Entry and Effects of Particle-bound Pollutants in Urban Freshwater Bodies
Efforts to achieve a good status of most water bodies are continuously being hampered by poor sediment quality caused by the input of contaminated particles from anthropogenic sources. Most urban discharges such as stormwater and powdered activated carbon treated wastewater effluent contain particulate matter which harbours significant loads of contaminants. Entry of these particles in surface water bodies may result in chemical pollution of the sediment and adverse effects on benthic organisms. Therefore, the aim of the present thesis was to elucidate the fate of particle-bound contaminants in urban discharge on sediments of receiving freshwaters and the possible adverse effects on benthic biota. To this end, particles from stormwater discharges (separate sewer) and wastewater treatment plants (WWTPs) were investigated for their potential in degrading freshwater sediment and causing toxic effects on sediment-dwelling organisms. For the separate sewer pollution, two different catchments with stormwater basins were investigated (a predominant traffic catchment and a multipurpose land-use catchment). Studies were done with field-collected sediment and amphipod samples. Additionally, exposure experiments were performed in the laboratory with the endobenthic annelid Lumbriculus variegatus. Sediment and amphipod samples were analysed for their pollutant load followed by bioaccumulation and toxicity assessments in the laboratory with L. variegatus. Furthermore, the consensus-based sediment quality guideline (CBSQG) was applied to predict the toxic potential of sediments affected by stormwater discharges. For particles from WWTP, sediment toxicity experiments with L. variegatus were conducted with artificial sediment spiked with micropollutant loaded PAC from a WWTP. The present thesis recorded pollutants in sediments of stormwater receiving streams to occur above the natural background level. There was an increased accumulation of metals in sediment and biota downstream of the traffic stormwater basin outfall in the receiving stream while the multipurpose land-use catchment showed no increasing pattern downstream of the stormwater basin outfall in its studied stream. Bioaccumulation experiments revealed that L. variegatus took up stormwater pollutants from the sediment which in turn induced physiological responses in them. Although some particle-bound pollutants could escape retention in the stormwater basins and enter freshwater bodies, the investigated basins could still prevent receiving waters from a significant load of pollutants and the corresponding toxic effects. This was revealed by the high concentrations of pollutants and toxic potentials producing stronger physiological responses and lethal effects in the retention basin samples. For the studied WWTP micropollutant (MP) loaded particles, no effect on growth, reproduction and behaviour were found even with concentrations above environmental levels. Nonetheless, there was indication of possible adverse effects of these particles on benthic dweller if ingested after releasing the bound MP. Hence, the findings of this thesis further highlight the importance of upgrading prevention measures for anthropogenic-related particles that transport a considerable load of pollutants in freshwater bodies
Die Bemühungen, für die meisten Gewässer einen guten Zustand zu erreichen, werden immer wieder durch die schlechte Sedimentqualität dieser Gewässer behindert, die durch den Eintrag von Schadstoffpartikeln aus anthropogenen Quellen verursacht wird. Die meisten urbanen Einleitungen, wie Niederschlagswasserabflüsse und Kläranlagenabflüsse nach Aktivkohlebehandlung, enthalten Partikel, an denen hohe Mengen an Schadstoffen gebunden sind. Der Eintrag von Partikeln in Oberflächengewässer kann zu einer Schadstoffbelastung des Sediments und zu negativen Auswirkungen auf benthische Organismen führen. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit, den Einfluss von partikelgebundenen Schadstoffen aus urbanen Einleitungen auf die Sedimente der Fließgewässer und die möglichen Auswirkungen auf die benthischen Organismen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde untersucht, inwieweit Partikel aus Regenwassereinleitungen (Trennsystem) und Kläranlagen die obere Sedimentschicht belasten und toxische Auswirkungen auf sedimentlebende Organismen haben können. Für die Trennsystembelastung wurden zwei verschiedene Einzugsgebiete (ein Verkehrseinzugsgebiet und ein Mehrzweckeinzugsgebiet) mit Regenrückhaltebecken untersucht. Die Untersuchungen wurden mit Sedimenten und Amphipoden aus dem entsprechenden Fließgewässer durchgeführt. Zusätzlich wurden im Labor Expositionsversuche mit dem endobenthischen Ringelwurm Lumbriculus variegatus im Sediment durchgeführt. In Sediment- und Amphipodenproben wurden die Schadstoffbelastungen gemessen, gefolgt von Bioakkumulations- und Toxizitätsbewertungen im Labor mit L. variegatus. Darüber hinaus wurde die „Consensus-Based Sediment Quality Quideline“ (CBSQG) verwendet, um das Toxizitätspotenzial der Sedimente zu bewerten. Für Partikel aus der Kläranlage wurden Toxizitätsexperimente mit L. variegatus in einem Sediment-Wasser-Testsystem mit Pulveraktivkohle (PAK) aus der Kläranlage durchgeführt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass mit dem Eintrag von Regenwasser die Metallkonzentrationen in den Sedimenten der Fließgewässer über dem natürlichen Hintergrundwert liegen. Die Metallbelastung im Sediment und in den Biota-Proben war stromabwärts der Regenwassereinleitung des Verkehrsgebiets gegenüber der Referenzstelle erhöht. Für das Mehrzweckeinzugsgebiet war stromabwärts der Regenwassereinleitungen kein steigender Trend festzustellen. Bioakkumulationsexperimente zeigten, dass L. variegatus Schadstoffe aus dem Sediment aufnahm, was wiederum physiologische Auswirkungen auf die Organismen hatte. Obwohl einige partikelgebundene Schadstoffe dem Rückhalt in den Regenwasserbecken entgehen und damit in die Gewässerkörper gelangten konnten, verhinderten die untersuchten Rückhaltebecken einen erheblichen Schadstoffeintrag in die aufnehmenden Gewässer und entsprechende negative Auswirkungen. Dies wurde durch die hohen Schadstoffbelastung in den Sedimenten aus dem Rückhaltebecken und deren toxisches Potenzial, das sich im Labortest mit L. variegatus in Form von starken physiologischen Auswirkungen sowie Letalität zeigte, deutlich. Für die untersuchten Partikel aus Kläranlagen, die mit Mikroschadstoffen (MP) belastet waren, wurden keine Auswirkungen auf Wachstum, Reproduktion und Verhalten festgestellt, auch wenn die Konzentrationen über den in der Umwelt vorkommenden Werten lagen. Jedoch ergaben sich Hinweise darauf, dass diese Partikel negative Auswirkungen auf benthische Organismen haben, wenn sie nach der Freisetzung der gebundener MPs eingenommen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen, wie wichtig es ist, Vorsorgemaßnahmen für den Eintrag von Partikeln und deren gebundene Schadstoffe in urbane Gewässer zu optimieren, um erhöhte Schadstoffbelastungen in Oberflächengewässern zu vermeiden.