Influence of a chemical charge on the distribution and degradation of organic chemicals in water-sediment systems

Holzmann, Hannah; Schäffer, Andreas; Klumpp, Erwin

doi:10.18154/RWTH-2020-07276

Influence of a chemical charge on the distribution and degradation of organic chemicals in water-sediment systems = Einfluss einer chemischen Ladung auf die Verteilung und den Abbau organischer Chemikalien in Wasser-Sediment-Systemen

Holzmann, Hannah^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hannah Holzmann

2020

Umfang1 Online-Ressource (XI, 106 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07276
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/793928/files/793928.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
OECD guidelines (frei) ; degredation (frei) ; ionic chemicals (frei) ; sediment (frei) ; surface (frei) ; water (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Einflusses einer chemischen Ladung auf die Verteilung und den Abbau organischer Chemikalien in Wasser-Sediment-Systemen und in Oberflächenwasser. Zu diesem Zweck wurden drei 14C-markierte Testsubstanzen verwendet, wobei 4-n-Dodecylbenzolsulfonsäure Natriumsalz (14C-DS-), 4-n-Dodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid (14C-DA+) und 4-n-Dodecylphenol (14C-DP) jeweils die anionische, kationische und nicht-ionische Testsubstanz darstellen. Die Testsubstanzen zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Ähnlichkeit des hydrophoben Molekülteils aus, wohingegen die Kopfgruppe eine negative (14C-DS-), positive (14C-DA+) bzw. keine (14C-DP) Ladung trägt. Mit diesen Substanzen wurden Simulationstests in Anlehnung an die OECD Testrichtlinien 308 (Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems) und 309 (Aerobic Mineralization in Surface Water - Simulation Biodegradation Test) durchgeführt. Das für die Studien verwendete Sediment und Oberflächenwasser wurden einem Regenrückhaltebecken in Aachen (Deutschland) entnommen. Das Verhalten von 14C-DS-, 14C-DA+ und 14C-DP in einem Wasser-Sediment-System wurde über eine Inkubationszeit von 120 Tagen untersucht. Das Sediment wurde mit verschiedenen Lösemitteln sequentiell extrahiert (CaCl2-Lösung, Methanol und Acetonitril). Das mit 14C-DA+ inkubierte Sediment wurde zusätzlich einer 24-stündigen Soxhlet-Extraktion mit Methanol unterzogen. Nach 120 Tagen betrugen die mineralisierten Anteile von 14C-DS- und 14C-DP jeweils 68% und 63% der applizierten Radioaktivität (AR). 14C-DA+ wurde in geringerem Maße mineralisiert (6% AR). Basierend auf der Mineralisationsrate und den Anteilen der Ausgangssubstanzen in den CaCl2-Exrakten wurde die direkte Bioverfügbarkeit bestimmt, die wie folgt abnahm: 14C-DS- > 14C-DP > 14C-DA+. 14C-DA+ bildete die höchsten Mengen an NER nach 120 Tagen (33% AR), gefolgt von 14C-DS- (19% AR) und 14C-DP (14% AR). Die Halbwertszeiten (DT50) nahmen wie folgt ab: 14C-DA+ (162 Tage) > 14C-DS- (22 Tage) > 14C-DP (14 Tage). Um den Einfluss unterschiedlicher Partikelgrößenfraktionen des Sediments auf den Abbau der Testsubstanzen zu untersuchen, wurden Simulationsstudien nach OECD 308 mit Sand, Schluff und Ton durchgeführt. Nach 14-tägiger Inkubation und unabhängig von der Partikelgrößenfraktion wurden höhere Mengen an 14C-DS- (45-60% AR) und 14C-DP (24-32% AR) mineralisiert im Vergleich zu 14C-DA+ (2-5% AR). Die direkte Bioverfügbarkeit der Testsubstanzen nahm in der gleichen Reihenfolge ab wie in dem Wasser-Sediment-System. In den Ansätzen mit der Sand- bzw. Schlufffraktion wurden die höchsten NER-Mengen von 14C-DS- gebildet (16% AR bzw. 18% AR), in den Ansätzen mit der Tonfraktion war der Anteil für 14C-DA+ mit 24% AR am höchsten. Der Oberflächenwassertest nach OECD 309 wurde als suspendierter Sedimenttest durchgeführt. Zusätzlich wurde der abiotische Abbau der Testsubstanzen unter sterilen Bedingungen untersucht. Hierzu wurde das Wasser autoklaviert und mit Natriumazid behandelt, das Sediment wurde γ-bestrahlt. Nach einer Inkubationszeit von 60 Tagen unter nicht-sterilen Bedingungen betrugen die mineralisierten Anteile von 14C-DS- und 14C-DP 63% bzw.58% AR, wohingegen nur 7% der AR im Falle von 14C-DA+ mineralisiert wurden. Unter sterilen Bedingungen war die Mineralisation der Testsubstanzen vernachlässigbar (< 0,1% AR). Die höchsten Mengen an NER konnten für 14C-DP beobachtet werden (21% AR), gefolgt von 14C-DA+ (14% AR) und 14C-DS- (9% AR). Unter sterilen Bedingungen lagen die nicht-extrahierbaren Anteile von 14C-DS-, 14C-DA+ und 14C-DP jeweils bei 0,1%, 5,5% und 0,6% AR. Die Halbwertszeiten nahmen wie folgt ab: 14C-DA+ (13 Tage) > 14C-DP (1.2 Tage) > 14C-DS- (1 Tag). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass das Schicksal organischer Chemikalien in aquatischen Sedimentsystemen von deren chemischen Ladung beeinflusst wird. Eine positive Ladung führt zu einem verminderten Abbau der Chemikalie im Wasser-Sediment-System und im Oberflächenwasser und erhöht deren Sorption an Sedimentpartikel. Die daraus resultierende höhere Persistenz der positiv geladenen Substanz spiegelt sich auch in deren Halbwertszeit wider, die im Vergleich zu der negativ geladenen und ungeladenen Chemikalie deutlich erhöht ist.

