Band 56:
Zareitalabad, Parva (2013): Concentration, fate and ecotoxicological effects of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonic acid in soil
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 56, 100 S. (2013), 12,- €
Kurzfassung Band 56
Zareitalabad, Parva (2013): Concentration, fate and ecotoxicological effects of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonic acid in soil
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 56, 100 S. (2013), 12,- €
Kurzfassung:
Das Ziel dieser Arbeit ist die Aufklärung des Verhaltens und der Wirkung der Schadstoffe Perfluoroktansäure (PFOA) und Perfluorsulfonsäure (PFOS) in der Umwelt, insbesondere in Böden. Das erste Kapitel analysiert die Variabilität von Sorptionskoeffizienten verschiedener Sorbenten und vergleicht „globale“ Verteilungskoeffizienten mit experimentell ermittelten Koeffizienten. Dazu wurden publizierte Konzentrationen von PFOA und PFOS in verschiedenen Umnweltkompartimenten in einer Metaanalyse verrechnet und publizierte Sorptionsstudien zusammengefasst. Das zweite Kapitel der Arbeit prüft den Einfluss des endogäischen, geophagen Regenwurms Aporrectodea caliginosa auf Bodenmikroorganismen und den Umsatz organischer Bodensubstanz. Zu diesem Zweck wurde ein Mikrokosmosversuch etabliert mit 15N-markiertem Mais (Zea mays (L.) als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle. Im dritten Kapitel wird die Ökotoxizität von PFOA und PFOS auf Aporrectodea caliginosa und mikrobeille Biomasse untersucht. Auch hierzu wurde ein Mikrokosmosversuch über 40 Tage etabliert mit vier Konzentrationsstufen von PFOA und PFOS (Kontrolle, 1, 100, 500 mg kg–1) und markiertem haferbürtigem Humus (Avena sativa L.) als Kohlenstoffquelle. Die Literaturstudie zur Sorption von PFOA und PFOS ergab einen durchschnittlichen log Koc Wert von 2.8 für PFOA und von 3.0 für PFOS. Median Konzentrationen in Sedimenten (PFOA, 0.27 ng g–1; PFOS, 0.54 ng g–1) und Klärschlamm (PFOA, 37 ng g–1; PFOS, 69 ng g–1) im Verhältnis zu Konzentrationen in Oberflächengewässern (PFOA, 3 ng l–1; PFOS, 3 ng l–1) oder Abwasser (PFOA, 24 ng l–1; PFOS, 11 ng l–1) deuten an, dass „globale“ log Koc Verteilungskoeffizienten nahe 3.7 für PFOA und nahe 4.2 für PFOS liegen könnten. Im ökologischen Experiment reduzierte die Anwesenheit von Regenwürmern signifikant die Kohlenstoff (Cmic) und Stickstoffmenge (Nmic) in der mikrobiellen Biomasse, sowie der Ergosterol konzentration im Boden. Die Phosphormenge in der mikrobiellen Biomasse wurde nicht beeinflusst. Im Gegensatz zu einer signifikanten Veränderung des Cmic/Nmic Verhältnisses in der Anwesenheit von Regenwürmern, blieben Cmic/Pmic und Ergosterol/Cmic unbeeinflusst. Die Zugabe von Regenwürmern verringerte den Anteil an markiertem C und N in der mikrobiellen Biomasse. Analysen des Regenwurmgewebes zeigten eine stärkere Assimilation von bodenbürtigem N nach Zugabe von Maisstroh. Regenwürmer hatten keinen Einfluss auf die Dynamik der partikulären organischen Substanz (POM). Die kumulative Bodenatmung war allerdings größer in der Anwesenheit von Regenwürmern. Die Anwesenheit von PFOA und PFOS im Boden erhöhte die mikrobielle Biomasse unabhängig von ihrer Konzentration. Im Gegensatz dazu zeigte die Bodenatmung einen entgegengesetzten Trend, allerding mit großer Streuung der Daten. Auch der Umsatz des haferbürtigen C wurde durch PFOA und PFOS nicht beeinflusst, wohingegen die δ15N Werte der Versuchsvarianten sich deutlich unterschieden. Die Regwürmer verloren 29% bzw. 78% ihrer Biomasse in Böden, die 1 mg kg–1 und 100 mg kg–1 PFOA oder PFOS enthielten. In Böden mit 500 mg kg–1 PFOA und PFOS überlebten die Regenwürmer nicht. Zusammenfassend zeigte die Literaturstudie zur Sorption von PFOA und PFOS, dass die Anwendung von log Koc Verteilungskoeffizienten aus Laborstudien potenziell zu einer gravierenden Überschätzung der Konzentrationen von PFOA und PFOS im Bodenwasser und damit zu einer Unterschätzung der Verweilzeit der Stoffe in kontaminierten Böden führen kann. Trotzdem wird der größte Anteil dieser Stoffe aus kontaminierten Standorten ins Grund und Oberflächengewässer transportiert werden. Der signifikante Einfluss von Regenwürmern auf Bodenmikroorganismen legt nahe, dass ihr indirekter Einfluss auf den Abbau organischer Bodensubstanz größer ist als ihr direkter Einfluss durch ihre Aufnahme von organischem Material. Die Anwesenheit von PFCs in Böden verschiebt dieses Gleichgewicht zwischen der Regenwurmbiomasse und mikrobieller Biomasse, wobei zu beachten ist, dass bereits unterhalb von Konzentrationen von 100mg PFC pro kg Boden die Regenwürmer nicht mehr alle überlebten.
