Osud a biodostupnost POPs v artificiálních a reálných půdách

Bc. Klára Vlčková, Ph.D.

Master's thesis

Fate and bioavailability of POPs in artificial soils

Abstract:

Biodostupnost je jedním ze základních faktorů v půdní ekotoxikologii. K jejímu studiu se používá celá řada metod. Biologické metody, reprezentované například stanovováním bioakumulace v žížalách, jsou i přes svá omezení nepostradatelné, protože ony jediné nám dávají informace o biodostupnosti samotné bez nutnosti extrapolací a korelací nutných pro metody nebiologické. Vedle reálných půd se k hodnocení toxicity a bioakumulace standardně využívá i půd uměle připravených. Přesto je zde celá řada otázek, nakolik mohou tyto půdy zastupovat půdy reálné, protože mají odlišný charakter jednotlivých složek, podíl organického materiálu atd. Bioakumulace v žížalách Eisenia fetida byla použita v této diplomové práci s cílem zjistit jak se liší osud a biodostupnost vybraných POPs v půdách reálných a artificiálních a to v různých časech od přídavku látek. Byly vybrány tři reálné půdy s rozdílným podílem organického uhlíku (total organic content, TOC) – orná půda (1,79%), trvalý travní porost (5,61%) a lesní půda (12,61%), a k nim byly připraveny tři ekvivalentní umělé půdy se stejnými obsahy TOC. Následně byly půdy kontaminovány modelovými perzistentními organickými polutanty - POPs (fenantren, pyren, γ-HCH – lindan, p,p´-DDT, PCB 153) a ve stanovených časech (1, 14, 28 a 56 dní) byly založeny bioakumulační testy se žížalou Eisenia fetida. Jako kontaminační metoda byl použit ověřený postup z literatury a kontrola homogenity kontaminace ukázala, že tato metoda vede k jednotnému rozložení látek v půdě s nízkými koeficienty variance (3,2 – 14,9%). Optimalizační experiment potvrdil vhodnou metodiku expozice žížal E. fetida, vhodnost použitých koncentrací (10 a 1 mg/kg), počet opakování a postup extrakce a analýzy látek v žížalách. Z výsledků hlavního bioakumulačního experimentu vyplynulo, že i) bioakumulace POPs se výrazně lišila mezi půdami s odlišným obsahem TOC, ii) bioakumulace POPs v půdách uměle připravených byla nižší než v půdách reálných, i když jejich TOC bylo stejné a iii) narůstající doba kontaminace způsobila pokles biodostupnosti u většiny půd a snížila rozdíly mezi půdami. U lesních půd (umělé i reálné) byl vliv doby kontaminace nejmenší a je možné, že u těchto půd došlo k velmi rychlé sorpci látek na půdu již před prvním bioakumulačním testem. U orných půd, kde je podíl TOC nízký, nebyla sorpce tak rychlá, a proto bylo možné pozorovat snižování bioakumulace v závislosti na době kontaminace. Výsledky této diplomové práce potvrzují význam organického uhlíku jako faktoru biodostupnosti, přičemž se ukázalo, že zásadní není pouze jeho obsah (TOC) ale zřejmě i charakter a další půdní vlastnosti. Zároveň byla v rámci diplomové práce úspěšně zavedena metodika studia bioakumulace POPs v žížalách E. fetida využitelná v dalších studiích.

Abstract:

Bioavailability is the key factor in soil ecotoxicology. There are many methods which are used for its assessment. Although biological methods have some limitations, they are necessary because only they provide us the information about bioavailability itself without need of extrapolations and correlations which are required by chemical methods. Bioaccumulation in earthworms is good example of the biological methods. Artificial soils are used besides natural soils for the assessment of toxicity and bioaccumulation, but there are many questions about the validity of their use. They have different character of components, organic carboncontent etc. Bioaccumulation in earthworms Eisenia fetida was used in my diploma thesis to investigate the differences in the fate and bioavailability of selected POPs in real and artificial soils. The effects of aging were studied as well. Three natural soils were used with different total organic carbon content (TOC) – arable soil (1.79%), grassland soil (5.61%) and forest soil (12.61%), and three artifial soils were prepared to have the same TOC as the natural soils. Soils were contaminated by persistent organic pollutants - POPs (phenantrene, pyrene, γ-HCH – lindane, p,p´-DDT, PCB 153) and bioaccumulation tests with Eisenia fetida were performed at defined times (1, 14, 28 a 56 days). Method from literature was used for soil spiking with pollutants and the control assay confirmed great homogeneity of the soil contamination by this method – coefficients of variance were 3.2 – 14.9%. Optimization experiment verified exposure method for earthworms E. fetida, suitability of the used concentrations (10 and 1 mg/kg), number of replicates as well as extraction and analytical procedure for POPs in earthworms. According to the results of the main experiment, it is clear that i) bioaccumulation of POPs was significantly different between various soils with different TOC, ii) bioaccumulation of POPs was lower in artificial soils than in real soils although they had the same TOC, and iii) aging caused decrease in POPs bioavailability in the most soils and it also decreased the observed differences between soils. In forest soils (both artificial and real), the influence was the lowest and it is also possible that sorption of contaminants to soil was very fast in these soils, even before the first bioaccumulation test. In arable soils with low TOC, sorption was not so fast and therefore it was possible to observe bioavailability reduced by aging. The results of this diploma thesis confirm the importance of soil organic matter as the main bioavailability factor. However, it is apparent that not only organic carbon content (TOC) but also its character and other soil properties must be considered. In this work, methodology was successfully introduced to study POPs bioaccumulation in the earthworms Eisenia fetida. This methodology will be used in next studies.

Keywords

perzistentní organické polutanty, půda, umělé půdy, biodostupnost, bioakumulace, Eisenia fetida, stárnutí kontaminace, persistent organic pollutants, soils, artificial soils, bioavailability, bioaccumulation, aging

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2009
• Supervisor: doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biology / General Biology