Author:

Abstract:

Tijdens de eerste helft van de vorige eeuw zijn door het ongecontroleerd storten van restpartijen koolteer op terreinen van stadsgasfabrieken en later door de intensieve toepassing van olieproducten, veel schadelijke stoffen in het milieu terecht gekomen. Polycyclische aromatische koolwa terstoffen (PAK’s) vormen een belangrijke groep binnen de verouderde, pe rsistente verontreinigingen die nog steeds worden aangetroffen bij voorm alige stadsgasfabrieken. Olielekkages en -lozingen zijn, ook nu nog, een belangrijke bron van bodemverontreiniging. Minerale oliën bevatten een percentage PAK’s, dat samen met asfaltenen en enkele andere groepen vert akte moleculen, het slecht afbreekbare deel van een olieverontreiniging vormt. Voor het reinigen van verontreinigde grond zijn bioremediatietech nieken ontwikkeld die gebruik maken van micro-organismen. Onder aërobe c ondities zetten micro-organismen minerale olie om in water en CO2. Deze biodegradatie wordt vaak belemmerd door de beperkingen van het fysische en chemische bodemmilieu. Echter, zelfs als aan alle vereisten voor een aëroob afbraakproces is voldaan, wordt de saneringsdoelstelling vaak nie t gehaald met biologische afbraak. De vooraf vastgestelde eindwaarden vo or restconcentraties worden niet bereikt. Dit verschijnsel roept vragen op over de biobeschikbaarheid van de verontreinigingen. Veroudering ( ageing) van een bodemverontreiniging kan worden gedefinieerd als het lange termijn proces waarbij verontreinigingen steeds moeilijker vrijkom en van bodem en sediment. De belangrijkste doelstelling van deze studie is het vaststellen van dit verouderingsproces in bodems verontreinigd me t PAK’s en minerale olie. Hoofdstuk 1 plaatst het onderzoek in historisch perspectief en bespreekt de maatschappelijke relevantie van het onderzoek. Van een aantal fundam entale thema’s, als de (bio)beschikbaarheid en veroudering van organisch e verontreinigingen, wordt een overzicht van de huidige wetenschappelijk e kennis op basis van literatuur weergegeven. Enkele fundamentele begrip pen als biomarkers en weathering worden geïntroduceerd. Daarnaast worden de doelen van het onderzoek vermeld en de verschillende onderzoeksvragen samengevat. De eerste experimentele resultaten worden beschreven in het tweede hoofd stuk over de optimalisering van een fractioneringmethode SARA voor miner ale olie. Hoofdstuk 2 beschrijft een screening techniek voor Koolwa terstof Groep Analyse (KWGA), gebaseerd op klassieke kolomchromatografie . Het hoofddoel van het experiment is het verkrijgen van een efficiënte scheiding tussen de verzadigde koolwaterstoffen, PAK, onzuiverheden en a sfaltenen. Het scheiden van minerale olie in verschillende fracties, inc lusief de aromatische fractie, door middel van KWGA wordt geïntroduceerd . De vier verkregen fracties zijn: verzadigde koolwaterstoffen ( Saturat es), aromaten (Aromatics), harsachtigen ( Resins) en de asfaltenen (Asph altenic). De verzamelde fracties staan bekend onder het acronym SARA. Vo ordat kolomscheiding kan worden toegepast dienen de asfaltenen te zijn v erwijderd. Asfaltenen worden gedefinieerd als een fractie met hoge dicht heid die onoplosbaar is in verzadigde koolwaterstoffen. Het wordt verwij derd door een mengsel van het asfalteenhoudende staal(B)/monster(NL) en hexaan te filtreren. De aldus verkregen vloeistof wordt malteen genoemd en ondergaat verdere fractionatie door middel van kolomchromatografie. D e fracties verzadigde koolwaterstoffen, aromaten en harsachtigen worden verkregen door elutie van het staal met respectievelijk iso-octaan, tolu een en dichloormethaan. De ontwikkelde methode is gebaseerd op een schaa lverkleining van een klassiek kolomchromatografie experiment, door de to epassing van kleine kolommen in de vorm van serologische pipetten met ee n inhoud van 5 ml. De benodigde hoeveelheden staal, solventverbruik en d oorlooptijd worden met deze methode aanzienlijk verminderd. Twee van te voren bereide mengsels van minerale olie en PAK’s zijn onderzocht. Een e ffectieve scheiding van PAK’s blijkt met deze methode mogelijk, onder vo orwaarde dat de kolommen tijdens de voorbereiding zo gevuld worden met s ilicagel dat geen zichtbare luchtgevulde holtes ontstaan. De resultaten van het experiment zijn veelbelovend, maar meer experimenten zijn nodig voor een grondige evaluatie van de methode. De methode