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The world wide population growth and the increasing water scarcity endanger more and more the human society. Water saving measures alone will not be sufficient to solve all associated problems. Therefore, people in arid countries might come back to any kind of water available. In this context the way people regard wastewater must change in terms that it has to be recognized as a water resource. The reuse of wastewater, treated and untreated, for irrigation purposes in agriculture is already established in some semi-arid and arid countries. Countries with absolute water scarcity like Israel might not only be forced to reduce their water consumption, but even to transfer reused water to other sectors. Concerns of authorities and the general public about potential health risks are completely understandable. The health risks of wastewater are mainly originating from pathogens which are negatively correlated with its treatment. Therefore, the quality of a wastewater effluent derived from mechanical-biological treatment can be further improved by additional treatment steps like soil aquifer treatment (SAT). This process is adopted at the Israeli Shafdan facility in the south of Tel Aviv. Conventionally treated wastewater is applied on surface basins from where it percolates into the coastal plain aquifer which supplies approximately one quarter of Israel ́s drinking water. After a certain residence time in the subsurface the water is recovered by wells surrounding the recharge area. Although the pumping regime creates a hydraulic barrier to the pristine groundwater, concerns exist that a contamination of the surrounding drinking water wells could occur. So far, little is known about the removal of organic trace pollutants during the SAT process in general and for the Shafdan site in particular. Consequently, the need arose to study the purification power of the SAT process in terms of the removal of organic trace pollutants. For this purpose reliable wastewater tracers are essential to be able to differentiate between degradation and sorption processes on the one hand and dilution with pristine groundwater on the other hand. Based on their chemical properties, their worldwide usage in a variety of foodstuffs and beverages, and first data about the fate and occurrence of sucralose, artificial sweeteners came into the focus as promising tracer candidates.
Thus, in the present work an analytical method for the simultaneous determination of seven commonly used artificial sweeteners in different water matrices, like surface water and wastewater, was developed (see chapter 2). The method is based on the solid phase extraction (SPE) of the analytes by a styrene-divinylbenzene (SDB) copolymer material, and the analysis by liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass-spectrometry (LC-ESI- MS/MS). The sensitivity in negative ionization mode was considerably enhanced by postcolumn addition of the alkaline modifier tris(hydroxymethyl) aminomethane. In potable water, except for aspartame and neohesperidine dihydrochalchone, absolute recoveries >75 % were obtained for all analytes under investigation, but were considerably reduced due to matrix effects in treated wastewater. The widespread distribution of the artificial sweeteners acesulfame, saccharin, cyclamate, and sucralose in the aquatic environment was proven. Concentrations in two German wastewater treatment plant (WWTP) influents ranged up to 190 μg/L for cyclamate, several tens of μg/L for acesulfame and saccharin, and about 1 μg/L for sucralose. For saccharin and cyclamate removal rates >90 % during wastewater treatment were observed, whereas acesulfame and sucralose turned out to be very persistent. As a result of high influent concentrations and low removal rates in WWTPs, acesulfame was the dominant sweetener in German surface waters with concentrations up to 2.7 μg/L. The detection of acesulfame and sucralose in recovery wells in the Shafdan SAT site in Israel in the μg/L range was a promising sign for their possible use as anthropogenic markers. As acesulfame and sucralose showed a pronounced stability in WWTPs and were detected in recovery wells of the SAT site in Israel it became worthwhile to assess their tracer suitability compared to other organic trace pollutants suggested as anthropogenic markers in the past (see chapter 3). Therefore, the prediction power of the two sweeteners was evaluated in comparison with the antiepileptic drug carbamazepine (CBZ), the X-ray contrast medium diatrizoic acid (DTA) and two benzotriazoles (1H-benzotriazole (BTZ) and its 4-methyl analogue (4TTri)). The concentrations of these compounds and their ratios were tracked from WWTPs with different treatment technologies, to recipient waters and further to river bank filtration (RBF) wells. Additionally, acesulfame and sucralose were compared with CBZ during advanced wastewater treatment by SAT in Israel. Only the persistent compounds acesulfame, sucralose, and CBZ showed stable ratios when comparing influent and effluent
concentrations of four German WWTPs with conventional wastewater treatment. However, by the additional application of powdered activated carbon in a fifth WWTP CBZ, BTZ, and 4-TTri were selectively removed resulting in a pronounced shift of the concentration ratios towards the nearly unaffected sweeteners. Results of a seven months monitoring program along the rivers Rhine and Main showed an excellent correlation between CBZ and acesulfame concentrations (r2 = 0.94), and still good values when correlating the concentrations with both benzotriazoles (r2 = 0.66 - 0.82). In RBF wells acesulfame and CBZ were again the compounds with the best concentration correlation (r2 = 0.85).
