Hodnocení ekotoxicity pevných matric kontaktními biotesty

Mgr. Jana Vašíčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Ecotoxicological assessment of solid matrices by contact bioassays

Abstract:

Nadměrná produkce odpadů je v poslední době jedním z největších environmentálních problémů v zemích evropské unie i celosvětově. Kontaminované pevné odpady mohou být významným zdrojem znečištění v prostředí a tím mohou negativně ovlivnit celý ekosystém. Ve většině evropských zemí je hodnocení toxického potenciálu různých pevných opadů založeno pouze na charakteristice fyzikálně-chemických vlastností nebo chemických analýzách, přestože existují omezení použití těchto přístupů. Pro hodnocení aktuálního rizika, plynoucího z kontaminace pevných odpadů, je doporučeno kombinovat chemické analýzy s biologickými testy na indikátorových organismech z různých trofických úrovní. Dizertační práce je zaměřená na aplikování kontaktních biotestů s půdními organismy v hodnocení ekologických rizik různých pevných materiálů. V rámci této práce byly testovány dva typy pevných matric: vytěžené sedimenty z řek a vodních nádrží a průmyslový kal kontaminovaný arzenem. Speciální pozornost byla věnována také artificiální půdě, která se velmi často využívá jako referenční materiál v testech s pevnými matricemi. V první studii byla hodnocena ekotoxicita 36 vytěžených sedimentů z České republiky pomocí kontaktních testů a testů výluhů. V České republice byla přijata vyhláška č. 257/2009 Sb. o používání sedimentů na zemědělské půdě, která určuje podmínky, za kterých může být vytěžený sediment aplikován na zemědělskou půdu. Inovativním krokem této vyhlášky je zařazení čtyř půdních testů do hodnocení ekotoxicity vytěžených sedimentů. Cílem první studie zhodnotit účinnost biotestů navržených ve vyhlášce č. 257/2009 Sb. a srovnat s citlivostí testů výluhů. Výsledky ukazují, že kontaktní biotesty s půdními organismy navržené ve vyhlášce č. 257/2009 Sb. byly velmi citlivé v identifikaci problematických vytěžených sedimentů. Naopak, výsledky výluhových testů nekorespondovaly s výsledky testů půdních a ukázaly nižší citlivost. Nicméně, výluhové testy jsou vhodné pro predikci rizik podzemních vod a přilehlých vodních ekosystémů. Ve druhé studii byl použit průmyslový kal kontaminovaný arzenem pro simulaci půdní aplikace, kompostování a vermikompostování. Cílem této studie bylo zhodnotit účinnost a odhalit rizika použitých bioremediačních procesů. K tomuto účelu byly využity biotesty se dvěma půdními bezobratlými a jednou rostlinou. Výsledky biotestů s bezobratlými odpovídaly obsahu mobilního arzenu v půdě obohacené kalem. Naopak test se salátem Lactuca sativa ukázal variabiliní výsledky, které byly pravděpodobně ovlivněny stimulací a toxickou kompenzací přítomnosti fosforu v kalu. Všechny tři biologické testy odhalily vysokou toxicitu v kompostovaném a vermikompostovaném kalu, přestože chemické analýzy ukázaly výrazné snížení celkové i mobilní koncentrace arzenu. Ve třetí studii byla hodnocena způsobilost 25 artificiálních půd z různých laboratoří pro organismy Folsomia candida a Enchytraeus crypticus. Artificiální půda byla vytvořena pro standardizaci a usnadnění porovnání výsledků biotestů. Avšak, v předchozích studiích byla zdokumentována vysoká variabilita artificiálních půd připravených v různých laboratořích podle stejné normy OECD. Cílem třetí studie bylo zjistit parametry, které by mohly být odpovědné za variabilitu v biologických testech. Experiment provedený s artificiálními půdami z různých laboratoří ukázal variabilitu v reprodukci F. candida a E. crypticus. Proto byly identifikovány parametry artificiální půdy, které byly zodpovědné za variabilitu v biotestech. Studie prezentované v dizertační práci potvrzují, že kontaktní biotesty jsou vhodnou metodou pro hodnocení ekotoxicity kom

Abstract:

plexních pevných matric. Výsledky ukazují, že chemické analýzy nejsou schopny předpovědět účinky komplexních směsí na živé organismy.

