Ecotoxicological effects of highway and tunnel wash water runoff

Abstract

In Norway, the traffic loadings have shown a substantial increase during the last decades. From 1948 to 2008 the transportation load has increased from 2.5 to 60.6 million passenger km. Hence, the ever increasing traffic has without doubt a significant negative effect on the environment. For example, highway runoffs typically contain a cocktail of both organic and inorganic contaminants being able to cause detrimental effects on the aquatic ecosystem. The present thesis, which is part of the Norwegian Public Roads Administrations ongoing work with the European Water Framework Directive, has addressed questions related to ecotoxicological effects of highway runoff. In addition, manmade runoff from tunnel wash maintenance, being far less described in the scientific literature compared to natural occurring runoffs, was included. Hence, exposure characteristics (e.g. source characterisation), environmental impacts (fish toxicity) and mitigation strategies (sedimentation ponds) were essential aspects in the present thesis. The results presented in this thesis showed that runoff water, caused by precipitation as well as by manmade tunnel wash maintenance, were contaminated. According to various environmental quality standards (EQS) from Europe and North America, the water concentrations of metals such as aluminum (Al), cupper (Cu), iron (Fe), lead (Pb), zinc (Zn) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) such as pyrene, fluoranthene, benzo(b)fluoranthene, benzo(k)fluoranthene, benzo(ghi)perylene and indeno(1,2,3- cd)pyrene were of most concern. To gain knowledge about the sources of the traffic related contaminants, enrichment factors (EF) for metals and ratios between various PAHs were calculated. The calculations were based on tunnel wash water runoff as this runoff has little or no impact from other anthropogenic sources (e.g. deposition of long range air pollution or other industrial emissions). The source characterization of tunnel wash water runoff revealed that metals such as Zn, Cu and antimony (Sb) originated mostly from the vehicle (tires and brakes). The high EFs of chloride (Cl) and sodium (Na) were most likely due to road salt applications, while the low EFs for Al, barium (Ba), calcium (Ca), chromium (Cr), Fe, potassium (K), magnesium (Mg) and nickel (Ni) indicated contribution from the pavement material. Finally, the PAH ratios revealed contribution from a mix of sources such as asphalt, tires and combustion. Generally, the concentrations of both organic and inorganic contaminants were higher in untreated highway and tunnel wash water compared to concentrations measured in the pond outlets, indicating removal of contaminants from the water phase within the pond by e.g. sedimentation. However, the removal of dissolved metal species (< 0.45 μm) was less obvious, and the investigation of a tunnel wash event in the Nordby tunnel showed that 24 % of the metal masses were discharged as low molecular mass species (< 10 kDa). High concentrations of road salt and dissolved organic matter (DOC) together with oxygen depletion are in this respect important as they may contribute to increased transportation and remobilization of contaminants in the sedimentation ponds. In a biological context, poor removal of contaminants as LMM species is worrying as they are considered more mobile and bioavailable than contaminants associated with particles. By using brown trout (Salmo trutta) as a model organism in the toxicity assessment of highway and manmade tunnel wash water runoff, it was demonstrated that several metals, such as Al, Cu, cobalt (Co), Fe, Pb and Sb were gill reactive. However, the metal accumulation and probably the accumulation of other contaminants as well (e.g. PAHs) were most likely modified by the high concentrations of Ca and DOC in the water. Nevertheless, the accumulation of metals in gills of exposed fish most likely provoked short term biological effects manifested by increased glucose levels in blood, being a good biomarker for general stress. Typically, this was followed by a small but notable decrease in blood plasma concentrations of Cl and Na indicating impairment of the ion regulatory system. In addition, several components associated with the antioxidant defense system were triggered in liver of exposed fish. For example, a slight increase in enzymatic activity of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) together with increased concentrations of metallothionein (MT) were measured in fish exposed to highway runoff from the Skullerud junction, while a modest up-regulation of the mRNA transcriptions of the oxidative stress biomarkers thioredoxin (TRX) and γ-glutamylcysteine synthetase (GCS) were observed in fish exposed to tunnel wash water runoff from the Nordby tunnel. The fish exposed to tunnel wash water demonstrated that PAHs and/or other organic contaminants were readily bioavailable, although normally strongly attached to particles, as a significant up-regulation of the mRNA transcription of the mixed function oxidase enzyme (phase I) cytochrome P450 1A (CYP1A) was observed. In addition to confirming increased expression of the antioxidant defense system and CYP1A in tunnel wash water exposed fish, the DNA microarray analysis revealed that traffic related contaminants also could suppress several immunological processes, as well as inhibiting the cholesterol biosynthesis several hours after the exposure. The microarray analysis also indicated the presence of organophosphorus compounds (OP), due to the apparent up-regulation of the paraoxonase enzyme (PON) which is the main protector against OP mediated neurotoxicity. Finally, an apparent up-regulation of arsenite methyltransferase (AMT) indicated that metalloids such as arsenic (As) and Sb were bioreactive, despite that no accumulation of these metalloids were observed in the liver. The short term fish exposure studies were conducted in undiluted or in slightly diluted runoff water (e.g. 50:50 in Skullerud pond outlet water). Hence, in a real life situation the biological short term effects might have been less pronounced due to higher dilution factors under normal hydrological conditions. However, observations of reduced growth in the summer old sea trout population downstream the Vassum sedimentation pond during the last years, receiving tunnel wash water runoff from the Nordby tunnel, indicated in fact a long term negative biological effect. On average, individuals in the summer old sea trout population downstream the sedimentation pond were 21 % shorter than individuals from the population upstream. In a biological context, the results in the present study have demonstrated that sedimentation ponds may not be sufficiently effective in mitigating environmental impacts from highway and tunnel wash water runoffs. Hence, more research on new and/or alternative mitigation strategies should be addressed. It would also be advisable to establish a best management practice (BMP) of existing treatment facilities (e.g. removal of contaminated sediment and/or dead plant material), and in addition, providing guidelines on how to perform tunnel wash maintenance in an environmental sustainable perspective. Issues that should be addressed in this context are e.g. water volumes, cleaning agents, washing frequencies, in addition, how to avoid washing events during vulnerable periods for aquatic organisms (e.g. during smoltification of anadromous salmonids). Finally, the obtained results emphasis the inclusion of chemical speciation of the runoff water and biological parameters in the assessment of treatment performance, being a more sustainable and reliable approach than the measurement of total concentrations only.