Halogenated flame retardants (HFRs) have been applied since the 1960s in various industrial and consumer products to protect humans as well as private and public possessions. In the past decade polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), formerly the major applied HFRs were widely restricted and adopted as Persistent Organic Pollutants (POPs) in the Stockholm Convention due to their adverse effects on humans and the environment as well as their ubiquitous occurrence in the global environment. Besides PBDEs, various alternative HFRs have been applied for decades as well, or were recently developed to replace PBDEs. However, their potential adverse properties, environmental distribution and fate are largely unknown. Therefore, this thesis addresses the global occurrence, distribution and transport of alternative HFRs versus PBDEs in the marine atmosphere and seawater toward the Polar Regions in order to examine their longrange atmospheric transport (LRAT) potential. This thesis presents the first data on alternative HFRs in the atmosphere of the marine environment and the Polar Regions. Alternative brominated flame retardants (BFRs), Dechlorane compounds and PBDEs were investigated in high-volume air and seawater samples taken along several sampling transects in the Atlantic Ocean, Pacific Ocean and Indian Ocean toward the Polar Regions of the Arctic and Antarctic. In addition, three sampling cruises were conducted in the German Bight, North Sea. Several alternative HFRs were detected in the global marine atmosphere and seawater with hexabromobenzene (HBB), pentabromotoluene (PBT), pentabromobenzene (PBBz), 2,3- dibromopropyl-2,4,6-tribromophenyl ether (DPTE) and Dechlorane Plus (DP) being the predominant compounds which were observed in concentrations similar or even higher than PBDEs. Total atmospheric concentrations ranged from <1 pg m-3 over the open oceans up to 42 pg m-3 over the East Indian Archipelago. Seawater concentrations ranged from <1 pg L-1 in open ocean seawater up to 21 pg L-1 in coastal regions, while estuarine concentrations reached up to 6800 pg L-1. Overall, the comparison revealed that alternative HFRs dominate versus PBDEs in air and seawater, both in coastal regions as well as the Polar Regions, showing a shift from PBDEs toward alternative HFR in the marine atmosphere and seawater. The distribution in the global atmosphere was strongly influenced by the proximity to potential source regions and the pathway of the sampled air masses. Highest concentrations were observed in continentally influenced air masses, while low background concentrations occurred during sampling of oceanic remote air masses. In general, Western Europe, East and Southeast Asia but also Africa were identified as source regions for the marine environment, especially for alternative HFRs as well as BDE-209. In contrast, relatively low peak concentrations of the PBDE congeners of the Penta- and OctaBDE mixtures under continental influence were observed, indicating limited emissions of legacy PBDEs. The dry air-seawater gas exchange estimation showed that the atmosphere is a source for seawater resulting in net deposition into the global oceans after atmospheric emissions and transport, both in coastal regions as well as in the open oceans. Besides atmospheric depositions, riverine discharge was shown to act as source for coastal environments. The investigation of sampling transects toward the Polar Regions revealed that several alternative HFRs – in particular HBB, PBT, DPTE, PBBz and DP – undergo LRAT toward the Polar Regions in an extent similar to PBDEs and, therefore, meet the LRAT criterion of POPs under the Stockholm Convention. DP was found to undergo LRAT attached to airborne particles whereby stereoselective LRAT differences were shown for the two DP stereoisomers. With respect to LRAT, the results of this thesis therefore imply that alternative HFRs – in particular HBB, PBT, DPTE and DP – aren’t suitable replacements for PBDEs, but chemicals of emerging global environmental concern and possible future POPs.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine umfangreiche chemische Charakterisierung der Grundwasserbelastung an vier teerbelasteten Altlaststandorten und in angrenzenden Fließgewässern durchgeführt. Darüber hinaus wurde in diesem Zusammenhang auch die Reinigungsleistung von zwei Funnel & Gate Systemen mit Aktivkohle überprüft. Neben den typischen Verbindungen wie den BTEX, PAK und Phenolen lag der Fokus dabei auf der Analytik der NSO-Heterocyclen (NSO-HET), die sich durch eine zum Teil erheblich gesteigerte Wasserlöslichkeit von den homocyclischen Verbindungen unterscheiden. Weiterhin wurde die Adsorbierbarkeit der NSO-HET auf Aktivkohle in Form von Batch- und Säulenversuchen untersucht. Erhaltene Adsorptionsisothermen wurden nach Freundlich ausgewertet und zur Validierung mit Ergebnissen der Säulenversuche verglichen. Insgesamt wurden analytische Verfahren zur Quantifizierung von 100 Verbindungen, darunter 