Metodik för miljöriskbedömningar Celia Jones, Kemakta Konsult Ann-Sofie Allard, IVL Michael Gilek, Södertörns Högskola Jonas Gunnarsson, Stockholm University Tryggve Persson, SLU Michiel Rutgers, RIVM Förbättrade miljöriskbedömningar (2006) Tillämpning av metodik för miljöriskbedömning på utvalda förorenade områden (2009) Metodik för miljöriskbedömning (2009)
Aim of project Developand applya methodfor assessmentof risks to the environmentfrom contaminatedareas. Include all stages in the risk assessment process Simple and detailed risk assessment Allow site specific risk assessment Deal with the uncertainties in a risk assessment Direct Surface water
Ecosystems are not more complex thanwe think They are more complex than we canthink* *Egler 1979 Picture from Michiel Rutgers, RIVM, NL Tiered approach Screening with guideline values Higher tiers: Increasingly site specific More detail Decreasing uncertainty
Three lines of investigation TRIAD (Liberation) 1. Chemistry(soil, groundwater) Concentration Mobility Bioavailability 2. Ecotoxicology Toxicitytests Biouptake 3. Ecology Functions Microbialand Integrated evauation toxicity chemistry risk ecology
Test matrix Kemi Ekotoxikologi Ekologi nivå 1 Gallring nivå 2 nivå 3 Jämförelse av föroreningshalter med riktvärden Laktester (även sekventiella lakning). Biotillgänglighetstester eller modeller. Bioupptagstester eller modeller Gallringstester (tex Microtox, PAM) på jord ochgrundvatten Grobarhet, växter Växter, rot- och skott tillväxt Akuta tester, evertebrater Evertebrater, tillväxt och reproduktion Akvatiska organismer (tester på grundvatten) alg, evertebrater (tex Daphnia, Nitochra ) Fältbesök - flora undersökning Kol och kväveomrsättning Basrespriation Undersöknignar av markdjur Undersökningar av mikrobiella samhällen (tex CLPP) Chemistry- Stage 1 Evaluation of data from chemical analyses Kemi As Pb Ba Cd Co Cr Cu Sb Zn Mo Ni Benämning Filtrer µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l G1 7.79 0.331 226 0.189 1.24 0.368 2 3.39 180 1.94 2.12 G2 422 2.98 220 0.0303 0.148 0.342 0.97 170 2.81 2.65 0.377 G11 272 0.0395 139 0.0036 0.0439 0.536 1.21 82.1 3.46 0.879 0.296 B3 0.218 0.205 35.4 0.0855 0.0808 0.238 3.31 0.667 73.9 <0,01 1.43 Dricksvatten 0.034 0.316 47.5 0.387 0.074 0.026 48.8 0.077 702 0.075 1.37 Brunn 1 Dricksvatten Brunn 2 0.21 0.576 111 0.0081 0.034 0.068 22.5 0.032 20.1 1.02 0.136 G1 (20060516) NEJ 8.8 0.217 112 0.041 0.0594 0.411 5.99 10.5 92.3 0.722 1.52 G11 (20060516) NEJ 283 0.978 236 0.0155 0.0924 0.871 1.46 141 9.48 0.863 0.923 G2 (20060516) NEJ 272 5.04 284 0.112 0.287 0.338 1.65 143 9.77 1.55 1.3 Bedömningsgrunder i µg/l As Pb Ba Cd Co Cr Cu Sb Zn Mo Ni Mycket lågt 1 <0.4 <0.2 <0.01 <0.3 <0.5 <5 <0.7 Lågt 2 0.4-5 0.2-1 0.01-0.1 0.3-5 0.5-3 5-20 0.7-15 Måttligt 3 5-15 1-3 0.1-0.3 5-15 3-9 20-60 15-45 Högt 4 15-75 3-15 0.3-1.5 15-75 9-45 60-300 45-225 Mycket högt 5 >75 >15 >1.5 >75 >45 >300 >225 MPC(RIVM 601501029) >260 >1.1 >30 MPC(RIVM 711701020) 11.1 2.4 4 SRC(RIVM 601501029) 15000 750 11000 54000 SRC(RIVM 711701020) 7100 810 27000 890 150 9.7 220 19 91 500 CCME 730
