Metoder for å måle og modellere biotilgjengelighet av ammunisjonsrelaterte metaller i jord og vann i skyte- og øvingsfelt

Abstract

Miljøkvalitetsstandardene i vannforskriften for miljøgifter i vannforekomster ble revidert høsten 2015. Det ble blant annet innført en grenseverdi for årsgjennomsnittet i ferskvann på 1,2 µg Pb/l som gjaldt den biotilgjengelige fraksjonen av bly (Pb). Biotilgjengelig konsentrasjon kan defineres som den andelen av et stoff som kan gjøres tilgjengelig for opptak i en organisme. Denne andelen kan være mye lavere enn den totale konsentrasjonen. Forurenset avrenningsvann fra et skytefelt består av forskjellige tilstandsformer av uorganiske metallforbindelser, og metallforbindelser assosiert med uorganiske og organiske kolloider og partikler. For Pb og kobber (Cu) i avrenningsvann eller porevann er det foreslått at det er fraksjonen med frie metallioner som utgjør den mest biotilgjengelige og toksiske fraksjonen. Andelen fritt metallion i vann er imidlertid ikke en konstant størrelse, og man har flere varianter av kompleksbundet metall som kan være biotilgjengelig. Derfor brukes begrepet labilt metallion, som også kan omfatte andre tilstandsformer enn fritt ion. Det finnes mange forskjellige metoder for å måle eller beregne den biotilgjengelige andelen av metallforurensing i vann. Metodene kan deles inn i fire hovedgrupper: (1) De teoretiske likevektsbaserte modellene, som benytter kjente kjemiske og biologiske parametere fra løsningen, for eksempel pH, løst organisk innhold og toksisitet, for å finne ut hvilke spesier metallet befinner seg på. Et eksempel på dette er biotic ligand-modellen (BLM). (2) Kjemiske analysemetoder, som måler frie metallioner direkte, for eksempel ioneselektive detektorer. (3) Forskjellige varianter av passive prøvetakere, for eksempel DGT. (4) Forskjellige metoder for ultrafiltrering og dialyse. Mange av metodene kan kombineres, og flere av metodene for å måle tilstandsformen til metaller i vann kan også benyttes på jord og jordvæske. For å vurdere biotilgjengelighet av metallforurensinger i jord blir det i tillegg benyttet forskjellige ekstraksjonsprosedyrer og ristetester som kan si noe om hvordan metallene er bundet til jorda. Det er få metoder som er tilpasset rutinemessig overvåkning av vann og vassdrag. Mange metoder er lite uttestet, de har for høye deteksjonsgrenser, eller de krever sofistikert utstyr og er tidkrevende. Metoder som vil være egnet for overvåkning av biotilgjengelig andel av metaller i vann, er passive prøvetakere som DGT og teoretiske modeller som BLM. Utfordringen med modeller som BLM er at de ikke er validert for vannkvaliteten man ofte finner i Norge eller i Skandinavia. I tillegg er det utviklet få validerte BLM-modeller for Pb. Man står derfor i fare for å både over- og underestimere risikoen knyttet til en metallforurensing. Elektrokjemiske analysemetoder som voltammetri vil sannsynligvis bli mer aktuelt, men per i dag gjenstår en del utvikling på utstyr tilpasset feltbruk. Separasjon av metallspesier med ioneselektive kolonner og ultrafiltrering er enkel metodikk for å undersøke metallenes tilstandsform i vann, men må sammenlignes med andre metoder for å vurdere om de kan benyttes i risikovurdering av forurensinger i vann. For å vurdere biotilgjengelighet av metaller i jord kan man benytte enkle ristetester, men det er viktig at testen er tilpasset det miljøet organisme eksponeres i.

Environmental quality standards (EQS) in the water were revised in 2015. An EQS for the bioavailable fraction of Pb was implemented. The bioavailable fraction can be defined as the fraction of a compound that is accessible to an organism for absorption. This fraction may be less than the total concentration of the compound. Contaminated run-off water from a shooting range contains different metal species, such as free ions, and metal species associated with organic and inorganic colloids and particles. The fraction of free metal ions is considered the most bioavailable and toxic fraction, but also metal ions associated in complexes with colloids may be available for uptake in an organism. The term labile metal species is therefore used, which includes several more metal species than free ions only. There are a lot of different methods to estimate or analyze the bioavailable fraction of metals in water. The existing methods can be divided in four main groups: (1) Theoretical equilibrium based methods, which build on known chemical and biological processes of the metals in the water, such as pH, concentrations of dissolved organic matter, and toxicity. An example is the biotic ligand model (BLM). (2) Chemical analyses, such as analysis with ion selective electrodes. (3) Different techniques of passive samplers, such as DGT. (4) Different techniques of size and charge fractionation, such as ultra-filtration and dialysis. Many of these methods can be combined and used to estimate the metal species in soil and soil water. To assess bioavailable fraction of metals in soil, sequential extractions or batch tests can be used. There are few methods available to estimate the bioavailable fraction of metals on a routinely based surveillance of a contaminated area. Many methods are not properly validated, or the detection limits are too high or demanding to operate. Suitable methods for routinely monitoring for risk assessment of waters are passive samplers such as DGT and theoretical models such as BLM. The most frequently used BLM models are, however, not validated for the most typical water qualities in Norway or in Scandinavia. In addition, there are few validated BLM models for Pb. Therefore, there are chances of both underestimating and overestimating the ecotoxicological risk of a metal contamination. Use of electrochemical detection such as voltammetry may be applicable in the future, but there are still few voltammetry instruments available that are adapted to be used in the field. Size and charge fractionation techniques are simple methods to evaluate metal species in water, but must be validated through comparative studies with other methods. To assess bioavailable fractions of metals in soil, simple batch tests, adapted to the environment of the organisms, may be used.