Applying Organic Compounds as Indicators in Innovative Monitoring Strategies

by Wiebke Warner
Doctoral thesis
Date of Examination:2019-07-08
Date of issue:2019-08-07
Advisor:Prof. Dr. Tobias Licha
Referee:Prof. Dr. Matthias Willbold
Referee:Dr. Karsten Nödler
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7590

 

 

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Abstract

English

Today, demands on water quality are diverse and strongly differ by water use related criteria. Additionally, the complex topic of water quality is of increasing importance for citizens and is therefore often emotionally loaded by media. Surface waters are important ecosystems for biota. Additionally, they can serve as drinking water resources and have become increasingly important for recreational activities and tourism. Ground and surface waters hence deserve protection, which creates a need for reliable water quality monitoring that produces high resolution and information-rich water quality data. Currently, European water quality is assessed under the water framework directive (WFD), which has shown that water quality needs to be improved in many catchments. Nowadays, water quality data are based on fixed stations with monitoring conducted on predetermined dates and focusing on a more historically relevant list of classic water quality indicators. This often generates a biased and insufficient picture of the water quality. Understanding system dynamics to meet the needs of divers demands on water quality between catchments and water bodies requires a more flexible approach, while producing more meaningful data. Classic water quality indicators, such as inorganic ions, are often not source specific and too general as they have myriad different anthropogenic and natural origins. They are only to a minor extent suitable for reliable source apportionment, to understand system dynamics and risk assessment. In contrast, sources of micropollutants such as pharmaceuticals, lifestyle and personal care products, pesticides, household chemicals etc., are strongly related to anthropogenic activities. These in turn are very source specific, bear neglectable natural background concentrations, and hence can act as powerful, reliable and unbiased indicators. This thesis gives a comprehensive and systematic overview of (micro)pollutants used as indicators in the aquatic environment over the last decades. Successfully exploiting micropollutants as indictors starts with appropriate sampling procedures, sample storage and analysis. These are essential steps in providing reliable data. This review is structured into the qualitative, semi-quantitative and quantitative use of indicators and presents a guide on how to decide for a suitable set of indicators. Besides suitable sets of indicators, a water quality monitoring strategy, adjusted to the catchment needs and producing reliable and information-rich data, is important for water quality assessment. Even though micropollutants are powerful indicators, they require analysis in a laboratory environment and do not allow acquisition in real-time. Correlating micropollutants which indicate a water quality threat to a universal signal (proxy), e.g. electrical conductivity, enables real-time data. Proxy mapping permits detecting potential pollution hot spots with a high information density for consecutive sampling. These signals can be derived from cheap sensor arrays in real-time which can easily be installed on automated sampling boats or drones. The successful application of this innovative strategy is presented on the inflow of a small tributary into Lake Garda (Italy) with an EC anomaly. Besides recent applications, micropollutants can also serve to reconstruct historic pollution when they are stored in environmental archives such as sediment cores. This transfer is presented by two age-dated sediment cores of Lake Süßer See (Mansfeld area, Germany) historically a region of high intensity copper shale mining. Released during combustion, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), and especially the ratios of them, allowed delineating aqueous particle-bond trans- port of PAHs into the lake from atmospheric deposition. Furthermore, an outlook for possible changes and new possibilities in water quality monitoring is presented. Future water quality problems regarding highly polar persistent mobile organic compounds (PMOCs) breaking the barrier into drinking water and indicators for pristine non-anthropogenic influenced areas are discussed in the conclusions of this thesis.
Keywords: micropollutants; water framework directive; innovative monitoring strategies; indicators

