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Influence of weathering on the leaching behaviour of zinc and PAH from synthetic sports surfaces
(2017)
Synthetic materials used for outdoor sports grounds consist of a mix of inorganic, organic and polymeric compounds that show ageing due to weathering and a complex leaching behaviour by percolation of rainwater, which can limit its lifetime. Additionally, weathering exposure induces degradation processes in the polymers, which leads to the formation of new surfaces allowing water to access additional reservoirs of leachable compounds. A laboratory test comprising artificial weathering, ozonisation and subsequent leaching was developed to investigate this behaviour in a reproducible and controllable way. The experiments showed a general decline of Zn, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and total organic carbon (TOC) concentrations after an initial increase. Within this general trend, the course of concentration over exposure duration is very specific for individual sample materials and the analyte under investigation. The results indicate that weathering and degradation behaviour cannot be predicted from initial material conditions. Thus, weathering experiments are recommended to fill this gap of knowledge.
An Annex XV restriction dossier for cadmium in artists’ paints was submitted by an EU member state to the European Chemicals Agency ECHA. By cleaning used brushes under the tap cadmium can enter the food chain via waste water treatment and subsequent agricultural application of the sewage sludge. It was estimated that 110 kg Cd per year is spread on agricultural land via this exposure route. Other sources of Cd amount to almost 120 tons per year.
The mobility of Cd from pigments was studied in a field-like scenario by leaching experiments using soil samples amended with sewage sludge and spiked with Cd pigments in percolation columns. The redox conditions were confirmed to be the decisive factor for the release of Cd. The release of Cd from artists’ paints was in most cases 1% or lower in the experiments performed.
Cd from artists’ paints in sewage sludge applied in agriculture will be mobilized for intake by crops or to leaching either by oxidation of sulfide to sulfate or by dissolution at lower pH values. The quantity of Cd from artists’ paints calculated in the restriction dossier is however negligible compared to other sources of Cd to agricultural soil. Therefore ECHA did not consider the proposed restriction to be the most appropriate EU wide measure to address the negligible level of risk. In the presentation sources of Cd on agricultural land will be discussed together with possible policy instruments to mitigate such emissions.
Sub-aerial biofilms (SAB) are ubiquitous, self-sufficient microbial ecosystems found on mineral surfaces at all altitudes and latitudes. SABs, which are the principal causes of weathering on exposed terrestrial surfaces, are characterized by patchy growth dominated by associations of algae, cyanobacteria, fungi and heterotrophic bacteria. A recently developed in vitro system to study colonization of rocks exposed to air included two key SAB participants - the rock-inhabiting ascomycete Knufia petricola (CBS 123872) and the phototrophic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC29133. Both partners are genetically tractable and we used them here to study weathering of granite, K-feldspar and plagioclase. Small fragments of the various rocks or minerals (1–6 mm) were packed into flow-through columns and incubated with 0.1% glucose and 10 μM thiamine-hydrochloride (90 μL min−1) to compare weathering with and without biofilms. Dissolution of the minerals was followed by: (i) analysing the degradation products in the effluent from the columns via Inductively Coupled Plasma Spectroscopy and (ii) by studying polished sections of the incubated mineral fragments/grains using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray analyses. K. petricola/N. punctiforme stimulated release of Ca, Na, Mg and Mn. Analyses of the polished sections confirmed depletion of Ca, Na and K near the surface of the fragments. The abrupt decrease in Ca concentration observed in peripheral areas of plagioclase fragments favored a dissolution-reprecipitation mechanism. Percolation columns in combination with a model biofilm can thus be used to study weathering in closed systems. Columns can easily be filled with different minerals and biofilms, the effluent as well as grains can be collected after long-term exposure under axenic conditions and easily analyzed.
A laboratory biofilm consisting of the phototrophic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 and the rock-inhabiting ascomycete Knufia petricola CBS 726.95 was tested for its mineral weathering potential. Minerals with different grain sizes and mineralogy were incubated with and without biofilm in batch and in flow-through column experiments. After incubation, the mineral dissolution was quantified analysing (i) leachate chemistry via ICP-OES/MS (inductively coupled plasma optical emission spectrometry/mass spectrometry) and (ii) the residual grains as thin polished sections via SEM/TEM-EDX (scanning electron microscopy/transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectrometry). Mineral dissolution was enhanced in biotic experiments as compared to abiotic ones, for both batch culture and flow-through approaches. Analyses of thin polished sections confirmed the leaching of these elements near the surface of the mineral grains. These results clearly indicate a biotic effect on the weathering of minerals produced by the laboratory biofilm.
