The environmental occurrence, fate, and behavior of airborne organic contaminants of emerging concern in Norwegian terrestrial ecosystems

Abstract

Airborne organic contaminants of emerging concern (AOCs) are a large assembly of organic compound groups. AOCs consist of legacy persistent organic pollutants (POPs) and new POP- like compounds. These compound groups are of emerging concern for ecosystems’ health because they are, or are suspected to be persistent, toxic, bioaccumulative, and able to undergo long-range atmospheric transport (LRAT). Soil environments play an important role in the fate of AOCs because they have the ability to sorb and store large amounts of these contaminants. This study evaluated AOCs’ occurrence in top soils from 45 remote background sites well distributed throughout Norway, and their environmental fate and behavior (e.g. association with soil organic matter, spatial distribution, environmental processes, and air-to-soil exchange). The soils were analyzed for the following AOC-groups: polychlorinated biphenyls (PCBs), organochlorine (OC) pesticides, old and novel brominated flame retardants (BFRs), dechlorane plus (DPs), and chlorinated paraffins (CPs). In addition, 10 urban (Oslo area) top soils were sampled and analyzed equally in order to assess the anticipated effect highly populated areas can have on AOC-burdens in soils.

The assessment of the AOCs’ occurrence in Norwegian background soils showed that all compound groups included in this study are present at concentrations varying from <1 to >100 ng/g dry weight. CPs, a new POP-compound group, were found at highest concentrations, followed by the legacy-POPs: PCBs and DDTs. This rating does not consider their compound- specific toxicity and the potential adverse effects that may occur in these ecosystems due to their presence. In the top soils investigated, the AOCs were found to be associated with the soil organic matter (SOM) fraction. The AOCs deposit from the atmosphere to vegetation and soil surfaces, and are further sorbed to and stored in the SOM fraction because of AOCs’ hydrophobic, semi-volatile, and low water-soluble properties. From the air-to-soil exchange assessment it was found that the AOCs’ were far from reaching equilibrium between air and soil, which indicates that these soils are likely to continue to take up and store AOCs from the atmosphere. Based on this, the Norwegian soils will most likely not act as sources of AOCs, but rather as storage compartments.

The AOC-concentrations in the urban soils were found to be significantly higher than in the remote, background soils. Local sources from the highly populated Oslo area seemed to cause this difference. The background soils did however not appear to be related to population density and thus; the background soils can be considered truly “background” i.e. not significantly affected by local sources but rather by LRAT of the AOCs in question. This was also supported by the AOCs’ spatial distribution, where they were distributed with generally decreasing concentration levels from the south to the north in Norway. Consequently, the further away from large-scale source areas, such as central- and western Europe, and possibly also the largest Norwegian cities including Oslo, the lower were in general the AOC-burdens found in the background soils. Climatic factors, such as temperature and precipitation, also vary in this direction and their contribution to the trend observed along the latitudinal gradient has been emphasized.

Comparison with earlier studies showed that the background soil concentrations of legacy- POPs have decreased slightly over the last two decades. Norway’s cold climate, the soils’ large storage capacity, and the persistency of these compounds limits further transport and degradation of the legacy-POPs. As a result of this, they will most probably be present over several decades and their concentrations are not expected to drop significantly in the coming years. However, this does not imply that regulation of these compounds has no effect, but rather that soil and AOC-properties result in efficient storage of these contaminants in such environments. New POP-like compounds, such as CPs, NBFRs, and DPs, may on the other hand potentially increase in the near future due to their current (2019) and/or recent production and usage.