Guideline values Kemi Ecotox tests NOEC LOEC Tolerable risk probability density Statistical model 2% NOEC Hazardous Concentration PAF/Guideline values Kemi Use of SSDs to calculate potentially affected fraction of species Use of guideline/benchmark values(based on SSDs) PAF (potentially affected fraction) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 HC 50 1 10 100 1000 Concentration in soil (mg/kg)
Framtagning och tillämpning av riktvärden Kemi Level of protection Method (SSD or Safety factor) Which parameters (NOEC,ECx)? Underlying data extent, quality Underlying data, relevance Safety factor? Microbial processes Bioaccumulation Combined effect of several contaminants Kemi Scalingof measuredcontaminantconcentration(tp, between0 och 1) based on guideline values. Can be adjusted for background concentrations. (PAF can be used directly). Combinedrisk = 1-((1-TP 1 )*(1-TP 2 )..(1-TP n )) 1.2 Kombinerad risk - Krylbo, TP-värden map jordhalter och olika jämförvärde TP (MKM) TP (5*MKM) Combo-PAF 1.0 Kombinerad risk 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 E44 E58 F32 F39 F64 F71 G43 G47 G61 G66 G69 K47 K56 L44 L60 L65 L68 M50 N43 O50
Chemistry stage 2/3 Mobility of contaminants; leaching tests, porewater Evaluation: Leachablefraction(in mg/kg) and soil guidelinevalues. Normal mobilityin databasefor guidelinevalues? Pore-waterconcentrationand guidelinevaluesfor water Kd-values Kombinerad risk (Response Addition), Krylbo TP-värden map utlakad andel och riktvärdet KM, PAF-värden map utlakad andel och RIVM-data för jord Kemi Metaller(H2O)-PAH(MeOH) Metaller(H2O)-PAH(H2O) Metaller(H2O)-PAH(MeOH)-RIVM 1.000 0.100 Kombinerad risk 0.010 0.001 0.000 E44 E58 F64 G69 K56 L60 L68 M50 N43 O50 Chemistry, Stage 2. Bioavailability tests Kemi Gut Fluid Extractions 1. Worm collection & dissection 2. Incubation and centrifugation
Ecotoxtests Toxicitet Test combined effect of all contaminants Test battery (cover rangeof functions, trophic levels, taxonomic groups, behaviour) Tests on whole soil relevant bioavailability In vivo In vitro in somecases(evaluationproblem) Ecotoxicity Stage 1 Toxicitet Screening tests: texmicrotox, Rotas Tests on soil extract, groundwater, eluate from leaching tests 0.80 0.70 0.70 R 2 = 0.8871 0.60 R 2 = 0.331 0.60 reduktion i luminescens 0.50 0.40 0.30 0.20 R 2 = 0.2382 reduktion i luminescens 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 destillerat vatten sötvatten 0.10 0.00 0 50 100 150 200 250 300 350 As (mg/kg TS) 0.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500-0.10 PAH (total) mg/kg TS
Ecotoxicity Stage 2/3 Worm reproduction Toxicitet a kokonger/mask (relativt kontrollprov) 0.9 0.8 0.7 0.6 R 2 = 0.6684 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 200 250 300 As i jord (mg/kg) Ekotox Steg 2/3 Växttester Toxicitet PAH total klöver % grodda 0,9 y = 0,0002x + 0,1064 0,8 R 2 = 0,6615 0,7 0,6 0,5 Series3 0,4 Linear (Series3) 0,3 0,2 0,1 0 0 1000 2000 3000 4000 As klöver % grodda 0,9 y = 0,0003x + 0,2127 0,8 R 2 = 0,0088 0,7 0,6 0,5 Series1 0,4 Linear (Series1) 0,3 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400