zou goed kunnen w orden gecombineerd met zuiveringsmethoden voor grondstalen. Vervolgens worden in hoofdstuk 3 en 4 twee speciale onderzoeken naar ver oudering beschreven: de invloed van microaggregatie op de biologische af braak van PAK’s en een statistische beschrijving van het verdelingspatro on van PAK’s in verouderde bodemstalen afkomstig van voormalige gasfabri eksterreinen. Hoofdstuk 3 beschrijft een laboratorium experiment dat is uitgevoerd op drie verschillende grondsoorten om de invloed te bepalen van microaggreg atie op de afbraak van PAK’s. Aan de grond werd fluoranteen en benzo[a]p yreen toegevoegd en de grond onderging gedurende 112 dagen een aërobe de gradatie. Fluoranteen werd bijna geheel afgebroken, terwijl benzo[a]pyre en gemiddeld slechts tot 40 % van de beginconcentratie werd afgebro ken. Bij fluoranteen werden verschillen in de afbraak waargenomen tussen de verschillende grondsoorten, die overeen kwamen met de verschillen tu ssen het organisch koolstofgehalte van de grondsoorten. Bij benzo[a]pyre en werd dit niet waargenomen. Op de tijdstippen 14 en 112 dagen na toevo eging van de verontreiniging aan de grond werden de grondstalen door mid del van natte zeving, na een milde dispersie om de microaggregatie te be houden, verdeeld in de volgende vier groottefracties: < 2 mm, 2–53 mm, 53–250 mm en > 250 mm. Fracties met een hoog organisch koolstof gehalte behielden in het algemeen meer fluoranteen en benzo[a]pyreen dan fracties met een laag organisch koolstofgehalte. Om dit effect van de b inding aan organische koolstof te scheiden van het eigenlijke microaggre gatie effect, zijn de PAK-concentraties vergeleken met het organisch koo lstofgehalte en is hun verdeling over de groottefracties opnieuw geïnven tariseerd. Hieruit bleek dat de vorming van microaggregaten een aanrijki ng met PAK’s van de kleinste aggregaten veroorzaakte. Vermoedelijk heeft formatie van micro-aggregaten een afscherming van de biologische afbraa k van PAK’s tot gevolg. De verschillen in degradatiekinetiek kunnen grot endeels worden toegeschreven aan de binding tussen PAK’s en de organisch e stof van de verschillende aggregaatklassen. Echter wordt in de fractie van 53–2 mm een verrijking met PAK’s waargenomen, die niet door het org anische stofgehalte is te verklaren, maar door het effect van micro-aggr egatie. Hoofdstuk 4 beschrijft een statistische analyse van PAK-concentraties in bodems van zes voormalige stadsgasfabrieksterreinen in Vlaanderen, Belg ië. Het doel van de analyse is de optimalisatie van PAK-bepaling in ster k verontreinigde en verouderde gronden van stadsgasfabrieksterreinen doo r het verdelingspatroon van de individuele PAK te analyseren. Een statis tische verkenning van de gegevens, inclusief cluster analyse, werd uitge voerd op 126 multivariate PAK-metingen. De zestien PAK’s van de US-EPA-l ijst met urgente verontreinigingen zijn gemeten. Deze gegevensanalyse vo rmt de basis voor meer geavanceerde voorspellende statistische analyses: principale-componentenanalyse, model reductie door adjusted R2& nbsp;en lineaire regressie-analyse. De belangrijkste conclusie is dat het bepalen van één of twee parameters (individuele PAK-concentrat ies) dezelfde resultaten oplevert als het bepalen van alle zestien PAK’s zonder dat significant verlies van informatie optreedt. Pyreen is stati stisch gezien de beste voorspeller, maar benzo[a]pyreen is eveneens een goede kandidaat. Het voorspellen van de totale PAK concentratie met behu lp van de benzo[a]pyreenconcentratie verdient in termen van risicoanalys e echter de voorkeur omdat dan alle informatie van deze belangrijke para meter behouden blijft. De laatste hoofstukken 5 en 6 richten zich voornamelijk op afbraak van P AK en minerale olie en hun mengsels. Twee lange-termijn-experimenten van biologische afbraak, uitgevoerd onder gecontroleerde omstandigheden op laboratoriumschaal, worden besproken. Ten slotte wordt een methode gepre senteerd om de relatieve ouderdom van olie/PAK-mengsels vast te stellen op basis van de vorm van het oliechromatogram. Hoofdstuk 5 beschrijft twee incubatie-experimenten die de afbraak van mi nerale olie en PAK’s (antraceen, fluoranteen, chryseen en benzo[a]pyreen ) volgen in een zandgrond. Bij experiment A zijn vier niveaus minerale o lie ( high = 12,8; medium = 4,25; low = 0,85; zero = 0; in g/kg droge grond) en twee niveaus van vier