Ecotoxicological investigation of insulation materials and their degradation products
Der anthropogene Klimawandel, d.h. der Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur, macht die konsequente Verringerung der Treibhausgasemissionen notwendig, um weitreichende Auswirkungen auf die Biosphäre des Planeten zu vermeiden (COP 21, 2015; IPCC, 1990, 2022). Als einer der größten Emittenten von Treibhausgasen muss der Gebäudesektor zu den notwendigen Reduktionen beitragen, beispielsweise durch die Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden (Cabeza et al., 2022; Lucon et al., 2014). Eine Möglichkeit Gebäude energieeffizienter zu machen, besteht darin, alte und neue Häuser mit einer angemessenen Dämmung zu versehen (Cabeza et al., 2010, 2018; Ürge-Vorsatz et al., 2020). Dies führt dazu, dass die Nachfrage nach Dämmstoffen in Zukunft voraussichtlich steigen wird, was eine umfassende Bewertung der potenziellen Auswirkungen von Dämmstoffen auf Ökosysteme erforderlich macht. Dabei sollte auch die Ökotoxizität der Materialien, ihrer Inhaltsstoffe und Abbauprodukte berücksichtigt werden. Die Betrachtung von Abbauprozessen ist relevant, da sie zur Entstehung unbekannter Transformationsprodukte und zur Bildung komplexer Gemische führen können, welche auf nicht vorhersehbare Weise ökotoxikologisch wirken können (Backhaus & Faust, 2012; Cedergreen, 2014). Die vorliegende Arbeit untersucht in drei Kapiteln die Ökotoxizität von Inhaltsstoffen und Abbauprodukten zweier weit verbreiteter Dämmstoffe: Steinwollfasern (die zu den Mineralwolledämmstoffen gehören) und zwei neuartige bromierte Flammschutzmittel (die Polystyrolschaumdämmstoffen zugesetzt werden). In Kapitel I wurde eine Reihe von standardisierten ökotoxikologischen Labortests durchgeführt, um die akuten und chronischen Auswirkungen von Steinwolle-Eluaten auf die Umwelt zu untersuchen. Die Versuche wurden mit Eluaten dreier verschiedener Testmaterialien durchgeführt, darunter wärmebehandelte Steinwollfasern (d. h. ohne organisches Bindemittel) und gemahlene Fasern mit und ohne Wärmebehandlung. Die wässrigen Eluate wurden nach dem OECD-Leitfaden über die Umwandlung/Auflösung von Metallen und Metallverbindungen hergestellt. Bei der chemischen Charakterisierung der Eluate wurde keine Auslaugung von organischen Bindemittelbestandteilen aus den Testmaterialien festgestellt, und zwei der achtzehn analysierten Elemente konnten in den Lösungen quantifiziert werden. Bei der anschließenden ökotoxikologischen Prüfung, die sowohl akute als auch chronische Tests beinhaltete, wurden insgesamt vier verschiedene aquatische Testspezies aus unterschiedlichen trophischen Ebenen einbezogen. Die Eluate der wärmebehandelten Steinwollefasern wirkten sich weder akut noch chronisch auf die Testorganismen aus, während die gemahlene Steinwolle, je nach Testmaterial und eingesetzter Konzentration, zur Stimulation oder Hemmung der Reproduktion von Daphnia magna und des Wachstums von Caenorhabditis elegans führte. In Kapitel II wurden zwei neuartige bromierte Flammschutzmittel (PolymericFR und Tetrabrom-Bisphenol-A-bis (2,3-dibrom-2-methyl-propyl) ether: TBBPA-BDBMPE), die derzeit in Polystyrolschaumdämmstoffen verwendet werden, auf ihr photolytisches Abbauverhalten hin untersucht. Es wurden Abbaugemische der beiden Chemikalien hergestellt, indem die Flammschutzmittel in Wasser gegeben und mit künstlichem UVLicht bestrahlt wurden. Anschließend wurden die Abbaugemische chemisch analysiert und ihre ökotoxikologischen Auswirkungen auf zwei aquatische Testarten untersucht, wobei auch die Probenstabilität während der Lagerung betrachtet wurde. Die Untersuchung ergab, dass die Anzahl der nachgewiesenen Abbauprodukte in den Gemischen mit fortschreitender Dauer der Photolyse und nach einer Lagerung der Proben im gefrorenen Zustand zunahm. Ebenso nahm die akute Immobilisierung von D. magna nach gefrorener Lagerung und längerer UV-Bestrahlungsdauer der Abbaugemische zu, während keine Auswirkungen der Gemische auf das Wachstum von Desmodesmus subspicatus gefunden wurden. Die ökotoxikologischen Auswirkungen der gefroren gelagerten Abbaugemische beider Flammschutzmittel wurden in Kapitel III weiter untersucht. Während sie im in vitro CALUX (chemisch aktivierte Luziferase-Genexpression) Assay nicht zu Effekten auf die östrogenen und androgenen Rezeptoren führten, zeigte Lumbriculus variegatus vorrübergehende physiologische Reaktionen nach einer kurzzeitigen Exposition gegenüber den Abbaugemischen. Die Exposition gegenüber den Abbaugemischen von TBBPA-BDBMPE erhöhte dabei die Glutathion-S-Transferase- und die Acetylcholinesterase-Aktivitäten innerhalb der Anneliden, während die Abbaugemische von PolymericFR einen Anstieg der Katalase-Aktivität verursachten. Die Abbaugemische beider Flammschutzmittel führten jedoch zu keinen chronischen Effekten bei L. variegatus in Bezug auf Wachstum, Reproduktion, Fragmentierung und Energiespeichern. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen ein geringes ökotoxikologisches Potenzial der derzeit verwendeten Dämmstoffe und ihrer Abbauprodukte auf die untersuchten aquatischen Testorganismen. Die Arbeit zeigt jedoch Veränderungen in der Ökotoxizität durch abiotische Abbauprozesse auf, darunter eine erhöhte Auswaschung von zwei Elementen und chronische Effekte bei aquatischen Wirbellosen durch Eluate von mechanisch und thermisch abgebauter Steinwolle und akute Effekte auf Daphnien und Anneliden durch photolytisch abgebaute Flammschutzmittel. Es sind außerdem weitere Studien, mit erhöhter Umweltrelevanz, zum Abbau der Materialen erforderlich. Ebenso ist eine Weiterentwicklung der Methoden zur Überwachung der Umweltexposition der Dämmstoffe und ihrer Abbauprodukte nötig. Dabei sollten insbesondere weitere Untersuchungen zu aktuell gängigen Probenlagerungsbedingungen und der Stabilität von Analyten unter diesen Bedingungen berücksichtigt werden.
