Polybrominated diphenylethers in the environment - Local and long range transport

Abstract

I have studied the sources, long range transport, and rates of flow of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), from the technosphere to the Baltic ecosystems. PBDEs are mainly used in polymers, which are applied in electrical equipment to prevent overheating or flashover and are produced in large quantities. PBDEs have become widely spread in the environment, where they are able to accumulate in biota (i.e. concentrations of PBDEs in human milk increase similar to that observed in wildlife) and induce toxic effects, such as thyroid disruption and neurological damage.



To identify sources of PBDEs, air and precipitation were sampled at a municipal solid waste treatment plant (MSW) with an electronics recycling facility. Concentrations in both precipitation and air were higher at the MSW than at a reference station. Concentrations in air and rain at the reference station were depending on wind direction and higher levels were found when winds were blowing from the MSW area. It was concluded that treatment of waste and electronics recycling is presently a source of “old” PBDEs (Tetra-BDE47 and Penta-BDE99) to the environment, whereas Deca-BDE209 concentrations are more a result of proximity to potential diffuse sources. A negative relationship between the particulate PBDE concentration and rain volume was found, suggesting a dilution effect and indicating the importance of particle scavenging for wet deposition.



To examine the distribution of PBDEs over Sweden, common frogs (Rana temporaria) were used as bioindicators. BDE47 was found in almost all frogs analysed, whereas BDE99 was detected in less than half of the frogs. PBDE concentrations were compared with that of PCBs. The fate of PCBs is well documented and believed to be similar to that of the PBDEs. I showed that PBDE and PCB concentrations in frogs were latitude related, supporting the global distillation theory. PBDE concentrations were significantly correlated with PCB concentrations, indicating similar contaminant sources and an analogous environmental fate. The PCB concentrations were one to two orders of magnitude higher than that of the PBDEs at southern latitudes, but the difference decreased to the north.



To assess the long range transport and input of PBDEs to the Baltic Sea, air and atmospheric deposition were sampled on Gotska Sandön, situated in the central basin of the Baltic Sea. As predicted by their physicochemical properties, low brominated congeners were in the gas/dissolved phase, whereas higher brominated PBDEs were more in the particle phase, affecting their respective modes of transport. BDE209 was compared to PCBs and other PBDEs and shown to be the most dominant pollutant in the atmosphere of the Baltic Sea region. This could be attributed to DecaBDE's currently high consumption volume. I found that PBDE and PCB concentrations were highly correlated, indicating that their overall atmospheric transport is likely driven by the same mechanism. However, a difference was observed between the commercial DecaBDE formulation, BDE209 and the Penta-BDEs BDE47, 100, and 99. This suggested different underlying processes between "old" commercial PentaBDE and "new" DecaBDE formulations when transported over long distances through the atmosphere.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

För att kunna förstå och bedöma exponeringen av kemikalier i miljön, i det här fallet PolyBromeradeDiphenylEtrar (PBDEer), behövs kunskap om källor och flöden från teknosfären till ekosystemen. PBDEer är bromerade flamskyddsmedel som bl a sätts till olika plastmaterial i elektronikanvändning för att förhindra brand. Det används globalt i miljontals kilo och presenteras av kemikalienbranschen som den mest effektiva metoden för brandskydd. Men PBDEer sprids, bioakummuleras (halterna i både i bröstmjölk samt djur ökar exponentiellt) och är giftiga. Ämnena stör hormonbalansen hos mammalier och påverkar nervsystemets utveckling och funktioner.



Jag utvecklade först metoder för att kunna mäta PBDEer i olika miljömatriser (luft, vatten och djur) och för sedan kunna analysera substanserna. Både luft och regn valdes som lämpliga matriser eftersom det förväntades att PBDEer sprids genom transport i atmosfären i likhet med andra persistenta miljögifter som t.ex. PCB. Nederbörd samlades in under hösten 2000. Eftersom inga tidigare studier genomförts avseende PBDEer i nederbörd valdes långa provtagningsperioder (2 veckor) som genomfördes med målsättningen att fasseparera PBDEer i löst och partikelbunden form. PBDEer fanns i mätbara halter, var till största delen partikelbundna och nedfallet från atmosfären var jämförbart med nedfallet för PCBer i södra Sverige. Deca-BDE209, den PBDE som används mest i samhället idag, visade också högst halter. Jag fann ett negativt samband mellan regnmängd och koncentration av partikulärt bundna PBDEer. Sambandet visar att PBDEer tvättas ur luften mycket effektivt när de är bundna till partiklar och att detta sker i början av ett regntillfälle.