40 NSO-HET, aus wässrigen und festen Proben über Headspace GC-FID, HPLC-DAD/FLD, GC-MS und LC-MSMS entwickelt. Zur Analyse im ng l-1 Bereich wurde ein SPE-Extraktionsverfahren angewendet, welches nach einer Fraktionierung des Probenextraktes die Vorteile der GC-MS und LC-MSMS Analytik kombiniert. An allen vier untersuchten Standorten konnten sehr hohe Konzentrationen aromatischer Verbindungen nachgewiesen werden. Darunter sind im Besonderen auch Vertreter der NSO-HET wie z.B. 1-Benzothiophen und Dibenzofuran. Abgesehen von Carbazol konnten allgemein jedoch nur geringe Konzentrationen der N-HET quantifiziert werden. Nahezu alle Verbindungen des Substanzspektrums wurden im Grundwasser der Standorte gefunden. In den angrenzenden Fließgewässern wurde ein eindeutiger Eintrag der Verbindungen erkannt, die auch im Uferbereich der Standorte in hohen Konzentrationen vorlagen. Hierzu gehören neben den PAK wie z.B. Acenaphthen, Naphthalin und 1-Methylnaphthalin auch die Heterocyclen 1-Benzothiophen und Dibenzofuran. Die Ergebnisse unterstreichen damit die Bedeutung von heterocyclischen Verbindungen an teerbelasteten Altlaststandorten. Der Eintrag wurde an einem Standort in Form von Frachtberechnungen quantifiziert und beträgt in Summe ca. 5 kg/Jahr. Gegenüber der Hintergrundbelastung wird damit in der wässrigen Phase eine Zunahme der Gesamtfracht an aromatischen Verbindungen in Höhe von ca. 50 % verursacht. Vergleichsweise hohe Konzentrationen der N-HET und hier im Besonderen für Acridin und 2-Methylchinolin wurden in den zwei untersuchten Fließgewässern bestimmt. Die Altlaststandorte besitzen jedoch keinen Einfluss auf die Konzentrationen dieser Verbindungen und müssen demnach auf andere Quellen zurückzuführen sein. Diesbezüglich wurden Zusammenhänge zwischen Acridin und dem Arzneistoff Carbamazepin in explorativen Messungen untersucht und diskutiert. Adsorptionsisothermenparameter sind für insgesamt 24 Verbindungen beschrieben und wurden für 2-Methylchinolin auch bei verschiedenen pH-Werten erfasst. Die Ergebnisse der Batchversuche stehen in guter Übereinstimmung mit den Säulenversuchsdaten. Neben artifiziellen Lösungen wurde hier auch ein Säulenlauf mit Realwasser eines Altlaststandortes durchgeführt. Im Allgemeinen zeigen die N-HET und O-HET im Vergleich mit den verwandten Homocyclen eine geringere Adsorbierbarkeit. Das geringste Adsorptionspotential unter den untersuchten Verbindungen wurde jedoch für monocyclische Verbindungen wie Phenol und Benzol gefunden. Für beide Funnel & Gate Systeme konnte eine hervorragende Reinigungsleistung von über 99% bezüglich des erfassten Grundwassers bestätigt werden. Gegenüber den Zulauf-konzentrationen wurden im Ablauf keine nennenswerten Konzentrationen quantifiziert.
Der vielfältige Einsatz von unterschiedlichen organischen Substanzen in Haushalt, Landwirtschaft und Industrie hat zur Folge, dass diese eventuell in die aquatische Umwelt gelangen. Jede dieser Substanzen stellt potentiell eine Gefährdung der verschiedenen Wasserressourcen dar. Deshalb ist zur Sicherung der Trinkwasserqualität eine ständige und umfassende Überwachung der Ressourcen, die für die Trinkwasseraufbereitung verwendet werden, auf diese organischen Spurenstoffe notwendig. Als Ergänzung zum weitverbreiteten Target-Screening gewinnt das Non-Target-Screening mittels HPLC-MS in den letzten Jahren zunehmend bei der Überwachung von für die Trinkwasserherstellung genützter Wasserressourcen an Bedeutung. Diese Arbeit beschreibt neue Strategien für das Screening und die Identifizierung unerwarteter oder unbekannter organischer Spurenstoffe in Wasser mittels HPLC-QTOF-MS. Dabei werden alle Komponenten bei der Datenauswertung berücksichtigt, die mittels der verwendeten Analysenmethode detektierbar sind. Dies entspricht der Grundidee des Non-Target-Screenings. Dabei ist während des Screenings aufgrund der hohen Anzahl an detektierten Substanzen pro Probe eine Fokussierung auf wenige relevante Kontaminanten zwingend notwendig. Deshalb wird eine Probe nicht isoliert betrachtet, sondern es erfolgt eine vergleichende Betrachtung von mehreren Proben mit einer räumlichen, zeitlichen oder prozessbezogenen Beziehung. Die Effizienz der entwickelten Strategien konnte sowohl bei der Identifizierung von unbekannten Substanzen in Grundwasserüberwachungsproben als auch bei der Ermittlung von Oxidationsnebenprodukten von bekannten Kontaminanten (4- and 5-Methyl-1H-benzotriazol) bei der Ozonierung von Donauwasser erfolgreich gezeigt werden. Außerdem wurde für eine effektivere Unterstützung der Identifizierung von Substanzen das Datenbankkonzept DAIOS (Database-Assisted Identification of Organic Substances) angewandt. Schlussendlich können die beschriebenen neuen Strategien für das Screening und die Identifizierung organischer Spurenstoffe in Wasser für zahlreiche andere Anwendungsgebiete und Fragestellungen der Umweltanalytik, wie z.B. Überwachung von Altlastensanierung oder Prozessschritten der Trink- und Abwasseraufbereitung, eingesetzt werden.