German

Die Anforderungen an Gewässerqualität werden heutzutage immer komplexer und sind sehr verschieden je nach Art der Wassernutzung. Zusätzlich hat das Thema Gewässerqualität zunehmend eine gesteigerte Wichtigkeit in der Bevölkerung, maßgeblich auch durch die emotionale Berichterstattung in den Medien. Dennoch sind Oberflächengewässer essentielle Ökosysteme, können der Trinkwassergewinnung dienen und werden immer wichtiger in Hinblick auf Freizeitaktivitäten wie Naherholung und Tourismus. Grund- und Oberflächengewässer benötigen aus diesem Grund besonderen Schutz und ein verlässliches Überwachungssystem. Zur Zeit findet Gewässerqualitätsüberwachung unter dem Schirm der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) statt und hat gezeigt, dass viele Gewässerkörper eine verbesserungswürdige Qualität haben. Gewässerqualitätsdaten werden dadurch erhoben, dass an definierten Standorten und festen Terminen Gewässerproben entnommen und hinsichtlich, einer, eher historisch relevanten, Liste an Gewässerqualitätsparametern bestimmt werden. Dies erzeugt häufig ein falsches und unvollständiges Abbild der realen Gewässerqualität. Um zusätzlich auch Informationen über die Dynamik eines Systems zu erlangen, die Gewässerqualität besser zu erfassen und um die verschieden Bedürfnisse mit einzubeziehen, brauchen wir einen flexibleren Ansatz mit dem bessere Datensätze erzeugt werden können. Klassische Gewässerqualitätsindikatoren, wie anorganische Ionen sind oft nicht spezifisch genug, da sie viele anthropogene, aber gleichzeitig auch natürliche Quellen haben. Sie sind somit nur in einem geringen Maße in der Lage Quellen zuzuordnen, Systemdynamiken zu verstehen oder Risiken abzuschätzen. Im Gegensatz dazu sind Quellen von Mikroschadstoffen wie Pharmaka, Pestizide, Zusätze in Kosmetikprodukten etc. stark anthropogen korreliert und sehr quellspezifisch mit einem vernachlässigbaren natürlichen Hintergrund und können somit hervorragend als Indikatoren genutzt werden. Diese Arbeit gibt einen systematischen und umfassenden Überblick über die Nutzung von Mikroschadstoffen als Indikatoren in der aquatischen Umwelt. Die Nutzung von Mikroschadstoffen erfordert gleichermaßen eine sorgfältige Probenahme, deren richtige Lagerung und Analyse. Diese Zusammenfassung ist gegliedert in die qualitative, semi-quantitative und quantitative Anwendung, was ein Novum in der internationalen Literatur darstellt. Darüber hinaus gibt es eine verständliche Hilfestellung zur Auswahl geeigneter Indikatoren hinsichtlich spezifischer Fragestellungen. Neben der Auswahl an Gewässerqualitätsindikatoren, ist eine an das Einzugsgebiet angepasste Gewässerüberwachungsstrategie, die verlässliche und informative Daten liefert, unerlässlich. Auch wenn Mikroschadstoffe hervorragende Indikatoren sind, benötigen diese eine Laboranalyse und können keine Echtzeitdaten liefern. Korreliert man aber Mikroschadstoffe mit Summenparametern wie Leitfähigkeit oder universellen Parametern wie Temperatur, kann dieser Proxy für Echtzeitdaten genutzt werden, da das Erfassen von Proxy-Daten häufig sehr viel kostengünstiger ist und im Feld durchgeführt werden kann. Eine Erfassung des Gewässerkörpers mit Hilfe dieser Proxies kann helfen potentielle Einträge zu detektieren, an welchen dann Proben zwecks Laboranalysen genommen werden können, was die Informationsdichte gegenüber herkömmlichen Probenahmestrategien signifikant erhöht. Dies konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich an einem Zufluss des Garda-Sees (Italien) mit einer Leitfähigkeitsanomalie demonstriert werden. Neben aktuellen Fragestellungen können Mikroschadstoffe aber auch genutzt werden, um historische Belastungsereignisse zu rekonstruieren, wenn sie in Umweltarchive, wie Sedimentkerne eingelagert wurden. Dieser Transfer konnte er- folgreich anhand zweier altersdatierter Tiefenprofile des Süßen Sees (Mansfeld, Germany) gezeigt werden. Durch die Kupferschieferverhüttung in diesem Gebiet sind polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) in die Umwelt und in den Wasserkörper gelangt. Das Verhältnis verschiedener PAKs zueinander gibt Aufschluss darüber ob diese durch atmosphärischen oder partikelgetragenen Transport in den See gelangt sind. Ferner konnte der industrielle PAK-Ausstoß von dem Brand einer nahegelegenen Fabrik abgegrenzt werden. Schlussendlich wird ein Ausblick auf denkbare Veränderungen und Möglichkeiten hinsichtlich der Gewässerqualitätsüberwachung gegeben, sowie Möglichkeiten der Nutzung zukünftiger problematischer Stoffgruppen als Indikatoren aufgezeigt und Perspektiven für Indikatoren in menschenunbeeinflussten Gebieten gegeben.
 
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