Suitability of laboratory simulation tests for the identification of persistence in surface waters

FENNER, Kathrin Barbara, Mark HONTI und Christian STAMM, 2017. Suitability of laboratory simulation tests for the identification of persistence in surface waters [online]. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt. Texte, 40/2017. Verfügbar unter: https://openumwelt.de/handle/123456789/6949

Zusammenfassung deutsch

Simulationsstudien spielen bei der Bewertung der Biotransformation von Chemikalien für regulatorische Zwecke eine wichtige Rolle. Für die Biotransformation in Oberflächengewässern sind zwei OECD-Prüfrichtlinien relevant: OECD 308 und OECD 309, welche Transformation an der Wasser-Sediment-Grenzfläche beziehungsweise im Wasserkörper bewerten. Hauptkritikpunkte an diesen Richtlinien beziehen sich auf die Repräsentativität der Testbedingungen für den Abbau in realen Oberflächengewässern, sowie auf den Mangel an fehlenden Anleitungen und Instrumenten, um Abbau-Halbwertszeiten aus den Testresultaten abzuleiten. Dieses Forschungsprojekt adressiert beide Punkte. In Arbeitspaket I wurden inverse Modellierungsansätze angewendet, um Abbau-Halbwertszeiten für das Gesamtsystem und die einzelnen Kompartimente (DegT50,ts, DegT50,w und DegT50,sed) sowie ihre jeweiligen Unsicherheiten abzuleiten. Alle aus OECD 308 und 309-Daten abgeleiteten Persistenzindikatoren wiesen erhebliche Unsicherheiten auf. Diese liegen in der Regel bei einem Faktor von zwei für DegT50,ts und ein bis zwei Größenordnungen für DegT50,w und DegT50,sed. Dieser Befund steht in Widerspruch mit der derzeitigen Verwendung von starren Persistenzkriterien. DegT50,w-Werte lagen immer höher als DegT50,sed-Werte für die gleiche Verbindung. Entsprechend führten auch OECD 309-Ergebnisse wesentlich häufiger zu einer Persistenz-Klassifizierung für die gleiche Substanz wie OECD 308-Ergebnisse. Die gemeinsame Kalibrierung von verschiedenen Testsystemen mittels der Bioverfügbarkeits- und Biomasse-normalisierten k/bio reduzierte die Unsicherheit der DegT50,w und DegT50,sed. Die Reduktion der Unsicherheit war jedoch aufgrund des begrenzten Ausmaßes der beobachteten Biotransformation in OECD 309-Systemen gering. Es wurde vorgeschlagen, dass eine modifizierte Version des OECD 309 mit mehr Schwebstoffen die Genauigkeit der Schätzung von DegT50,w und DegT50,sed verbessern würde. Arbeitspaket II adressierte die Repräsentativität der Laborbasierten OECD 308 und 309-Simulationstests, um das Schicksal von Chemikalien in tatsächlichen Oberflächengewässern zu prognostizieren. Neben einer Literaturrecherche zu den wichtigsten Einflussfaktoren auf die Biotransformation von Chemikalien in Oberflächengewässern wurde eine Fallstudie über Substanzabbau im Rhein durchgeführt. Dazu wurden Daten aus der Rheinüberwachung mit Modell-vorhersagen zum Verbleib von chemischen Substanzen im Rhein verglichen. Basierend darauf wurde die Angemessenheit von Halbwertszeiten, die aus OECD 308-Daten hergeleitet worden sind, zur Beschreibung des Verbleibs von Chemikalien in einem großen Fluss wie dem Rhein bewertet. Diese Fallstudie ergab, dass die Anwendung von Kompartimentsspezifischen Halbwertzeiten nicht im Widerspruch zu beobachteten Konzentrationen steht. Die Anwendung von DegT50,ts jedoch überschätzte den Abbau deutlich. Insgesamt wird basierend auf den Ergebnissen des Projekts die Durchführung von zwei Simulationsstudien empfohlen, um Biotransformation in Wasser-Sediment-Systemen zu beurteilen. Dabei sollte es sich um eine OECD 308- und eine 309-Studie mit der maximal erlaubten Menge an Schwebstoffen handeln. Dadurch würde es möglich werden, Kompartiments-spezifische Halbwertszeit-Indikatoren mit reduzierter Unsicherheit abzuleiten, sowie die tatsächlichen Dimensionen des realen Oberflächengewässers in der Expositionsmodellierungen zu berücksichtigen. Quelle: Forschungsbericht

Zusammenfassung englisch

Simulation tests play a crucial role in evaluating chemical biotransformation for regulatory purposes. For chemical biotransformation in surface water systems, two OECD testing guidelines are relevant: OECD 308 and OECD 309, which assess transformation at the water-sediment interface, and in the water body, respectively. Major issues with these guidelines concern the relevance of the test conditions to properly reflect degradation in actual surface water bodies, and a lack of guidance and practical tools for the derivation of actual degradation half-lives. This research project addressed both concerns. In WP I, inverse modeling approaches were applied to derive total system and compartment-specific degradation half-lives (DegT50,ts, DegT50,w and DegT50,sed) and their respective uncer-tainties. The persistence indicators derived from OECD 308 and 309 data all displayed significant un-certainties, i.e., typically around a factor of 2 for DegT50,ts and 1-2 orders of magnitude for DegT50,w and DegT50,sed. These results are in conflict with the presently used rigid persistence criteria. DegT50,w values were found to always be higher than DegT50,sed values for the same compound, and accordingly OECD 309 results much more often led to a substance being classified as persistent than OECD 308 results did. The joint calibration of different experimental types via the bioavailability- and biomass-normalized k/bio reduced the uncertainty of DegT50,w and DegT50,sed, but this reduction of uncertainty was small due to the limited extent of biotransformation observed in OECD 309 systems. It was suggested that a modified version of OECD 309 with more suspended sediment would improve the accuracy of estimating DegT50,w and DegT50,sed. WP II addressed the representativeness of the laboratory-based OECD 308 and 309 simulation tests to reflect and predict the chemicals´fate in actual surface water bodies. Together with a literature review discussing the major factors influencing chemical degradation in surface water bodies and how these are reflected in different laboratory-based test systems, a case study on substance degradation in the river Rhine was conducted. In this case study monitoring data from the river Rhine were compared with experimental data from OECD 308 studies implemented in a chemical fate model to evaluate the appropriateness of OECD 308 data to reflect degradation in a large stream. It was found that application of compartment-specific half-lives did not contradict observed concentrations whereas application of DegT50,ts clearly overestimated degradation. Overall, based on the results of the project, the execution of two simulation studies to assess biotransformation in watersediment systems is recommended. These should be an OECD 308 study and a 309 study with as much suspended sediment as allowed. Doing so allows deducing compartment-specific half-life indicators with reduced uncertainty, and allows considering the actual system dimensions in the field during exposure modelling as demonstrated in the Rhine case study. Quelle: Forschungsbericht

URI

https://openumwelt.de/handle/123456789/6949

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