Non-target and suspect characterisation of organic chemicals of emerging concern in air and biota

Abstract

Persistent organic pollutants (POPs) and other regulated organic chemicals are being monitored in the environment to evaluate the effectiveness of regulations and conventions, spatial and temporal trends as well as a compound`s environmental fate. However, there are hundreds of thousands of chemicals in commerce and new chemicals are continuously being developed. Some of these new chemicals have similar physical-chemical properties as known POPs or regulated chemicals, but their environmental fate is not well documented. Therefore, it is important to screen environmental samples for new potential chemicals of emerging concern (CECs) to detect such CECs at an early stage, preferably before reaching toxic or harmful concentrations for humans and/or the environment. The scientific work of this thesis aims to provide new methods to screen simultaneously for large number of compounds within a wide range of polarity and to identify new potential CECs in air and biota.

One specific aim of the research of this thesis was the development and evaluation of new clean-up methods omitting the use of destructive or very selective clean-up processes in order to keep as many as possible compounds of interest in the clean extract. For high-volume air samples a three-layer liquid chromatography method was established. For biota, this new clean-up method was combined with additional wide scope clean-up steps due to the complexity of biological samples. The evaluation of the new clean-up method found that it could provide sample extracts of similar cleanness and quality, compared to the traditional method using concentrated sulphuric acid, but also including a broader range of compounds (i.e. also acid-labile compounds). Another aim of the research was the development of data processing workflows for the detection, identification and prioritisation of new potential CECs as well as the development of a wide-scope instrumental method for comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) combined with low-resolution mass spectrometry (LRMS). The combination of new clean-up methods, comprehensive detection methods, and new data processing workflows, could reveal several new potential CECs in air and biota which were detected for the very first time. It was found that some of the CECs detected in air may undergo long-range atmospheric transport, due to the detection in southern Norway and the Arctic. Furthermore, it was found that some of the detected CECs in biota may have a bioaccumulation potential. This highlights the importance of screening studies for the early detection of new CECs in the environment. Further research is necessary to evaluate the environmental fate of these found CECs for possible regulatory actions.

Persistente organisk miljøgifter (POPer) og andre regulerte organiske forbindelser blir overvåket i miljøet for å evaluere effektiviteten av reguleringer og konvensjoner, romlig og temporale trender så vel som forbindelsers miljøskjebne. Det er likevel hundre tusenvis av kjemikalier i handel og nye kjemikalier blir utviklet for bruk i industrien og daglig bruk. Noen av disse forbindelser har like fysikalsk-kjemiske egenskaper som kjente tungt-nedbrytbare organiske forbindelser (for eksempel POPer) eller regulerte kjemikalier, men deres miljøskjebne er ofte ikke godt nok dokumentert. Det er derfor viktig å kartlegge miljøprøver etter nye potensielle forbindelser av økende miljørelevans (CECer). Dette er også viktig for å oppdage slike CECer på et tidlig stadium, helst før de når toksiske eller skadelige nivåer for mennesker og/eller miljøet. Det vitenskapelige arbeidet i denne avhandlingen har til hensikt å utvikle nye metoder for å analysere et stort antall kjemiske sporstoffer innen et vidt polaritetsområde og identifiserer nye CECer i luft og biota.

Ett mål med dette forskningsarbeidet var også å utvikle og evaluere nye opprensnings-metoder for å unngå bruk av destruktive og veldig selektive opparbeidelsesprosesser. Dette ble gjort for å beholde flest mulig forbindelser i prøveekstrakten. En kolonnekromatografisk metode bestående av tre ulike adsorbentlag ble utviklet for luft prøver med stort volum. Denne nye væske kromatografiske metoden ble kombinert og utvidet med flere ikke-spesifikke opparbeidelsesskritt på grunn av kompleksiteten i de biologiske prøvene. Gjennom evalueringen av den nye opparbeidelsesmetoden vle det bekreftet at metoden produserer ekstrakter med tilsvarende renhet og kvalitet, sammenlignet med den tradisjonelle metoden som benytter konsentrert svovelsyre. Dette gjelder også tilsvarende opparbeidelsesmetoder for analyser av syrelabile sporstoffer. Basert på denne studien ble det utviklet en standard analyse protokoll (SOP) for detektering, identifisering og prioritering av nye potensielle CECer. Videre ble det utviklet en ikke-spesifikk instrumentell metode for omfattende todimensjonal gass-kromatografi (GC×GC) i kombinasjon med lav oppløsende masse spektrometri (LRMS). Kombinasjonen av de nye prøveopparbeidelsesmetodene, den omfattende deteksjonsmetoden og databearbeidelsesmåten, avslørte flere nye potensielle CECer i luft- og biota-prøver. Det ble oppdaget at noen av CECene som ble detektert i luft muligens hadde vært utsatt for atmosfærisk langtransport siden de ble detektert i Sør Norge og på Svalbard. I tillegg ble det funnet at noen av de oppdagede CECene i biota kan ha et bioakkumuleringspotensial. Dette påpeker viktigheten av ikke-spesifikke kartlegging av miljøprøver for CECer er ett viktig ledd for en tidlig oppdagelse av nye CECer i miljøet. Videre forskning er nødvendig for å evaluere miljøskjebnen til de oppdagede nye CECene for mulige regulatoriske handlinger.