particles. Many SVOCs are classified as persistent organic pollutants (POPs), and have been widely recognized as being persistent, bioaccumulative, and toxic for humans and wildlife and are subject to long-range atmospheric transport. The aim of this thesis was to characterize the seasonal particle size distribution of SVOCs, including combustion-related compounds (polycyclic aromatic hydrocarbons, polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans and polychlorinated biphenyls), flame retardants (polybrominated diphenyl ethers, hexabromocyclododecane and novel halogenated flame retardants) and pesticides (legacy organochlorine pesticides and current-use pesticides) in the Brno metropolitan area. In addition, the seasonal trends and gas-particle partitioning of legacy and current-use pesticides was also assessed at a background site in the Czech Republic. In particular, the influence of seasonal meteorological variations, proximity to sources and seasonality in emissions on the particle size distribution was evaluated. Moreover, the importance of knowing the particle size distribution of SVOCs for estimations of human risks from inhalation and wet and dry deposition fluxes was also evaluated. For emerging contaminants such as NFRs and CUPs, this was the first time that their particle size distribution has been assessed on a seasonal scale.

Keywords

Aerosol, distribuce velikostní částic, distribuce polutantů mezi plynnou fází a částicemi v ovzduší, atmosferický transport na velké vzdálenosti, osud polutantů v životním prostředí, mokrá a suchá depozice, středně těkavé organické sloučeniny, zpomalovače hoření, pesticidy. Aerosol, particle size distribution, gas-particle partitioning, long-range atmospheric transport, environmental fate, wet and dry deposition, semi-volatile organic compounds, human risks, flame retardants, pesticides.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 11. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 11. 12. 2014
• Supervisor: prof. RNDr. Jana Klánová, Ph.D.
• Reader: Ing. Jiří Novák, prof. Roland Kallenborn, prof. Euripides Stephanou

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry (Eng.)