Abstract Band 56
Zareitalabad, Parva (2013): Concentration, fate and ecotoxicological effects of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonic acid in soil
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 56, 100 S. (2013), 12,- €
Abstract:
The aim of this thesis is to evaluate the fate and effects of the contaminants perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) in the environment, particularly soils. The first chapter assesses the variability of sorption coefficients for different sorbents comparing calculated “global” distribution coefficients with experimentally determined coefficients. The variability of published sorption coefficients has been reviewed on a basis of a metadata analyses with calculating this coefficient by the concentrations of PFCs in different mediums. The second chapter evaluates the feeding effect of endogeic geophagous earthworm Aporrectodea caliginosa on soil microbial performances and fate of organic matter in soil. To this end a microcosm experiment was set up for 56 days with maize (Zea mays L.) labeled with δ15N. The third chapter examines the ecotoxicity of PFOA and PFOS on this earthworm species and microbial biomass in soil. A microcosm test was set up with PFOA and PFOS at four concentrations with labeled oat-derived organic matter as carbon source (Avena sativa L.). The literature review on PFC sorption showed an average log Koc of approximately 2.8 for PFOA and 3.0 for PFOS. Median concentrations in sediments (PFOA, 0.27 ng g–1; PFOS, 0.54 ng g–1) or sewage sludge (PFOA, 37 ng g–1; PFOS, 69 ng g–1) in relation to median concentrations in surface water (PFOA, 3 ng l–1; PFOS, 3 ng l–1) or wastewater treatment effluent (PFOA, 24 ng l–1; PFOS, 11 ng l–1), suggest that effective global log Koc distribution coefficients for the field situation may be close to 3.7 for PFOA and 4.2 for PFOS. In the ecological experiment, the presence of earthworms led to a significant reduction of microbial biomass C (Cmic), biomass N (Nmic), ergosterol and an insignificant decline in microbial biomass P (Pmic) compared with the non-earthworm treatments. In contrast to the significant increment of Cmic/Nmic in presence of earthworms, the rest of microbial indices (Cmic/Pmic, and Ergosterol/Cmic) remained constant. The addition of earthworms declined maize straw-derived C and N in the microbial biomass. Analysis of earthworm tissue showed more assimilation of N than C in the presence of maize straw. Earthworms did not affect the dynamics of particulate organic matter (POM). Cumulative CO2 respiration (∑ CO2-C), however, was greater in the presence of earthworms. The presence of PFOA and PFOS in soil increased the contents of Cmic, irrespective of the applied PFOA and PFOS concentrations. In contrast, cumulative soil respiration followed the inverse trend with scattered data. Also the fate of the labeled oat carbon source was not significantly influenced by the presence of PFCs, whereas soil δ15N values clearly differed among the treatments. The earthworms lost 29% and 78% of their weight in the soils contaminated with lower PFC concentrations, but in the treatments with the highest concentration of 500mgkg–1 PFOA or PFOS, no earthworms survived. In conclusion the literature review on PFC sorption revealed that the application of lab-based log Koc distribution coefficients can potentially lead to a severe overestimation of PFC concentrations in soil water and in turn to an underestimation of the residence time of PFOA and PFOS in contaminated soils. Nevertheless, the vast majority of PFOA and PFOS from contaminated soils will be transported to ground- surface water bodies. The significant effect of the feeding activity of earthworms on microorganisms indicates that indirect impacts on decomposition processes play a more important role than the direct feeding of earthworms on the substrate. The presence of PFCs in soil may shift this balance between earthworm versus microbial biomass and activity, showing above critical threshold levels (>100mg PFC kg-1) raise the earthworms mortality.