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Assessment of the environmental risk and risk-benefit analysis of the nano-iron based groundwater remedial agent Carbo-Iron

  • Groundwater is essential for the provision of drinking water in many areas around the world. The ecosystem services provided by groundwater-related organisms are crucial for the quality of groundwater-bearing aquifers. Therefore, if remediation of contaminated groundwater is necessary, the remediation method has to be carefully selected to avoid risk-risk trade-offs that might impact these valuable ecosystems. In the present thesis, the ecotoxicity of the in situ remediation agent Carbo-Iron (a composite of zero valent nano-iron and active carbon) was investigated, an estimation of its environmental risk was performed, and the risk and benefit of a groundwater remediation with Carbo-Iron were comprehensively analysed. At the beginning of the work on the present thesis, a sound assessment of the environmental risks of nanomaterials was impeded by a lack of guidance documents, resulting in many uncertainties on selection of suitable test methods and a low comparability of test results from different studies with similar nanomaterials. The reasons for the low comparability were based on methodological aspects of the testing procedures before and during the toxicity testing. Therefore, decision trees were developed as a tool to systematically decide on ecotoxicity test procedures for nanomaterials. Potential effects of Carbo-Iron on embryonic, juvenile and adult life stages of zebrafish (Danio rerio) and the amphipod Hyalella azteca were investigated in acute and chronic tests. These tests were based on existing OECD and EPA test guidelines (OECD, 1992a, 2013a, 2013b; US EPA, 2000) to facilitate the use of the obtained effect data in the risk assessment. Additionally, the uptake of particles into the test organisms was investigated using microscopic methods. In zebrafish embryos, effects of Carbo-Iron on gene expression were investigated. The obtained ecotoxicity data were complemented by studies with the waterflea Daphnia magna, the algae Scenedesmus vacuolatus, larvae of the insect species Chironomus riparius and nitrifying soil microorganisms. In the fish embryo test, no passage of Carbo-Iron particles into the perivitelline space or the embryo was observed. In D. rerio and H. azteca, Carbo-Iron was detected in the gut at the end of exposure, but no passage into the surrounding tissue was detected. Carbo-Iron had no significant effect on soil microorganisms and on survival and growth of fish. However, it had significant effects on the growth, feeding rate and reproduction of H. azteca and on survival and reproduction in D. magna. Additionally, the development rate of C. riparius and the cell volume of S. vacuolatus were negatively influenced. A predicted no effect concentration of 0.1 mg/L was derived from the ecotoxicity studies based on the no-effect level determined in the reproduction test with D. magna and an assessment factor of 10. It was compared to measured and modelled environmental concentrations for Carbo-Iron after application to an aquifer contaminated with chlorohydrocarbons in a field study. Based on these concentrations, risk quotients were derived. Additionally, the overall environmental risk before and after Carbo-Iron application was assessed to verify whether the chances for a risk-risk trade-off by the remediation of the contaminated site could be minimized. With the data used in the present study, a reduced environmental risk was identified after the application of Carbo-Iron. Thus, the benefit of remediation with Carbo-Iron outweighs potential negative effects on the environment.
  • In einem Großteil der Welt wird Grundwasser für die Versorgung von Siedlungen und Agrarflächen genutzt. Organismen, die im Grundwasser leben, erfüllen wichtige Funktionen im Ökosystem und haben positiven Einfluss auf die Grundwasserqualität. Um das Risiko negativer Effekte auf diese wertvollen Ökosysteme zu minimieren muss die entsprechende Sanierungsmethode, im Falle einer Grundwasserbehandlung, mit Vorsicht gewählt werden. In der vorliegenden Thesis wurde das Umweltrisiko von Carbo-Iron untersucht, ein Komposit aus nanoskaligem null-valentem Eisen und Aktivkohle zur in situ-Behandlung von Grundwasser. Des Weiteren wurde eine umfassende Beurteilung des Umweltrisikos und des Nutzens einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron durchgeführt. Zu Beginn der Arbeit an der vorliegenden Thesis existierten noch keine Empfehlungen für Untersuchung der Ökotoxizität von Nanomaterialien. Daher bestanden viele Unsicherheiten hinsichtlich geeigneter Methoden. Im Rahmen dieser Thesis wurde eine Entscheidungshilfe entwickelt, um bei der ökotoxikologischen Untersuchung von Nanomaterialien systematisch geeignete methodische Schritte auszuwählen. Mögliche Effekte von Carbo-Iron wurden in Tests mit embryonalen, juvenilen und adulten Lebensstadien des Zebrabärblings (Danio rerio) und juvenilen und adulten Amphipoden (Hyalella azteca) untersucht. Die gewählten Testsysteme basierten auf existierenden Testmethoden der OECD und EPA zur ökotoxikologischen Untersuchung von Chemikalien (OECD, 1992a, 2013a, 2013b; US EPA, 2000). Zusätzlich wurde die Aufnahme der Partikel in die genannten Testorganismen untersucht. In Zebrabärblingsembryonen wurden außerdem potentielle Effekte auf die Genexpression mittels Microarrays ermittelt. Die erhaltenen Daten wurden später mit Ergebnissen aus Tests mit dem Wasserfloh Daphnia magna, der Alge Scenedesmus vacuolatus, Larven der Mücke Chironomus riparius und nitrifizierenden Bodenmikroorganismen ergänzt. In dem Fischembryotoxizitätstest wurde keine Passage der Carbo-Iron-Partikel durch das Chorion in den perivitellinen Raum oder den Embryo beobachtet. Nach der Exposition wurde Carbo-Iron im Darm von H. azteca und D. rerio, aber keinem anderen Gewebe oder Organen detektiert. Carbo-Iron hatte keine signifikanten Effekte auf die Nitrifikationsrate der Bodenmikroorganismen sowie Überleben und Wachstum des Zebrabärblings. Dennoch wurden signifikant negative Effekte auf Wachstum, Fütterungsrate und Reproduktion von H. azteca und auf das Überleben und die Reproduktion von D. magna festgestellt. Des Weiteren war die Entwicklungsrate von C. riparius und das Zellvolumen von S. vacuolatus negativ beeinflusst. Anhand der durchgeführten Studien wurde basierend auf dem Ergebnis des Reproduktionstests mit D. magna und einem assessment factor von 10 für Carbo-Iron eine predicted no effect concentration von 0,1 mg/L ermittelt. Diese wurde mit modellierten und gemessenen Umweltkonzentrationen von Carbo-Iron verglichen die in einer Studie erhoben wurden, in denen Carbo-Iron zur Behandlung eines mit Chlorkohlenwasserstoffen kontaminierten Aquifers eingesetzt wurde, und Risiko-Quotienten wurden abgeleitet. Zur gesamtheitlichen Betrachtung wurde anschließend ein Schema zur Bewertung des Umweltrisikos vor und nach der Behandlung des Aquifers mit Carbo-Iron entwickelt. Die erhobenen Daten weisen auf ein reduziertes Umweltrisiko nach der Applikation von Carbo-Iron hin. Dementsprechend überwiegen die Vorteile einer Grundwasserbehandlung mit Carbo-Iron die potentiellen negativen Effekte auf die Umwelt.

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Metadaten
Author:Mirco Weil
URN:urn:nbn:de:kola-19203
Referee:Prof. Dr. Ralf Schulz, Jun.-Prof. Dr. Mirco Bundschuh
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2019/09/03
Date of publication:2019/08/01
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2019/08/23
Release Date:2019/09/03
Tag:decision support tool; ecotoxicity; environmental risk assessment; groundwater remediation; uptake
Number of pages:238
Institutes:Fachbereich 7
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG