Development of novel risk assessment strategies for contaminants of emerging concern and their mixtures in the environment using chemical screening and effect-based monitoring tools

Kelsey Kwong Pui Ng, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Nové typy kontaminantů (kontaminanty vzbuzující obavy – contaminants of emerging concerns) se neustále uvolňují do životního prostředí z různých antropogenních činností. Díky nejmodernějším analytickým a výpočetním nástrojům je možné využít širokospektrálních metod cíleného a necíleného screeningu na různé vzorky životního prostředí a bioty a odhalit tak koncentrace tisíců až desítek tisíc chemikálií. Prioritizace těchto znečišťujících chemikálií při zohlednění prahové hodnoty ekotoxicity a nebezpečných vlastností by mohla identifikovat a do užšího výběru zařadit sloučeniny s nejvyššími nepříznivými účinky na životní prostředí. Proto je prioritním úkolem příprava vhodných workflows pro environmentální manažery a osoby s rozhodovací pravomocí, aby zmírnili a řídili environmentální riziko. V této studii bylo hodnocení překročení prahových hodnot ekotoxicity (PNECs - předpokládané koncentrace látek bez účinku) spojeno s údaji o výskytu chemických látek získanými z rozsáhlého cíleného a necíleného screeningu vzorků životního prostředí odebraných v povodí Dunaje a obecně v rámci evropských zemí. Ze studovaných více než 65,000 látek bylo více chemických tříd podrobněji analyzováno v případových studiích, které byly zaměřeny mimo jiné na per-a polyfluoralkylové látky, antibiotika, přípravky na ochranu rostlin, průmyslové chemikálie, léčiva, produkty osobní péče a jejich metabolity. Výsledkem výzkumu bylo vytipování 67 prioritních látek, které byly doporučeny pro následná opatření včetně jejich systematického monitorování v povodích řek nebo v evropském měřítku včetně řízení emisí. Kromě zkoumání rizik jednotlivých látek byly studovány také toxické účinky směsi více kontaminantů ve vzorcích životního prostředí. Pro kontrolu kvality vytékajících odpadních vod z čistíren odpadních vod (ČOV) v povodí Dunaje byla použita baterie sedmi biotestů in vitro pokrývajících spektrum účinků toxicity. Prioritizace získaných biologických signálů byla provedena s využitím tzv. EBT – effect based trigger values. Pro případy překročení EBTs byl navržen strukturovaný akční plán reakce provozovatelů ČOV. Využití moderních nástrojů monitorování založených na analýzách chemikálií a na biologických účincích umožnilo hodnocení rizik pro životní prostředí a odhalilo klíčové prioritní chemické skupiny s nepříznivými účinky na životní prostředí.

Abstract:

Contaminants of emerging concern (CECs) are constantly released to the environment from various anthropogenic activities. With the state-of-the-art analytical and computational tools, wide-scope target and suspect screening could be applied to various environmental and biota samples to reveal the concentrations of thousands and tens of thousands of chemicals, respectively. The prioritisation of these chemicals, with reference to ecotoxicity threshold values and hazardous properties, could identify and shortlist the top ranked compounds in terms of their adverse effects to the environment. Therefore, the prioritisation workflow is a task of primary importance for environmental managers and decision-makers to mitigate and manage the environmental risk. In the present study, the prioritisation based primarily on exceedance of ecotoxicity threshold values (predicted no effect concentrations; PNECs) was applied to the chemicals’ occurrence data obtained from wide-scope target and suspect screening of the environmental samples collected in the Danube River Basin and other European countries. Out of the studied universe of over 65,000 substances, multiple chemical classes have been analysed in more detail in the case studies, focused on, i.a., per-and poly fluoroalkyl substances (PFASs), antibiotics, plant protection products (PPPs), industrial chemicals, pharmaceuticals, personal care products (PPCPs) and their transformation products (TPs). The investigation resulted in 67 prioritised substances, which were recommended for follow-up actions including their systematic monitoring at the river basin or European scale and emission controls. Next to the investigation of adverse effects of individual compounds, the mixture toxicity effects of multiple contaminants in environmental samples were also studied. A battery of seven in vitro bioassays covering a selected spectrum of toxicity effects was applied for quality control of effluent wastewaters from wastewater treatment plants (WWTPs) in the Danube River Basin. Prioritisation of the obtained toxicity signals was performed with reference to effect-based trigger values (EBTs) of the individual toxicity endpoints. A structured response action plan by operators of WWTPs has been proposed in cases of exceedance of the EBTs. The application of chemical-based and effect-based monitoring tools in environmental risk assessment revealed the key chemicals and chemical groups that may cause adverse effects to the environment.

Keywords

Target screening, suspect screening, effect assessment, organic pollutants, environmental risk assessment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 28. 6. 2024
• Supervisor: Dr. Ing. Jaroslav Slobodník
• Reader: Assoc. Prof. Oksana Golovko, Ph.D., Lubertus Bijlsma, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology