Dynamika toku karbamazepinu v systému "voda-sediment" za přítomnosti mlžů

Nathalie Andrlová

Bachelor's thesis

Carbamazepine flow dynamics in the "water-sediment" system with bivalve occurence

Abstract:

Léčiva vstupují do prostředí v enormním množství v důsledku jejich použití a likvidace, a představují globální hrozbu pro zdraví ekosystémů i člověka. Karbamazepin (CBZ) patří mezi často se vyskytující léčiva ve sladkovodním prostředí v důsledku výtoků z čistíren odpadních vod. Lze jej nalézt ve volné vodě i v sedimentu vodních útvarů. Zde žijí bentické organismy včetně filtrujících mlžů jako významných ekosystémových inženýrů. Výzkum se zaměřuje na sledování vlivu CBZ na mlže. Role přepracování sedimentu a vlivu bioturbace na chování CBZ dosud nebyla vyhodnocena, ačkoliv mlži jsou typickými bioturbátory ovlivňujícími transport kyslíku, živin a kontaminantů. Významnou roli v tomto procesu mohou hrát i invazní druhy. Cílem této práce bylo charakterizovat na základě literární rešerše chování kontaminantů ve vodním prostředí s biologickým efektem bentických organismů. V rámci laboratorního experimentu bylo provedeno vyhodnocení transportu referenčního (NaCl, NaNO3) a cílového (CBZ) kontaminantu a jejich časoprostorové distribuce mezi volnou a podpovrchovou vodou. V kádinkách experimentálního PFT systému na rozhraní voda-sediment se vyskytovali zástupci dvou invazních druhů mlžů (dva jedinci Sinanodonta woodiana nebo deset jedinců Corbicula fluminea). V prostředí volné vody došlo k výraznému zvýšení hodnot látek těsně po jejich aplikaci do kádinek. Snížení zatížení v průběhu dílčích 48-hodinových experimentů bylo zapříčiněno zejména ředěním v rámci PFT systému. Tento proces probíhal také v pórové vodě, nicméně mnohem významněji se zde projevil biologický efekt mlžů. Bioturbační aktivita infaunálního mlže C. fluminea měla za následek vyšší tok kontaminantů z vody do sedimentu po uplynutí několika hodin od začátku experimentů. V důsledku zvýšené prostupnosti rozhraní voda-sediment se zároveň zvyšoval i ředící efekt, a proto byly koncentrace látek ve volné a pórové vodě na konci experimentu podobné. Bioturbační aktivita epifaunálního mlže S. woodiana se projevila méně zřetelně, a navíc byla ovlivněna daným kontaminantem. Zatímco v přítomnosti NaCl byl pohyb látky v čase podobný jako v případě C. fluminea, dynamika toku dalších kontaminantů (NaNO3, CBZ) se naopak více blížila situaci bez mlžů. Tyto poznatky by mohly být využity při hodnocení ekosystémových služeb bioturbátorů a vlivu invazních druhů na organismy žijící uvnitř dna vodních útvarů (včetně juvenilních mlžů). Toky kontaminantů v prostředí by bylo možné sledovat jak z volné vody do sedimentu, tak v opačném směru, přičemž by měly být zkoumány při vícenásobném výskytu znečišťujících látek jako v reálném prostředí.

Abstract:

Pharmaceuticals enter into the environment in enormous quantities as a result of their use and disposal, and pose a global threat for ecosystems and human health. Carbamazepine (CBZ) is one of pharmaceutically active compounds commonly found in the freshwaters via sewage treatment plant effluents. It can be found both in the open water and sediment of water bodies where benthic organisms including bivalves (= filter-feeders, important ecosystem engineers) live. Research work is focused on investigation of effects of CBZ on bivalves. Role of sediment reworking and effects of bioturbation on CBZ behavior has not been assessed up to now, although bivalves are typical bioturbators affecting transport of oxygen, nutrients and contaminants. Invasive species can play an important role in the process of bioturbation. The objective of this study was to characterize contaminant flow dynamics in the water environment with biological effect of benthic organisms (based on literature review). Within lab experiment, transport of reference (NaCl, NaNO3) and target (CBZ) contaminants and their spatiotemporal distribution between surface and subsurface water were assessed. In the experimental PFT (pulsed flow-through auto-feeding beaker) system, specimens of two invasive bivalve species (two individuals of Sinanodonta woodiana or ten individuals of Corbicula fluminea) occurred at the water-sediment interface. Considerable increase in contaminant concentrations in the surface water was recorded close to time of their application into the beakers. Reduction of loading during subexperiments (48 h.) was caused mainly by dilution within PFT system. This process ran also in the pore water but biological effect of bivalves became evident much more there. Bioturbation activity of infaunal bivalves (C. fluminea) induced higher flow of contaminants from surface water into sediment after few hours from start of experiments. At the same time, dilution effect was more significant as a result of higher permeation rate of water-sediment interface. Thus, contaminant concentrations both in the surface and subsurface water were similar at the end of experiments. Bioturbation activity of epifaunal bivalves (S. woodiana) was less obvious and affected by type of contaminant. Transport of salt during NaCl test within the beakers with occurrence of both bivalve species was similar; however, flow dynamics of other contaminants (NaNO3, CBZ) came close to situation with no bivalves. These findings could be used during assessments of ecosystem services provided by bioturbators and effects of invasive species on aquatic organisms living inside the bottom of water bodies (including juvenile mussels). Flow dynamics of contaminants from open water to sediment and vice versa could be investigated, and real multiple-contaminant exposure should be also examined.

Keywords

léčiva, invazní druhy, filtrátoři, kyslík, Corbicula sp., Dreissena sp., Sinanodonta sp.

Keywords

invasive species, pharmaceuticals, filter-feeders, oxygen, Corbicula sp., Dreissena sp., Sinanodonta sp.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Karel Douda, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / field:
Landscape Conservation and Use of Natural Resources / Landscape Conservation and Use of Natural Resources