Application of the peat archive as tool in environmental chemistry

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Thüns, Sabine:
Application of the peat archive as tool in environmental chemistry.
Bayreuth , 2015 . - X, 230 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Ombrotrophic peat bogs are natural archives of atmospheric deposition of pollutants. Therefore, peat profiles can be used to study the chronology of environmental contamination with harmful pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and per- and polyfluorinated alkylated substances (PFAS). These mostly carcinogenic organic compounds are ubiquitously present in the environment. To derive historical deposition rates from the peat archive the pollutants have to be persistent and immobile, and an accurate dating technique is needed to calculate the age of the analyzed peat. To test these requirements and the accuracy of peat archives twelve peat profiles were sampled in four bogs in Ontario, Canada, as well as surface peat in one bog. To make sure sampling sites were not influenced by local roads, we analyzed the concentration decrease in the air from the roads into the bogs. Aerobic or anaerobic degradation of PCBs and PAHs did not occur over a 3-year period in incubation experiments. The heterogeneity of concentrations within a bog was determined in surface samples and by sampling three peat cores per bog. Concentrations varied up to 70 % indicating a high heterogeneity. A vertical sampling resolution of 5 cm lead to imprecision in the dating of sampled peat segments. Temporal deposition trends inferred from peat cores are generally in agreement with trends derived from a sediment core sampled close by, but rates are higher to the sediment for PAHs but similar for PCBs. Indication for mobility of PAHs was minor but has been observed in peat for PCBs and PFAS. To predict the environmental behavior of pollutants, e.g. the atmospheric travel distance of pollutants, computer models can be used. To evaluate the results of these models experimentally derived travel distances of PAHs were determined using the peat bog archives along a transect originating at a large mining area. The comparison of the modeled and experimentally derived travel distances indicate that the computer models give realistic results for most PAHs. We conclude that peat cores are suitable archives for inferring atmospheric deposition trends for PAHs, but not for PCBs and PFAS. Due to the relatively low temporal resolution short-term events might not be discovered. The analysis of more than one core per site is suggested to provide realistic reconstructed deposition trends and inventories.

Abstract in weiterer Sprache

Hochmoore sind natürliche Archive der atmosphärischen Schadstoffdeposition. Deshalb können diese Moorarchive genutzt werden um die Chronologie der Umweltverschmutzung durch Schadstoffe wie polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs), polychlorinierte Biphenyle (PCBs), und polyfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFAS) zu untersuchen. Diese, meist krebserregenden Stoffe, sind in der Umwelt weit verbreitet. Um historischen Depositionsraten im Moorarchiv bestimmen zu können, dürfen die Schadstoffe in diesem nicht abgebaut werden oder mobil sein. Zudem ist eine zuverlässige Altersbestimmung des zu untersuchenden Torfs von Nöten. Um diese Bedingungen und die Zuverlässigkeit des Moorarchives zu untersuchen wurden zwölf Torfkerne aus vier Hochmooren in Ontario, Kanada, sowie Oberflächenproben aus einem Hochmoor beprobt. Um zu garantieren, dass die Probenahmestellen nicht von lokalen Straßen beeinflusst wurden, untersuchten wir die Abnahme der Konzentrationen von der aus Straße in die Moore. Weder für PCBs noch für PAHs wurde über 3 Jahre ein Abbau in Laborexperimenten beobachtet. Die Heterogenität der Konzentrationen in den Oberflächenproben und in den Torfkernen lag bei bis zu 70 % innerhalb eines Moores. Die Beprobung von 5 cm Schichten führte zu einer hohen Unsicherheit in der Datierung der Depositionsraten. Die durch die Torfkerne bestimmten Depositionsraten passen zeitlich sehr gut zu denen mit einem Sedimentkern aus einem nahen See bestimmten. Allerdings sind die Raten für PAHs aus dem Sediment um Faktor vier höher. Im Moorprofil wurde keine Mobilität von PAHs beobachtet, allerdings von PCBs und PFAS. Um das Umweltverhalten von Schadstoffen, wie z.B. die atmosphärischen Transportweiten vorherzusagen, werden häufig Computermodelle genutzt. Um deren Ergebnisse zu überprüfen wurden experimentell bestimmte Transportweiten von PAHs bestimmt. Hierzu wurden Hochmoore entlang eines Transektes im Abwind eines großen Abbaugebietes beprobt. Der Vergleich der modellierten und experimentell bestimmten Transportweiten belegen, dass die Computermodelle für die meisten PAHs realistische Ergebnisse liefern. Hochmoore sind somit geeignete Archive für die atmosphärischen Depositionsraten für PAHs aber nicht für PCBs und PFAS. Durch die relativ geringe zeitliche Auflösung können kurzfristige Ereignisse maskiert werden. Um realistische Depositionsraten und Inventare zu rekonstruieren, ist es ratsam mehr als einen Torfkern pro Moor zu beproben.