The objective of the present study was to investigate the influence of a chemical charge on the distribution and degradation of organic chemicals in water-sediment systems and in surface water. Three 14C-labelled model substances were used with 4-n-dodecylbenzene sulfonic acid sodium salt (14C-DS-), 4-n-dodecylbenzyltrimethyl ammonium chloride (14C-DA+) and 4-n-dodecylphenol (14C-DP) representing the anionic, cationic and non-ionic model substance, respectively. These model substances were characterised by a high structural similarity of their hydrophobic part, whereas the polar head carried a negative (14C-DS-), positive (14C-DA+) or no charge (14C-DP). Simulation studies following OECD guideline 308 (Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems) and OECD guideline 309 (Aerobic Mineralization in Surface Water - Simulation Biodegradation Test) were performed. Natural sediment and surface water were collected from a rainwater retention basin in Aachen, Germany. The behaviour of 14C-DS-, 14C-DA+ and 14C-DP in a water-sediment system was investigated over an incubation period of 120 days. After removing the water phase, the sediment was extracted sequentially using different solvents (aqueous CaCl2 solution, methanol and acetonitrile). The sediment incubated with 14C-DA+ was additionally extracted under Soxhlet conditions. After 120 days of incubation, mineralisation of 14C-DS- and 14C-DP accounted for 68% and 63% of applied radioactivity (AR), respectively. The cationic compound 14C-DA+ was mineralised to a lesser extent (6% AR). The direct bioavailability of the test substances, based on their mineralisation and portions in the CaCl2 fraction, decreased as follows: 14C-DS- > 14C-DP > 14C-DA+. NER formation was highest for 14C-DA+ (33% AR), followed by 14C-DS- (19% AR) and 14C-DP (14% AR). Half-lives (DT50) of the test substances decreased as follows: 14C-DA+ (162 days) > 14C-DS- (22 days) > 14C-DP (14 days). In order to investigate the influence of sediment particle size fractions on the degradation of the test substances, simulation studies following OECD 308 were performed using the sand, silt and clay fraction. After 14 days of incubation and across all particle fractions, higher amounts of 14C-DS- (45-60% AR) and 14C-DP (24-32% AR) were mineralised compared to 14C-DA+ (2-5% AR). The direct bioavailability of the test substances decreased in the same order as in the water-sediment study (14C-DS- > 14C-DP > 14C-DA+). The highest NER formation in the sand and silt fraction was observed for 14C-DS- (16% AR and 18% AR, respectively). In the clay fraction, NER formation was highest for 14C-DA+ (24% AR). The surface water test following OECD 309 was performed as a suspended sediment test over an incubation time of 60 days. Additionally, abiotic degradation of the test substances was examined under sterile conditions using autoclaved surface water treated with sodium azide and γ-irradiated sediment. After 60 days under non-sterile conditions, mineralised portions of 14C-DS- and 14C-DP accounted for 63% and 58% AR, respectively. Mineralisation of 14C-DA+ was considerably lower (7% AR). Under sterile conditions, mineralisation of 14C-DS-, 14C-DA+ and 14C-DP was negligible (< 0.1% AR). Highest NER formation was observed for 14C-DP (21% AR) followed by 14C-DA+ (14% AR) and 14C-DS- (9% AR). NER formation of 14C-DS-, 14C-DA+ and 14C-DP under sterile conditions accounted for 0.1%, 5.5% and 0.6% AR, respectively. Half-lives of the test substances under non-sterile conditions decreased in the following order: 14C-DA+ (13 days) > 14C-DP (1.2 days) > 14C-DS- (1 day). The results of the present study demonstrated that the fate of organic chemicals in aquatic sediment systems was influenced by their chemical charge. A positive charge leads to a reduced degradation of a chemical in water-sediment systems and in surface water and increases sorption to sediment particles. The resulting higher persistence of the positively charged test substance was also reflected by higher degradation half-lives compared to the negatively charged and neutral test substance.

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