Luftbårne organiske forurensninger av fremvoksende bekymring (AOC-er) er en stor sammensetting av ulike grupper organiske forurensninger. AOC-er består av eldre persistente organiske forurensninger (POPs) og nye POP-lignende forbindelser. Disse sammensatte gruppene er av fremvoksende bekymring for økosystemers helse fordi de er, eller antas å være, vedvarende i miljøet, giftige, bioakkumulerende og i stand til å gjennomgå langdistanse atmosfærisk transport (LRAT). Jordmiljøer spiller en viktig rolle i AOC-ers skjebne fordi jord har evnen til å adsorbere og lagre disse forurensningene. Denne masteroppgaven evaluerte AOC-ers forekomst i toppjord fra 45 avsidesliggende bakgrunnsområder godt distribuert over hele Norge, og deres skjebne og oppførsel i miljøet (for eksempel assosiasjon til organisk materiale, romlig fordeling, miljøprosesser og luft-til-jord-utveksling). Jordprøvene ble analysert for følgende AOC-grupper: polyklorerte bifenyler (PCB), klororganiske (OC) plantevernmidler, gamle og nye bromerte flammehemmere (BFR), dekloran plus (DPs) og klorerte parafiner (CPs). I tillegg ble 10 urbane (Oslo-området) toppjord prøvetatt og analysert i likhet med bakgrunnsprøvene for å vurdere effekten svært befolkede områder kan ha på AOC- forekomster i jord. Vurderingen av AOC-forekomsten i norsk bakgrunnsjord viste at alle gruppene av organiske forurensninger er tilstede. Konsentrasjonene varierte fra <1 til> 100 ng / g tørrvekt. CPs, en ny POP-gruppe, ble funnet i høyest konsentrasjoner, etterfulgt av de eldre-POP-ene: PCB-er og DDT-er. Denne vurderingen bedømmer ikke deres sammensetningsspesifikke toksisitet og de potensielle negative effektene som kan oppstå i disse økosystemene på grunn av deres tilstedeværelse. I de undersøkte toppjordene ble AOC-ene funnet å være assosiert med den organisk materiale (OM) fraksjon. AOC-ene avsettes på vegetasjon og jordoverflater fra atmosfæren, og videre adsorberes de til og lagres i OM-fraksjonen på grunn av AOCs hydrofobiske-, halv-volatile- og lite vannløselig egenskaper. Fra luft-til- jordutvekslingsvurderingen ble det funnet at AOC-ene er langt fra å være i likevekt mellom luft og jord. Dette indikerer at jorda sannsynligvis vil fortsette å ta opp og lagre AOC-er fra atmosfæren. På grunnlag av dette vil de norske jordene sannsynligvis ikke fungere som kilder av AOC-er, men heller som lagringsplass.

AOC-konsentrasjonene i de urbane jordprøvene var betydelig høyere enn i bakgrunnsprøvene. Lokale kilder fra det svært befolkede Oslo-området har sannsynligvis forårsaket denne forskjellen. Bakgrunnsjorda forekommer imidlertid ikke å være relatert til befolkningstetthet, og derfor kan disse jordprøvene betraktes som virkelig "bakgrunn", dvs. ikke betydelig påvirket av lokale kilder, men heller av LRAT av de aktuelle AOC-ene. Dette ble også støttet av AOC- ers romlige fordeling, hvor de ble fordelt med generelt reduserende konsentrasjonsnivåer fra sør til nord i Norge. Følgelig, jo lenger bort fra store kilder, som sentral- og vest-Europa, og muligens de største norske byene, inkludert Oslo, jo lavere var generelt AOC-forekomsten som ble funnet i bakgrunnsjorda analysert. Klimaforhold, slik som temperatur og nedbør, endres også i denne retningen, og deres bidrag til trenden observert langs breddegradgradienten har blitt diskutert. I sammenligning med tidligere studier viste det seg at bakgrunnsjordkonsentrasjonene av eldre- POP-er har blitt redusert noe de siste to tiårene. Norges kalde klima, jordens store lagringskapasitet og persistensen til disse forbindelsene begrenser videre transport og nedbrytning. Som et resultat av dette er de tilstede i flere tiår, og konsentrasjonene forventes ikke å falle betydelig i de kommende årene. Dette innebærer imidlertid ikke at regulering av disse forbindelsene ikke har noen virkning, men at jord- og AOC-egenskaper resulterer i effektiv lagring av disse forurensningene i slike miljøer. Nye POP-lignende forbindelser, som CPs, NBFRs og DPs, kan derimot potensielt øke i nær fremtid på grunn av deres nåværende (2019) og / eller nyere produksjon og bruk.