Vývoj technik pasivního vzorkování pro charakterizaci směsí organických chemických látek ve vodním prostředí

Mgr. Pavla Fialová, Ph.D.

Doctoral thesis

Development of passive sampling techniques to characterise mixtures of organic chemicals in aquatic environment

Abstract:

Do vodního prostředí se denně dostává celá řada mikropolutantů z různých zdrojů, které vytvářejí složité směsi. Mnohé mikropolutanty jsou ze své podstaty bioaktivní, a pokud se vyskytují ve vodním prostředí, mohou představovat riziko pro vodní organismy a lidské zdraví. Ke sledování hladin a prostorových a časových trendů mikropolutantů a k charakterizaci složení směsí kontaminantů a souvisejících rizik je zapotřebí reprezentativní nástroj pro odběr vzorků. Pasivní vzorkování se jeví jako slibný nástroj, avšak mechanismus příjmu sloučenin do pasivních vzorkovačů na bázi adsorpce není zcela objasněn. Cílem této práce bylo lépe porozumět procesům probíhajícím při pasivním vzorkování mikropolutantů z povrchových a odpadních vod a lépe charakterizovat potenciální změnu chemického složení směsi během vzorkování. V pěti studiích byla zkoumána výkonnost několika pasivních vzorkovačů. První studie hodnotila robustnost pasivního vzorkovače na bázi hydrogelu pro odhad časově vážené průměrné koncentrace v odpadních vodách. Druhá studie se zaměřila na porovnání výkonnosti tří pasivních vzorkovačů, které se lišily konstrukčním provedením. Třetí studie zkoumala kinetiku příjmu řady vodních kontaminantů do pasivního vzorkovače se sorpčními extrakčními disky a odvodila distribuční koeficienty pro odhad koncentrací mikropolutantů ve vodě pomocí rovnovážného vzorkování. Čtvrtá a pátá studie zkoumaly prostorovou distribuci kontaminace velkého povodí pomocí dlouhodobě exponovaných pasivních vzorkovačů a spolu s hodnocením rizik a biotesty také rizika, která představují chemické směsi přítomné ve vodě. Výsledky této práce přispěly k pochopení mechanismu příjmu sloučenin do pasivních vzorkovačů a distribuce sloučenin mezi přijímací fází sorbentu pasivního vzorkovače a vodou. Kromě toho pasivní vzorkování prokázalo schopnost monitorovat složité chemické směsi v různých typech vod a v kombinaci s hodnocením rizik a biotesty může pomoci identifikovat hlavní příčiny toxicity.

Abstract:

A wide range of micropollutants enters the aquatic environment every day from a variety of sources, forming complex mixtures. Many micropollutants are inherently bioactive, and when present in the aquatic environment, can pose a risk to aquatic organisms and human health. A representative sampling tool is needed to monitor micropollutants' levels and spatial and temporal trends and to characterise the composition of the contaminant mixtures and the associated risks. Passive sampling appears to be a promising tool, but the uptake mechanism of compounds in adsorption-based passive samplers is not fully understood. This work aimed to better understand the processes involved in the passive sampling of micropollutants from surface water and wastewater and to better characterise the potential distortion of the chemical mixture composition during the sampling process. The performance of several passive samplers was investigated in five studies. The first study evaluated the robustness of a hydrogel-based passive sampler to estimate the time-weighted average concentration in wastewater. The second study focused on the performance comparison of three passive samplers that differed in construction designs. The third study investigated the uptake kinetics of a range of aquatic contaminants into the passive sampler with sorption extraction disks and derived distribution coefficients to estimate the aqueous concentrations of micropollutants from equilibrium sampling. The fourth and fifth studies investigated the spatial contamination distribution in a large river using long-term exposed passive samplers and, together with risk assessment and bioassays, the risks posed by chemical mixtures present in water. The results of this work contributed to understanding the uptake mechanism in the passive samplers and the distribution of compounds between the sorbent receiving phase of the passive sampler and the water. In addition, the passive sampling demonstrated the ability to monitor complex chemical mixtures in different water types and, in combination with risk assessment and bioassays, can help to identify main toxicity drivers.

Keywords

Pasivní vzorkování, Difúzní procesy, Přestup hmoty, Mikropolutanty, Povrchová voda, Odpadní voda, Hodnocení rizik pro životní prostředí, Passive sampling, Diffusion processes, Mass transfer, Micropollutants, Surface water, Wastewater, Environmental risk assessment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 5. 9. 2023
• Supervisor: doc. Ing. Branislav Vrana, PhD.
• Reader: Ester Heath, PhD., Prof. Fiona Regan

Masaryk University

Faculty of Science

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