I de siste 10-årene har det vært en betydelig trafikkvekst i Norge. Transportarbeidet har for eksempel økt fra 2,5 til 60,6 millioner passasjerkilometer i perioden fra 1948 til 2008. Den stadig stigende trafikkveksten har uten tvil en betydelig negativ effekt på miljøet, da avrenning fra vei inneholder en cocktail av både organiske og uorganiske forurensningsstoffer som kan forårsake skadelige effekter på det akvatiske økosystemet. Denne avhandlingen, som er en del av Statens vegvesen sitt pågående arbeid med EUs Vanndirektiv, adresserer problemstillinger relatert til økotoksikologiske effekter av avrenning fra vei. Avrenning fra vasking av tunneler er også inkludert, da dette er et tema som er langt mindre omtalt i den vitenskaplige litteraturen sammenlignet med naturlig avrenning. Eksponeringskarakterisering (f.eks. kildekarakterisering), miljøeffekter (giftvirkninger på fisk) og avbøtende tiltak (sedimenteringsbassenger) har derfor vært essensielle aspekter i denne avhandlingen. Resultatene i denne avhandlingen viste at avrenningsvann, både forårsaket av nedbør og tunnelvasking, var forurenset. I henhold til ulike europeiske og nordamerikanske miljøstandarder (EQS) var konsentrasjonen av metaller som f.eks. aluminium (Al), kobber (Cu), jern (Fe), bly (Pb) og sink (Zn), og polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) som f.eks. pyren, benso(b)fluoranten, benso(k)fluoranten, benso(ghi)perylen og ideno(1,2,3-cd)pyren mest bekymringsfull. Anrikningsfaktorer for metaller og forholdstall mellom ulike PAH-stoffer ble beregnet for å øke kunnskapen om de ulike kildene som bidrar til de trafikkrelaterte forurensningsstoffene. Beregningene ble gjort på tunnelvaskevann ettersom dette avrenningsvannet har liten eller ingen påvirkning fra andre antropogene kilder (f.eks. avsetninger som følge av langtransporterte forurensninger eller andre industrielle utslipp). Kildekarakteriseringen av tunnelvaskevannet viste at metaller som f.eks. Zn, Cu og antimon (Sb) stammet mest fra kjøretøyet (bildekk og bremser), høye anrikningsfaktorer for klorid (Cl) og natrium (Na) skyldes mest sannsynlig veisalting, mens lave anrikningsfaktorer for Al, barium (Ba), kalsium (Ca), krom (Cr), Fe, kalium (K), magnesium (Mg) og nikkel (Ni) indikerte bidrag fra veidekket. PAH-forholdstallene viste bidrag fra flere kilder som f.eks. asfalt, bildekk og eksos. Konsentrasjonene av både organiske og uorganiske stoffer var generelt høyere i urenset avrenningsvann og tunnelvaskevann sammenlignet med konsentrasjonene målt i utløpet av rensebassengene, noe som indikerte at forurensningsstoffer le fjernet fra vannfasen rensebassenget ved f.eks. sedimentering. Rensingen av løste metallforbindelser (< 0,45 μm) var imidlertid mindre effektiv da en studie av en vaskeepisode i Nordbytunnelen avslørte at 24 % av metallene ble sluppet ut som lavmolekylære (LMM) forbindelser (< 10 kDa). Høye konsentrasjoner av veisalt og løst organisk materiale (DOC) og oksygensvinn er viktig i denne sammenhengen fordi de kan bidra til økt transport og muligens remobilisering av forurensningsstoffer i sedimenteringsbassengene. I en biologisk sammenheng så er lav rensegrad av forurensningsstoffer som foreligger i lavmolekylære former bekymringsfullt fordi disse er antatt mer mobile og biotilgjengelig sammenlignet med partikkelassosierte forurensningsstoffer. Ved å benytte brunørret (Salmo trutta) som modellorganisme i toksisitetsvurderingene av avrenningsvann fra vei og tunnelvaskevann, ble det avdekket at flere av metallene som f.eks. Al, Cu, kobolt (Co), Fe, Pb and Sb var gjellereaktive. Akkumuleringen av metaller og sannsynlig også av andre forurensningsstoffer (f.eks. PAH) ble trolig modifisert av høye konsentrasjoner av Ca og DOC i vannet. Tiltross for dette så fremprovoserte