Development and characterization of new passive sampling devices for persistent organic pollutants in the aquatic environment

RNDr. Roman Prokeš, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Nalezení robustní, efektivní, jednoduché a levné metody vzorkování, která je vhodná pro sledování a analýzu rizik perzistentních organických polutantů (POPs) ve vodním prostředí, je mimořádnou výzvou implementačního procesu rámcové směrnice EU o vodní politice a Stockholmské konvence. Klasické metody jednorázového bodového odběru vody nejsou vždy spolehlivé pro přímé stanovení koncentrace rozpuštěných POPs, a proto se jako vhodná alternativa nabízí metoda pasivního vzorkování vody. Předkládaná dizertační práce se tedy zaměřuje na charakterizaci nových typů pasivních vzorkovačů pro měření hydrofobních organických polutantů ve vodním prostředí. Kalibrované pasivní vzorkovače mohou být aplikovány jako kvantitativní nástroj, který nám umožní stanovení časově vážené průměrné koncentrace rozpuštěných POPs ve vodě. První část této práce je zaměřena na laboratorní kalibraci a technické srovnání tří typů pasivních vzorkovačů. Jedná se o široce známou techniku semipermeabilních membrán (SPMD) a o dva typy vzorkovačů na bázi silikonové gumy. Vztah byl založen na poměru vzorkovacích rychlostí tří typů pasivních vzorkovačů a hydrofobicitou těchto sloučenin (polychlorované bifenyly, organochlorované pesticidy a polycyklické aromatické uhlovodíky). Koncentrace chemických látek ve vodě je stanovena bez použití referenčních látek (PRCs). Ve druhé části práce je silikonová guma jako pasivní vzorkovač využita ke studiu časové a prostorové variability POPs v říčním toku Moravy během jednoroční studie. Pro detailnější pochopení procesů v rozpuštěné vodní fázi, není tato variabilita stanovena pouze metodou pasivního vzorkování vody, ale také na základě dat získaných z odběrů čerstvého a dnového sedimentu. Cílem studie bylo zjištění, které environmentální proměnné (např. teplota a průtok vody) a charakteristiky sedimentů mají vliv na distribuci a transport perzistentních organických polutantů v modelovém regionu řeky Moravy.

Abstract:

Finding of robust, effective, simple and cost effective sampling methods, which can be used for monitoring and associated risk assessment of persistent organic pollutant (POPs) in water, presents a specific challenge in implementation of the Water Framework Directive and the Stockholm convention. Pollution monitoring based on direct measurement of dissolved concentrations of POPs in water by bottle sampling is not reliable, and passive sampling provides a promising alternative. Presented dissertation thesis addresses the characterization of new passive sampling devices for determination of hydrophobic organic contaminants in water. Calibrated passive samplers can be applied as a quantitative tool that enables to measure time-weighted average of free dissolved POPs in water. The first part of this work aimed at laboratory calibration and performance comparison of three partition based passive samplers – the widely used semipermeable membrane device (SPMD) and two silicone rubber polymer sheet based samplers. A relationship was established between the calibration parameters (sampling rates) of the three samplers and compound hydrophobicity for a range of polychlorinated biphenyls, organochlorine pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons. In the next step a procedure was suggested for derivation of chemical concentration in water from passive sampling data without the use of performance reference compounds. In the second part of the study the previously calibrated passive sampler, based on silicone rubber, was applied to investigate in fine temporal and spatial resolution the annual variability of POPs in river water in the Morava river. For a detailed understanding of the processes POPs undergo in a river, temporally and spatially resolved monitoring was performed not only in the dissolved phase by passive sampling, but also in suspended and deposited riverbed sediments. The aim of the study was to characterize the effect of environmental variables such as temperature and water flow, as well as sediment characteristics on the distribution and transport of persistent organic contaminants in a model region in the river Morava.

Keywords

pasivní vzorkování, hydrofobní organické látky, silikonová guma, semipermeabilní membrána, povrchová voda, sediment, kalibrace, terénní využití

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 1. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 30. 1. 2014
• Supervisor: doc. Ing. Branislav Vrana, PhD.
• Reader: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc., doc. Ing. Josef Čáslavský, CSc., Dr. Albrecht Paschke

Masaryk University

Faculty of Science

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