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Anne Kreutzer

• The intensive use of the North Sea area through offshore activities, sand mining, and the spreading of dredged material is leading to increasing pollution of the ecosystem by chemicals such as hydrophobic organic contaminants (HOCs). Due to their toxicological properties and their ability to accumulate in the environment, HOCs are of particular concern. The contaminants partition between aqueous (pore water, overlying water) and solid phases (sediment, suspended particulate matter, and biota) within these systems. The accumulated contaminants in the sediment are of major concern for benthic organisms, who are in close contact with sediment and interstitial water. It is thus particularly important to better understand how contaminants interact with biota, as these animals may contribute to trophic transfer through the food web. Furthermore, sediments are a crucial factor for the water quality of aquatic systems. They not only represent a sink for contaminants but also determine environmental fate, bioavailability, and toxicity. The Marine Strategy Framework Directive (MSFD) was introduced to protect our marine environment across Europe and includes the assessment of pollutant concentrations in the total sediment, which, however, rarely reflects the actual exposure situation. The consideration of the pollutant concentrations in the pore water is not implemented, although this is needed for the evaluation of bioavailability and risk assessment. For this reason, special attention is given to further development, implementation, and validation of pollutant monitoring methods that can determine the bioavailable fraction in sediment pore water. For risk assessment purposes, it is furthermore important to use biological indicators in addition to classical analytics to determine the effect of pollutants on organisms. The main objective of this thesis was to gain insight into the pollution load and the potential risk of hydrophobic organic chemicals (HOCs) in the sediment of the North Sea and to evaluate these results with regard to possible risks for benthic organisms and the ecosystem. The following five aims are covered within these studies to gain a holistic assessment of sediment contamination: 1. Assessment of the pore water concentrations of PAHs and PCBs 2. Determination of the bioturbation potential by macrofauna analysis 3. Application of the SPME method on biological tissue 4. Assessment of recreated environmental mixtures in passive dosing bioassays 5. Development of SPME method for DDT in sediments The thesis is comprised of three main studies supported by three additional studies ...
• Die Verschmutzung unserer Umwelt mit Schadstoffen ist ein immer größer werdendes, globales Problem, das ernsthafte Folgen nicht nur für Ökosysteme, sondern auch für die menschliche Gesundheit nach sich ziehen kann. Die Schadstoffe gelangen auf zahlreichen Eintrittspfaden in die Umwelt. Als Beispiele hierfür lassen sich unter anderem atmosphärische Ablagerungen, die Verschmutzung durch Schiffe bzw. industrielle Tätigkeiten wie Öl-, Gas- und Mineralexploration auf hoher See oder auch die (natürlichen) Einträge aus Flüssen nennen. Einmal in der Umwelt angekommen, werden sie über die Luft, das Wasser, den Boden oder das Sediment immer weiter transportiert. Schadstoffe kennen keine Grenzen, und unabhängig davon, wo sie in die Atmosphäre gelangen, haben sie Auswirkungen auf die globale Umwelt. Sedimente sind von großer ökologischer Bedeutung, da sie sowohl Lebensraum als auch Nahrungsquelle für viele Tierarten darstellen. Die Schadstoffe verteilen sich im System zwischen wässrigen Phasen (Porenwasser und darüber liegendes Wasser) und festen Phasen (wie Sediment, Schwebstoffe und Biota). Die im Sediment akkumulierten Schadstoffe sind vor allem für benthische Organismen von großer Bedeutung, da diese in engem Kontakt mit dem Sediment und dem interstitiellen Wasser stehen. Vor diesem Hintergrund ist es umso wichtiger zu verstehen, wie Schadstoffe mit Organismen interagieren, da diese zum trophischen Transfer entlang der Nahrungskette beitragen. Darüber hinaus sind Sedimente ein entscheidender Faktor für die Wasserqualität von aquatischen Systemen. Sie stellen nicht nur eine Senke für Schadstoffe dar, sondern bestimmen auch über deren Verbleib in der Umwelt, die Bioverfügbarkeit sowie die Toxizität. Die intensive Nutzung der Nordsee durch Offshore-Aktivitäten, Sandabbau und die Ausbringung von Baggergut führt zu einer zunehmenden Verschmutzung des Ökosystems durch Chemikalien wie hydrophobe organische Schadstoffe (HOCs). HOCs weisen zwar eine große strukturelle Vielfalt auf, jedoch können sie aufgrund ihrer hydrophoben, lipophilen und biologisch schwer abbaubaren Eigenschaften zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Diese Eigenschaften sowie ihre Fähigkeit, sich in der Umwelt anzureichern, sind entscheidend für ihre weltweite Verbreitung und ihr Vorkommen in fast jeder Matrix (Böden, Sedimente, Wildtiere oder auch menschliches Gewebe). Die Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL; 2008/56/EG) wurde im Jahr 2008 eingeführt, um unsere Meeresumwelt in ganz Europa zu schützen. Das Hauptziel der MSRL ist es, einen guten ökologischen und chemischen Zustand der EU-Meeresgewässer zu erreichen. Die Umsetzung der Maßnahmen zum Schutz des benthischen Ökosystems vor der zunehmenden Belastung durch den Menschen erfordert dabei eine sorgfältige wissenschaftliche Bewertung des Zustands sowie der Funktionen des Meeresbodens. Die MSRL sieht bisher nur die Bewertung der totalen Schadstoffkonzentrationen (Ctotal) im Sediment vor, die jedoch nur selten die tatsächliche Situation widerspiegelt. Die Schadstoffkonzentrationen im Porenwasser (Cfree) werden hingegen nicht berücksichtig, obwohl dies für die Bewertung der Bioverfügbarkeit und Risikobewertung notwendig wäre. Aus diesem Grund wird der Weiterentwicklung, Implementierung und Validierung von Analysemethoden, die den bioverfügbaren Anteil im Sedimentporenwasser bestimmen können, zunehmend besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Für die Risikobewertung ist es darüber hinaus wichtig, neben der klassischen Analytik auch biologische Indikatoren einzusetzen, um die Effekte von Schadstoffen auf Organismen zu erfassen. Die Kombination von stoff- und wirkungsbezogenen Daten könnte wesentlich zur Etablierung von Instrumenten für eine ganzheitliche Bewertung und Überwachung der Umwelt beitragen. Schwerpunkt dieser Arbeit war es, einen Einblick in die Schadstoffbelastung und das potenzielle Risiko hydrophober organischer Chemikalien (HOCs) im Sediment der Nordsee zu gewinnen und diese Ergebnisse im Hinblick auf mögliche Risiken für benthische Organismen sowie das Ökosystem zu bewerten. Um eine ganzheitliche Bewertung der Sedimentkontamination zu erhalten, erfolgte die Untersuchung auf Basis der folgenden fünf Ziele: 1. Bewertung der Porenwasserkonzentrationen von PAKs und PCBs 2. Bestimmung des Bioturbationspotenzials mittels Makrofauna-Analyse 3. Anpassung der SPME-Methode für biologisches Gewebe 4. Bewertung von künstlichen Umweltmischungen mittels ‚passive Dosing‘ Biotests 5. Adaptierung der SPME-Methode für das Pestizid DDT Die vorliegende Dissertation setzt sich aus drei Hauptstudien zusammen, die durch drei weitere Studien ergänzt werden ...