individuele PAK’s 950 en 0 mg PAKtot /kg droge grond) initieel toegevoegd en gemonitored gedurende 400 dagen. Een tweede experiment B werd uitgevoerd om de resultaten en conclusies van experiment A te bevestigen. Bij experiment B zijn drie ni veaus minerale olie ( high = 8; medium = 4,25; zero = 0; in g/kg droge g rond) en twee niveaus van één individuele PAK (antraceen; 950 and 0 mg PAKtot /kg droge grond) initieel toegevoegd en gemonitored gedurende een kortere periode: 100 dagen. Tijdens experiment A waren antraceen en fluoranteen geheel verwijderd binnen 128 dagen en in experiment B was a ntraceen bijna geheel verdwenen na 100 dagen. De afbraak van benzo[a]pyr een en chryseen was gering. De afbraak van minerale olie verliep regelma tig, vanaf verschillende beginconcentraties ( low, medium en high) tot r estconcentraties van respectievelijk 3.000, 1.400 en 550 mg/kg droge gro nd. Hogere beginconcentraties minerale olie hadden hogere restconce ntraties van slecht afbreekbare olie van het zogenoemde Unresolved Compl ex Mixture (UCM) tot gevolg. Combinatie-effecten van mengsels met PAK’s en minerale olie werden duidelijk waargenomen. Het voorkomen van mineral e olie vertraagde de afbraak van antraceen, fluoranteen en benzo[a]pyree n. Antraceen en fluoranteen werden geheel afgebroken, maar met een lager e afbraaksnelheid. De afbraak van benzo[a]pyreen werd aangetoond, maar n a 400 dagen was de restconcentratie benzo[a]pyreen hoger als de afbraak had plaatsgevonden in de aanwezigheid van minerale olie. Hoofdstuk 6 beschrijft een meta-analyse van oliechromatogrammen die werd en gemeten tijdens het lange-termijn-experiment dat staat beschreven in het voorgaande hoofdstuk. Het hoofddoel is de bepaling van de relatieve ouderdom van een olieverontreiniging. Oliechromatogrammen staan bekend o m hun complexiteit. Een groot deel van het chromatogram bestaat uit piek en die slecht of helemaal niet ontwikkeld zijn. Dit deel van het chromat ogram vertegenwoordigt het niet-ontwikkelde mengselcomplex (Unresolved C omplex Mixture = UCM). Dit ongewenste, maar onvermijdelijke verschijnsel is tot een voordeel omgebogen door enkele goed gedefinieerde kenmerken van de UCM te gebruiken voor de ouderdomsbepaling van de olieverontreini ging. De methode is gebaseerd op het principe dat alkanen met een laag m olecuulgewicht, in het algemeen eerder en makkelijker afbreken dan alkan en met een hoger molecuulgewicht. Een verouderde olie bevat in vergelijk ing met de originele, verse olie relatief minder laagmoleculaire alkanen dan hoogmoleculaire alkanen. Dit is samengevat in de belangrijkste hypo these van dit onderzoek: het proces van voorkeursafbraak van minerale ol ie wordt weerspiegeld in de vorm van de UCM. Tijdens een periode van afb raak zal de eerste, stijgende helling van de UCM, gevormd door het signa al van de kleine en lichte moleculen, relatief steiler worden dan de twe ede dalende helling, die door het signaal van de grotere en zwaardere mo leculen wordt gevormd. Een complicerende factor is het onregelmatig vorm gegeven oppervlak van de meeste UCM’s. Daarom wordt het oppervlak v an de UCM zorgvuldig afgevlakt voordat lineaire regressielijnen met betr ouwbare schattingen van de hellingen kunnen worden berekend. De twee hel lingen van het stijgende en dalende deel van de UCM worden op elkaar ged eeld en de absolute waarde van deze ratio vormt een kengetal voor de rel atieve ouderdom van de olie. Twee vormen van lineaire regressie (normale en gewogen) worden toegepast en met elkaar vergeleken. Normale lineaire regressie blijkt voldoende significante resultaten op te leveren. Om he t hele proces te automatiseren zijn scripts ontwikkeld in Pascal en in d e statistische programmeertaal S-plus. De berekeningsmethoden worden bes chreven, inclusief een foutenanalyse van de twee toegepaste regressiemet hoden door middel van bootstrapping. Bootstrapping is een numerieke meth ode binnen de statistiek, die gewoonlijk wordt toegepast als een standaa rd foutenanalyse niet is toegestaan, zoals ook hier het geval is. De bel angrijkste conclusie is dat de relatieve ouderdom van gedeeltelijk afgeb roken minerale olie kan worden afgeleid uit de ratio van de gelinearisee rde hellingen van de UCM. In het afsluitende hoofdstuk wordt het onderzoek in een breder perspecti ef geplaatst en worden de contouren voor toekomstig onderzoek geschetst.