Methods to evaluate the distribution of organic pollutants in the environment

RNDr. Alice Dvorská, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Distribuce persistentních organických polutantů (POPs) v prostředí je podmíněna několika faktory: převažujícími environmentálními podmínkami, vlastnostmi studované látky a způsobem její aplikace. Při vyhodnocování souborů environmentálních dat může být nutný multidisciplinární přístup. Dlouhodobý monitoring na regionální observatoři Košetice v České republice poskytuje unikátní datový soubor obsahu POPs v různých environmentálních matricích. Kromě jiného slouží k účelům monitoringu v rámci Konvence UNECE o dálkovém přeshraničním znečištění ovzduší, Evropského monitorovacího a vyhodnocovacího programu (EMEP) a Stockholmské úmluvy o POPs. Tato práce je zaměřena na desetiletý datový soubor atmosférických koncentrací polychlorovaných bifenylů (PCBs), hexachlorocyklohexanů (HCHs), DDX a hexachlorobenzenu (HCB). Jeho vyhodnocení bylo provedeno z chemického hlediska v kombinaci s meteorologickými a geografickými metodami. Dráhy (trajektorie) vzdušných mas vzorkovaných v Košeticích jsou statisticky vyhodnoceny s cílem identifikovat možné zdrojové oblasti studovaných polutantů, které podmiňují kvalitu ovzduší na tomto pozaďovém receptoru. Zjištěné možné zdrojové oblasti PCBs se shodují s mnoha známými urbánními a průmyslovými oblastmi, zatímco u HCHs a DDX se shodují s mnoha zemědělskými a zalesněnými oblastmi a možné zdrojové oblasti HCB zahrnují všechny typy oblastí. Významné emise α-HCH v Polsku, γ-HCH ve Francii, DDX v České republice a Německu a PCBs v Německu, České republice a Polsku zjištěné v letech 1997-99 zaznamenaly v letech 2004-06 významný pokles. Emise DDX v České republice a HCB v Německu a České republice jsou do roku 2005 stále významné. Statistické vyhodnocení trajektorií v kombinaci s dřívějšími poznatky (např. emisními inventurami) umožnilo odlišit primární emise HCB od sekundárních (zpětný vstup do ovzduší z vodních těles, půdy a sedimentů). Kombinace dvou metod statistického vyhodnocení trajektorií odhalila silné a slabé stránky obou z nich. Tato práce přispěla k pochopení pozaďových koncentrací POPs a jejich dálkového atmosférického transportu ve středoevropském regionu. Statistické vyhodnocení trajektorií vzdušných mas může v budoucnu přispět k validaci emisních inventur POPs. Zlepšení zavedená do procesu vyhodnocení trajektorií v této práci mohou být v budoucnu využita v rámci monitorovacích sítí zaměřených na atmosféru.

Abstract:

The environmental distribution of persistent organic pollutants (POPs) is subject to many factors: prevailing environmental conditions, properties of the studied chemical and pattern of use. A multidisciplinary approach might be needed when evaluating environmental data sets. The long-term monitoring programme run at the regional observatory Košetice, Czech Republic, provides a unique data set of POP concentrations in various environmental compartments serving except other the monitoring purposes of the UNECE Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, the European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) and the Stockholm Convention on POPs. This work is focused on the evaluation of a decadal data set of polychlorinated biphenyls (PCBs), hexachlorocyclohexanes (HCHs), DDX and hexachlorobenzene (HCB) atmospheric concentrations from a chemical point of view in combination with meteorological and geographical methods. Pathways (trajectories) of air masses sampled in Košetice were statistically evaluated with the aim to identify potential source areas of studied pollutants determining the air quality at this background receptor site. Indicated potential source areas of PCBs coincide with many well-known urban and industrialised areas, while the indicated potential source areas of HCHs and DDX coincide with many agricultural and/or forested regions and the potential source areas of HCB comprise all land use types. Major emissions of -HCH in Poland, -HCH in France, DDX in the Czech Republic and Germany, and PCBs in Germany, the Czech Republic and Poland in 1997-99, had significantly decreased by 2004-06. Prominent emissions of DDX remain in the Czech Republic and HCB in Germany and the Czech Republic until 2005. Trajectory statistics in combination with previously obtained knowledge (e.g. emission inventories) were able to distinguish between primary and secondary sources (recycling from water, soils and sediments) of HCB. The combination of two trajectory statistics approaches revealed the advantages and disadvantages of each method. This thesis contributed to a better understanding of POP background levels and long-range atmospheric transport processes in the central European region. In the future, trajectory statistics could be used to validate emission inventories of POPs. Several improvements introduced into trajectory statistics in this work will be of future use for the purposes of atmospheric monitoring networks.

Keywords

environmental data, persistent organic pollutants, source-receptor relationships, air mass trajectories, regional observatory Košetice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 8. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 10. 9. 2008
• Supervisor: prof. RNDr. Ivan Holoubek, CSc.
• Reader: Doc. RNDr. Josef Brechler, CSc., RNDr. Josef Keder, CSc., Dr. Eberhard Reimer

Masaryk University

Faculty of Science

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