akkumuleringen av metaller i eksponert fisk biologiske korttidseffekter uttrykt ved økte glukosekonsentrasjoner i blod, noe som er en god biomarkør for generelt stress. Typisk nok så ble dette etterfulgt av en mindre, men merkbar, reduksjon i blodplasmakonsentrasjoner av Cl og Na, noe som indikerte forstyrrelse av det ioneregulatoriske systemet. I tillegg ble flere komponenter assosiert med antioksidantforsvaret i lever hos eksponert fisk trigget. For eksempel så ble det målt en moderat økning i enzymaktiviteten til superoksid dismutase (SOD) og catalase (CAT) sammen med økt konsentrasjon av metallothionein (MT) i fisk eksponert for avrenningsvann fra Skullerudkrysset, mens det for fisk eksponert for tunnelvaskevann fra Nordbytunnelen ble observert en moderat oppregulering av mRNA-transkripsjon av biomarkørene for oksidativt stress thioredoxin (TRX) og γ-glutamylcysteine synthetase (GCS). Fisken som ble eksponert for tunnelvaskevann viste også at PAH var biotilgjengelig ved at mRNA-transkripsjonen av ”mixed function oxidase” enzymet cytokrom P450 1A (CYP1A) i lever ble signifikant oppregulert, selv om disse stoffene ofte er sterkt bundet til partikler. I tillegg til å bekrefte økt ekspresjon av antioksidantforsvaret og CYP1A i fisk eksponert for tunnelvaskevann, DNA-mikromatriseanalysene viste at trafikkrelaterte forurensningsstoffer også kunne undertrykke flere immunologiske prosesser samt inhibere biosyntesen av kolesterol flere timer etter eksponering. Mikromatriseanalysen indikerte også tilstedeværelsen av organofosfater (OP). Dette på grunn av en tilsynelatende oppregulering av enzymet paraoxonase (PON) som er viktig i beskyttelsen av OP-indusert nevrotoksistet. En tilsynelatende oppregulering av arsenittmetyltransferase (AMT) indikerte at metalloider som f.eks. arsen (As) og Sb var bioreaktive tiltross for at ingen akkumulering av disse metalloidene ble observert i lever. Korttidseksponeringen av fisk ble gjennomført i ufortynnet og i svakt fortynnet avrenningsvann (f.eks. 50:50 fortynning av utløpsvann fra Skullerud sedimenteringsbasseng). I en virkelig situasjon vil fortynningsfaktoren under normale hydrologiske forhold være større og de biologiske korttidseffektene kunne sannsynligvis være mindre åpenbare. I de senere årene er det imidlertid blitt avdekket at den sommergamle sjøørretpopulasjonen nedstrøms Vassum sedimenteringsbasseng som mottar vaskevann fra Nordbytunnelen, har redusert vekst, noe som indikerer biologiske langtidseffekter. I gjennomsnitt var individene i sjøørretpopulasjonen nedstrøms sedimenteringsbassenget 21 % kortere i lengde sammenlignet med individene i populasjonen oppstrøms. Basert på disse resultatene så konkluderes det med at sedimenteringsbassenger ikke nødvendigvis er tilstrekkelig i å beskytte vann og vassdrag det overordnede svaret på hvordan beskytte vann og vassdrag mot forurensing fra vei- og tunnelvaskavrenning. Det er derfor behov for mer forskning på nye og/eller alternative rensestrategier. Det vil også kunne være tilrådelig å etablere ”best management practice (BMP)” for eksisterende renseanlegg (f.eks. fjerning av forurenset sediment og/eller dødt plantemateriale), og i tillegg sørge for retningslinjer på hvordan gjennomføre tunnelvasking på en miljømessig forsvarlig måte. Problemstillinger i denne sammenhengen er f.eks. vannvolum, valg av vaskemiddel, vaskehyppighet, samt hvordan unngå vasking i perioder hvor det akvatiske dyrelivet er sårbart (f.eks. smoltifiseringsperioden til anadrome laksefisker). De presenterte resultatene viser også viktigheten av å inkludere kjemisk karakterisering av avrenningsvannet og biologiske parametere i vurderingen av rensegrad, noe som vil være en mer bærekraftig og pålitelig tilnærming sammenlignet med målinger av totale konsentrasjoner.