The anthropogenic climate change, i.e. the rise of average global temperatures, make extensive reductions in greenhouse gas emissions necessary to avoid severe effects on the planets biosphere (COP 21, 2015; IPCC, 1990, 2022). As a major emitter of greenhouse gases, the building sector has to contribute to the necessary reductions, for example by improving the energy efficiency of buildings (Cabeza et al., 2022; Lucon et al., 2014). One way of making buildings more energy efficient, is by adding adequate insulation to old and new houses (Cabeza et al., 2010, 2018; Ürge-Vorsatz et al., 2020). Therefore, the future demand of insulation materials is expected to increase, necessitating a comprehensive assessment of the potential impact of the insulation on ecosystems. This includes the investigation of the ecotoxicity of the materials, their constituents and degradation products. The inclusion of degraded materials and chemicals in the assessment is relevant, as degradation processes can lead to formerly unknown transformation products and the formation of complex mixtures, which may lead to non-predictable ecotoxicological effects (Backhaus & Faust, 2012; Cedergreen, 2014). Within three chapters, this thesis investigates the ecotoxicity of constituents and degradation products of two broadly used insulation materials, namely stone wool fibers (which belong to the mineral wool materials) and two novel brominated flame retardants (which are being added to polystyrene foam insulation). In Chapter I, a battery of standardized laboratory ecotoxicological tests have been used to investigate the acute and chronic ecotoxicological potential of stone wool eluates. The experiments were conducted with eluates of three different test materials, including heat-treated stone wool fibers (i.e. without organic binder) and milled fibers with and without a heat treatment. The aqueous eluates were prepared according to the OECD protocol on the transformation/dissolution of metals and metal compounds. In a chemical characterization of the eluates, no leaching of organic binder constituents from the test materials was observed and two elements, out of the eighteen analyzed, could be quantified in the solutions. A total of four different aquatic test species from different trophic levels were included in the subsequent ecotoxicological testing, which considered both acute and chronic test set-ups. The eluates of heat-treated fibrous stone wool did not affect the test organisms acutely or chronically, while the milled stone wool led to the stimulation or inhibition of Daphnia magna reproduction and Caenorhabditis elegans growth, depending on the respective milled test material and applied concentration. In Chapter II, two novel brominated flame retardants (PolymericFR and Tetrabromobisphenol A-bis (2,3-dibromo-2-methyl-propyl) ether: TBBPA-BDBMPE), which are currently being used in polystyrene building insulation foams, were studied with regards of their photolytic degradation behavior. Degradation mixtures of the two chemicals were derived by placing the flame retardants in water and exposing them to artificial UV light. Subsequently, the degradation mixtures and their storage stability were chemically analyzed and their ecotoxicological effects on two aquatic test species were examined. The investigation revealed higher numbers of detected degradation products in the mixtures with progressing photolysis times and after a frozen storage of the samples. Likewise, the acute immobilization of D. magna increased after frozen storage and longer UV exposure times of the degradation mixtures, while no effects of the mixtures on the growth of Desmodesmus subspicatus were found. The ecotoxicological effects of degradation mixtures of the two flame retardants stored frozen was further studied in Chapter III. While exposure to the mixtures did not lead to effects on the estrogenic and androgenic receptors in the in vitro CALUX (chemically activated luciferase gene expression) assay, temporary physiological reactions were detected for Lumbriculus variegatus after a short-term exposure to the degradation mixtures. Exposure to the degradation mixtures of TBBPA-BDBMPE increased the Glutathione-S-transferase and Acetylcholine esterase activities within the annelid and the degradation mixtures of PolymericFR caused an increase in the activity of Catalase. However, the degradation mixture of neither flame retardant affected L. variegatus chronically, in terms of growth, reproduction, fragmentation and energy storage. The results presented in this thesis show a low ecotoxicological potential of currently used insulation materials and their degradation products on the investigated aquatic test species. However, it also highlights changes in the ecotoxicity brought about by abiotic degradation processes, including an increased element leaching and chronic effects in aquatic invertebrates by eluates of mechanically and thermally degraded stone wool and acute effects on daphnids and annelids by photolytically degraded flame retardants. Yet, further studies are needed to improve the environmental relevance of the degradation experiments for the test materials. Likewise, further method development is necessary with regards to the environmental exposure monitoring of the insulation materials and their degradation products, including especially more investigations into currently used sample storage conditions and the stability of analytes under these conditions.