Die Normung von Analyseverfahren ermöglicht, dass Parameter unter standardisierten Bedingungen qualitätsgesichert ermittelt werden können. Insbesondere dann, wenn Verfahren in gesetzliche Regelwerke einfließen, ist es notwendig, dass die Ergebnisse sicher und vergleichbar sind und der Aufwand im Vollzug vertretbar ist. Derzeit werden viele Parameter in verschiedenen Verordnungen nach unterschiedlichen genormten Verfahren analysiert, was die Überwachungsarbeit erschwert und zudem unnötig teurer macht. Aus diesem Grund wir eine sogenannte horizontale Normung angestrebt, bei der geeignete Analyseverfahren auch Matrices-übergreifend genormt und anschließend EU-weit zitiert werden können. Grundvoraussetzung für die Verabschiedung als Norm ist die Validierung der Verfahren. Bereits vor einigen Jahren erteilte die EU ein Mandat an CEN (Europäisches Komitee zur Normung), um umweltrelevante Parameter Matrices-übergreifend zu validieren. Allerdings konnten nicht alle für diverse Verordnungsnovellen (z.B. Klärschlammverordnung) wichtigen Parameter im Rahmen dieses Projekts validiert werden. Aus diesem Grund wurde das aktuelle Vorhaben in den Umweltforschungsplan des BMUB aufgenommen und von der BAM durchgeführt. Im Forschungsvorhaben konnten im Bereich der anorganischen Parameter die CEN/TS 16170 (Elemente mit ICP-OES), CEN/TS 16171 (Elemente mit ICP-MS) und CEN/TS 16175-2 (Quecksilber mit CV-AFS) sowie im Bereich der organischen Parameter die CEN/TS 16181 (PAK mit HPLC und GC), die CEN/TS 16167 (PCB mit GC-MS und GC-ECD) und die CEN/TS 16190 (Dioxine, Furane und dl-PCB mit HR-GC-MS) für die Analyse von Klärschlamm, behandeltem Bioabfall und Boden erfolgreich validiert werden. Die validierten Verfahren stehen nun kurz vor der Verabschiedung als EN (Europäische Norm).
Dieses Buch ist die Fortstzung des 2012 ebenfalls in der Schriftenreihe des Bundesinstituts für Sportwissenschaft (2012,02) erschienenen Berichts zum Thema "Umweltverträglichkeit von Kunststoff- und Kunststoffrasenbelägen auf Sportfreianlagen". Bei der ersten Untersuchung lag der Focus auf der Entwicklung von Testmethoden im Labormaßstab, die eine Bewertung des Schadstoffaustrags und des möglichen Gefahrenpotentials für Mensch und Umwelt ermöglichen. Folgerichtig setzte sich das aktuelle Projekt nun mit der Modellierung der Stofffreisetzung auseinander. Diese ist Voraussetzung für eine Bewertung der Boden- und Grundwasserverträglichkeit der untersuchten Sportbodensysteme.
Für Sportböden in Außenanlagen haben sich Kunststoffbeläge und Kunststoffrasenbeläge als extrem nutzungsoptimierte Bodenbeläge bewährt. Neben der Benutzungsqualität ist auch die Bewertung möglicher negativer Auswirkungen auf die Umwelt durch produktionsbedingt enthaltene Schadstoffe notwendig. Sportböden auf Kunststoffbasis sind durch mehrlagige Aufbauten gekennzeichnet. Schadstoffe können in den oberen Lagen in den dort als Füllstoff verwendeten Gummigranulaten vorhanden sein. Die Gesamthöhe dieser Schichten umfasst in der Regel maximal 10 cm. Inhaltsstoffe können durch Regenwasser mobilisiert und mit dem Sickerwasser in den Boden und in das Grundwasser eingetragen werden. Durch eine Kombination von Elutionstests und numerischer Modellierung kann das Mobilisierungs- und Transportpotential ermittelt werden, um eine Boden- und Grundwassergefährdungsabschätzung auf Basis einer Sickerwasserprognose vorzunehmen.
Die hier vorgestellte Studie „Umweltverträglichkeit von Kunststoffbelägen auf Sportfreianlagen- Modellierung der Stofffreisetzung aus Sportböden auf Kunststoffbasis zur Bewertung der Boden- und Grundwasserverträglichkeit“befasst sich ausschließlich mit der Stofffreisetzung und den Pfad Boden-Grundwasser (Boden- und Grundwasserschutz). Der Pfad Boden-Mensch und Belange des Gesundheitsschutzes sind nicht Gegenstand dieser Untersuchungen.
Draft standards for the determination of organic pollutants in the solid matter of environmental matrices such as sludge, treated biowaste and soil have been basically developed in the framework of the European standardization project HORIZONTAL. A research project financed by the German Federal Environment Agency was initiated to finalize some of these CEN standard drafts, since fully validated standard procedures are crucial for the evaluation of their reliability in the context of implementation in legislation on environmental health.
Approach: Appropriate test materials (< 2mm particle size) were prepared and homogenized from contaminated soils, sludge and treated biowaste containing polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls (PCB), dioxins, furans and dioxin-like-PCB and served, along with reference solutions, as the basis for international interlaboratory comparisons. Performance data of three analytical standard procedures were obtained by the statistical evaluation of results received from 11 to 29 participants per test material.
Results: The overall variation coefficients of reproducibility (between-lab standard deviations) for the sum parameters were roughly between 10 and 35 %. The variation coefficients of repeatability (within-lab standard deviations) range between 3 % and 8 % and show no trend considering the substance groups or matrices.
The highest coefficients of reproducibility were found for the analysis of PAHs, which were between 26 and 35 %, depending on the matrix, whereas 7-17 % reproducibility was observed for toxicity equivalents (TEQ) comprising dioxins, furans and dl-PCB.
Conclusions: Overall, the results confirm that the procedures described in the Technical Specifications are fit for purpose for all three matrices and that the feasibility of the HORIZONTAL approach, to cover several matrices with one standard per analyte, was thereby proven.