Genom att mäta PBDEer i luft och regn vid avfallsbehandlingsföretaget SYSAV (i Malmö, företaget tar årligen emot 476000 ton avfall varav drygt 2000 ton är elektroniska produkter för återvinning) utrustat med en återvinningsstation för elektronik, vid en lokal nära SYSAV (NCC) och vid en opåverkad lokal identifierades PBDEers lokala spridningsmönster. Resultaten visade att PBDE halterna i luft och nederbörd var signifikant högre vid SYSAV jämfört med NCC och referenslokalen. I enlighet med PBDEers fysiska och kemiska egenskaper beror substansernas associering till partiklar i atmosfären på bromeringsgraden. Detta innebär att lågbromerade PBDEer huvudsakligen finns i gasfas medan högbromerade PBDEer mest är bundna till partiklar. Detta påverkar ämnenas spridning. Koncentrationer i luft och regn vid referenslokalen var beroende på vindriktningen och högre halter uppmättes då vindriktningen var från SYSAV området. Jag drar därför slutsatsen att elektronikåtervinning och behandling av avfall som innehåller PBDEer leder till utsläpp i miljön.



För att få en bild av den storskalig spridningen av flamskyddsmedel till Östersjön initierades en provtagning på Gotska Sandön i samarbete med personal från SMHI:s väderstation på ön. Ön ligger i centrala Östersjön, och har tidigare visats vara en representativ mätpunkt för PCB i området. Omkring 100 luft- och regnprov insamlades, uppdelat i partikulär och löst fas. Mina resultat visar att även här kan PBDEer spåras, i såväl luft som regn. I likhet med tidigare resultat så dominerade Deca-BDE209, som representerar den "nya" och mest använda kommersiella PBDE användningen i samhället och som ersatt andra produkter där Tetra-BDE47 och Penta-BDE99 dominerade. Dessa flamskyddsmedel respresenterar de "gamla" kommersiella blandningarna, vilket har börjat fasas ut enligt direktiv från EU.



Slutligen studerades den storskaliga spridningen och förekomsten av flamskyddsmedel över hela Sverige. Detta genomfördes genom att analysera PBDEer i vanlig groda (Rana temporaria). Ca 200 grodor samlades in på 7 lokaler, från Lund i söder till Kiruna i norr. Den mest förekommande PBDEn, Tetra-BDE47, återfanns i nästan alla djur, i likhet med olika PCBer. Vi visade att halterna av PBDE och PCB i grodorna är relaterade till latituden, men skiljer sig för olika individuella föreningar. Resultaten stöder teorien om global destillering. Jämfört med PCB, som inte används längre i Sverige, sprids PBDE från ett flertal källor fördelat över landet. PCB, å andra sidan, påverkas av temperaturen (som är relaterad till latituden) och minskar från söder till norr. Halterna av PBDE och PCB var signifikant korrelerade i grodorna, vilket tyder på att ämnena sprids och ackumuleras i djur enligt samma mekanismer.



Resultaten tyder på att PBDEer har spridit till miljön i mycket stor utsträckning och i samma omfattning som PCBer. Källorna för båda ämnesgrupperna är vanligtvis diffusa. Resultaten kan ligga som grund för en riskbedömning av flamskyddsmedel, där flödet av ämnena från teknosfären till olika ekosystem är en viktig byggsten och ackumulering i djur är en annan.

• author: ter Schure, Arnout
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Eisenreich, Steven, Institute for Environment and Sustainability, Joint Research Centre of the European Commission, Dept. Inland and Marine Waters, Ispra (VA), Italy
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: Substance Flow Analysis, Spatial Variation, Sources, PCB, PBDE, Latitude, Global Fractionation, Frogs, Deposition, Atmosphere, Baltic Sea, Ekologi, Temperature, Washout ratio, Ecology
• pages: 90 pages
• defense location: Blå Hallen, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2003-10-03 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNBDS/NBKE-03/1031-90
• ISBN: 91-7105-193-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I) ter Schure, A.F.H., Larsson, P., 2002. Polybrominated diphenyl ethers in precipitation in Southern Sweden (Skåne, Lund). Atmospheric Environment 36, 4015-4022. Article: II) Agrell, C., ter Schure, A.F.H., Larsson, P., Sveder, J., Bokenstrand, A., Zegers, B. Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) at a solid waste incineration plant I: Atmospheric concentrations. (Submitted). Article: III) ter Schure, A.F.H., Agrell, C., Larsson, P., Bokenstrand, A., Sveder, J., Zegers, B. Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) at a solid waste incineration plant II: Atmospheric deposition. (Submitted). Article: IV) ter Schure, A.F.H., Larsson, P., Merilä, J., Jönsson, K.I., 2002. Latitudinal fractionation of polybrominated diphenyl ethers and polychlorinated biphenyls in frogs (Rana temporaria). Environmental Science and Technology 36, 5057-5061. Article: V) ter Schure, A.F.H., Larsson, P., Agrell, C., Boon, J.P. Atmospheric transport of PBDEs and PCBs to the Baltic Sea. (Submitted).
• id: 4722dfc7-b466-4ea4-8f15-38be6031d07c (old id 466267)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:30:43
• date last changed: 2018-11-21 21:05:19