Abstract:

High production of waste is currently one of the main environmental problem in the European countries and worldwide. Contaminated solid wastes can be important sources of environmental pollution, having adverse effects on whole ecosystem. In most European countries, a toxic potential of variable solid materials is based mainly on their physicochemical characteristics or chemical analysis, despite their known limitations for this purpose in real situation. To estimate the actual risk of contaminants presence in solid materials, it is recommended to combine chemical analyses with biological tests on target organisms at different trophic levels. The present dissertation is focused on applying contact bioassays with soil organisms into ecological risk assessment of different solid materials. Two types of solid matrices were tested: dredged sediments from rivers and water reservoirs and industrial sludge contaminated with arsenic. Special attention was also dedicated to artificial soil, which is used as reference soil in the studies of solid matrices. In the first study, the ecotoxicity of 36 dredged sediments from the Czech Republic was investigated using contact tests with soil organisms and eluate tests. In the Czech Republic, directive 257/2009 Coll. for the dredged sediments application on agricultural land was ratified to determine the conditions under which dredged sediments can be used on agricultural soils. Innovative step in this directive is the inclusion of four contact bioassays in the assessment of ecotoxicity of dredged sediments. The aim of first study was to evaluate the performance of bioassays suggested in The Czech directive 257/2009 Coll. and compare to eluate test. Results of this study showed, that contact soil bioassays recommended in the Czech directive were generally very sensitive with respect to identifying problematic dredged sediment samples. The results of eluate bioassays did not correspond with the soil contact tests and showed lower sensitivity. Nevertheless, eluate tests allow prediction of hazard to groundwater and adjacent aquatic ecosystems. In the second study, industrial sludge contaminated with arsenic was treated by soil application simulation, composting and vermicompostig. The aim of this study was to evaluated the efficiency and detect risks of different sludge remediation processess using bioassays with two soil dwelling invertebrates and one plant species. In general, the results of bioassays with invertebrates corresponded to mobile content of arsenic after soil amendment with sludge. Contrary, Lactuca sativa root elongation bioassay showed variable results, which were probably influenced by stimulation and toxicity compensating effects of phosphorus presence in the sludge. All three bioassays reveal remaining high toxicity in composted and vermicomposted sludge, although chemical analysis showed significant decrease in total and mobile arsenic concentrations. In the third study, the suitability of 25 artificial soils collected from different laboratories with the test species Folsomia candida and Enchytraeus crypticus was investigated. For reasons of standardization and to facilitate comparison of bioassays results, artificial soil was developed and used as reference soil. However, the high variability of artificial soils prepared in different laboratories according to same OECD guideline was documented in previous studies. The aim of this study was to reveal parameters that might be responsible for the bioassays variability. Experiment conducted with artificial soils from different laboratories showed variable reproduction outputs in F. candida and E. crypticus bioassays. Artificial soil parameters that might be responsible for the bioassays variability were identified. Studies documented that contact bioassays are relevant tools for the assessment of ecotoxicity of complex solid matrices. The results indicated the inability of chemical methods predict the effects of complex mixture

Abstract:

s on living organisms.

Keywords

ecotoxicity, contact bioassays, eluate bioassays, soil organisms, dredge sediments, industrial sludge, composts, vermicompost, artificial soil, arsenic

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 2. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 16. 3. 2015
• Supervisor: doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.
• Reader: Mgr. Hana Sezimová, Ph.D., prof. Mónica Amorim, Ing. Simona Vosáhlová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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