New methods for assessment of the atmospheric levels of persistent organic pollutants

Mgr. et Mgr. Jiří Kalina, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Od přelomového roku 2001, kdy došlo ke schválení zásadního dokumentu týkajícího se ochrany životního prostředí před persistentními organickými polutanty (POPs) – Stockholmské úmluvy, uplynulo letos již 16 let. Během tohoto období plného překotného vývoje docházelo k představování nových metod vzorkování prostředí, jejich přejímání a nahrazování tak, jak se vyvíjela úroveň poznání v této oblasti. V roce 2008 došlo k prvnímu celosvětovému sběru dat o persistentních polutantech v klíčových matricích, kterými jsou vzduch, lidské mléko a krev, v rámci Globálního monitorovacího plánu (GMP). Do té doby nemyslitelný soubor dat byl zásadním krokem k poznání stavu znečištění planety persistentními látkami, který však současně odhalil, jak zásadní překážky pro vzájemnou porovnatelnost dat ukrývá rozdílná metodika jejich sběru na různých místech Země. Během následujících let se porovnatelnost výsledků vědecké práce v oblasti monitoringu POPs stala jedním z klíčových témat a podle závěrů expertního jednání, které se deset let po podpisu Stockholmské úmluvy konalo v Brně, také jednou z deseti prioritních oblastí, do kterých je třeba směřovat úsilí v druhém desetiletí její platnosti. Ve své první třetině (kapitola 2) tato práce ve stručnosti shrnuje současný stav poznání v definovaných prioritních oblastech. Autor si je vědom skutečnosti, že důkladné zmapování současného stavu by si vyžádalo podstatně větší rozsah práce, nicméně podává alespoň stručný úvod do problematiky, umožňující správně zařadit výsledky prezentované v následující části práce. Kapitola 3 obsahuje výsledky vlastní experimentální práce věnované problémům porovnatelnosti dat z aktivního a pasivního vzorkování semivolatilních organických látek (SVOCs) včetně POPs v atmosféře. První ze tří částí experimentální práce se zabývá teoretickým pozadím procesu pasivního vzorkování a z něho vyplývajícím postupem přepočtu jeho výsledků na atmosférickou koncentraci polutantů. Na to pak navazuje ověřením v současnosti nejčastěji používaného modelu pro přepočítávání výsledků pasivního vzorkování s využitím desetiletých časových řad souběžného pasivního a aktivního vzorkování polychlorovaných bifenylů, organochlorových pesticidů a polycyklických aromatických uhlovodíků. Zatímco pro první dvě uvedené skupiny látek vykazuje testovaný model velmi dobré výsledky, v případě polycyklických aromatických uhlovodíků bude zřejmě zapotřebí ještě další výzkumné práce pro přesné pochopení mechanizmu záchytu atmosférických částic pasivními vzorkovači. Následující část experimentální práce se proto vydává jinou cestou a na příkladu obdobné sady dat z desetiletého monitoringu ovzduší na observatoři Českého hydrometeorologického ústavu v Košeticích ukazuje, že podstatné charakteristiky dlouhodobého vývoje znečištění, jako jsou poločasy setrvání látek v atmosféře, lze odvodit přímo z primárních dat pasivního vzorkování i bez použití přepočtových modelů. Tyto závěry pak využívá třetí část experimentální práce, která na obsáhlém souboru dat z jedenáctiletého pasivního vzorkování ovzduší na devatenácti lokalitách v České republice demonstruje pokročilé metody neparametrické analýzy dlouhodobých trendů a klasifikace lokalit pomocí analýzy klastrové. V závěru jsou pak přiloženy tři publikace z mezinárodních impaktových časopisů, které obsahují nejvýznamnější výstupy z experimentální práce.

Abstract:

Since the adoption of the Stockholm Convention in 2001, 16 years have already passed. The Stockholm Convention is the fundamental document regarding protection of the environment and human health from persistent organic pollutants (POPs). During this period, the environmental sciences have further developed; new methods of environmental sampling have been introduced, utilized and applied in line with rapidly developing new knowledge in this area. In 2008, the first worldwide campaign collecting data on persistent pollutants took place under the framework of the Global Monitoring Plan (GMP), focused on key matrices, such as ambient air, human milk and blood. Creating the largest dataset on POPs worldwide became a fundamental step in the global identification of the extent of environmental pollution with persistent compounds, and at the same time it revealed the major obstacles to the mutual comparability of data collected using different methods within different projects around the world. The comparability of data on POP monitoring has become one of the key issues over the next few years. According to conclusions of an expert meeting, which took place in Brno ten years after the Stockholm Convention was adopted, it also became one of ten priority areas that needed scientific attention during the second decade of the Convention’s existence. In the first part of this thesis (Chapter 2), the current state of the art in the defined priority areas is briefly summarized. The author is aware of the fact that a complex overview of the current state would require much more effort, however he gives at least a brief introduction to the issues, providing background for the results presented in the subsequent part. Chapter 3 of the thesis contains results of the experimental work on comparability of data generated within the active and passive ambient air sampling networks for semivolatile organic compounds (SVOCs) including POPs. The first of the three parts of the experimental chapter deals with the theoretical background of the passive sampling process and discusses methods of recalculation of passive sampling results to air concentrations. This is followed by a performance evaluation of the most frequently used recalculation model, which utilizes a ten-year long time series of concurrent passive and active sampling of polychlorinated biphenyls, organochlorine pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons. For the first two groups of substances, the evaluated model shows very good agreement between passive and active sampling data. In the case of polycyclic aromatic hydrocarbons, however, further research is needed to accurately describe the mechanism and efficiency of the atmospheric particle sampling by the passive samplers. Considering this fact, the following part of the experimental work is focused on a different way to assess data from passive sampling of SVOCs in ambient air. It shows that key characteristics of the long-term air pollution, such as half-lives of the pollutants in the atmosphere, could be derived from primary passive sampling data without introducing additional uncertainty through the recalculation models. This is verified using example data from the ten-year-long air monitoring at the observatory of the Czech Hydrometeorological Institute in Košetice, Czech Republic. The conclusions of the first and second part are used in the third part of the experimental work. It demonstrates advanced methods of nonparametric analysis of long-term trends and site classification using cluster analysis on a comprehensive set of eleven-year-long passive air sampling data from nineteen sampling sites over the Czech Republic. Finally, three publications from international journals are presented with the most significant outputs from the experimental work.

Keywords

persistent organic pollutants, long-term trends of pollution, Stockholm Convention, Global Monitoring Plan, passive air sampling, active air sampling, perzistentní organické polutanty, dlouhodobé trendy znečištění, Stockholmská úmluva, Globální monitorovací plán, pasivní vzorkování ovzduší, aktivní vzorkování ovzduší

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 23. 11. 2017
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Hřebíček, CSc.
• Reader: Jozef Pacyna, Ph.D., D.Sc., Marta Venier, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

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