Battery of tests needed Toxicitet korrelationkoefficient (n=20) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Gräs rot skott Hel växt % grodda Längre tillväxt rot Längre tillväxt blad/stam Längre tillväxt hel växt Klöver rot skott Hel växt % grodda Längre tillväxt rot Längre tillväxt blad/stam Längre tillväxt hel växt As PAH tot Mask Kokonger / mask % % Kläckta % Överlevande Biouptake Kemi Toxicitet Measured in field samples Measured in lab tests Correlationwith bioavailability (mg/kg torrvikt skott) / (mg/kg TS jord) 0.200 0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 0.387 Upptagsfaktor, As Referens Giftboden Släntkrön Våtmark, nära ledning Våtmark, mittemellan Våtmark, Svartån Generella modell BAF Engelskt rajgräs rot Krom 3,5 3 0.3 0.25 R 2 = 0.7583 2,5 2 1,5 1 0,5 0 N43 L60 M50 L68 G69 As Cr Cu BAF i maskar 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 biotillgänglig i mark (mg/kg)
Correlation, combinedrisks; chemistry and ecotoxicititet Toxicitet Kemi Mälarstranden 1.2 1 kombinerat effekt, toxicitet 0.8 0.6 0.4 0.2 aska ej aska 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 kombinerat effekt, kemi Ecology, Stage 1 ekologi
EcologyStage2? Community level physiological profiles Microbial ecology ekologi PCA samples Kryllbo, Sweden, 2007 Explanation axes: 1st axes: 27.0% 2nd axes: 19.7% 3rd axes: 13.4% Variable P Arsenic 0.042 PAH 0.17 ph 0.272 sandy 0.29 %OM 0.704 As<100 As>100<200 As>200-1.0 1.5 F71 F71+N43 ph M50 sandy E44 E58 L68 L60 N43 O50 G69 Total PAH F64 Arsenic %OM (LOI) K56-1.0 1.5 Ecology Stage 3 Soil functions ekologi 0,5 Basal respiration (mg CO 2 -C g -1 C d -1 ) 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 1000 2000 3000 4000 Total PAH (mg kg -1 TS)
Ecology Stage 3 Soil fauna ekologi Individual density Biomass Composition Indicator groups, e.g. Mites Nematodes Springtails V1 V4 V7 ekologi V2 V5 Mikrobi-detritivorer V8 Herbivorer ovan mark Predatorer V3 Fungivorer V6 V9 Relativ biomassa hos olika funktionella grupper i Västerås
Integrated assessment Scalingof results(0-1.0) with referenceto Control or reference sample(eg% reduction) Assessment criteria(e.g. nematode index) Confidence/weighting Combine results within each line of investigation Combine results from all lines of investigation Calculation of deviation Triad matrix tier 1 (basic level) Triad Aspect Parameter Sample A B C Chemistry Sum TP metals 0.00 0.49 0.77 Toxicology Microtox 0.00 0.95 0.95 Ecology nematods biomass 0.00 0.00 0.68 Integrated risk 0.00 0.70 0.83 deviation 0.00 0.82 0.27 risk 0-0.2 risk 0.2-0.5 risk 0.5-1 Deviation factor most important!!
Tier 2 Sample Triad Aspect Parameter A B C Chemistry Sum TP metals 0.00 0.49 0.77 Toxicology Microtox 0.00 0.95 0.95 Lettuce germ. 0.00 0.52 0.09 Lettuce growth 0.00 0.26 0.60 Bait lamina 0.00 0.42 0.64 integration 0.00 0.68 0.72 Ecology nematods biomass 0.00 0.00 0.68 nematods MI 0.00 0.00 0.65 integration 0.00 0.00 0.67 chemical risk: 0.00 0.49 0.77 toxicity risk: 0.00 0.68 0.72 ecology risk: 0.00 0.00 0.67 Integrated risk 0.00 0.45 0.72 deviation 0.00 0.61 0.09 Triad Aspect Parameter A B C Chemistry TP bioavailable 0.00 0.54 0.71 Toxicology Microtox 0.00 0.95 0.95 Bait lamina test 0.00 0.42 0.64 Worms growth 0.00 0.02 0.06 Worms survival 0.07 0.15 0.67 Worms reproduction 0.00 0.93 0.97 Lettuce germination 0.00 0.52 0.09 Lettuce growth 0.00 0.26 0.60 integration 0.01 0.65 0.75 Tier 3 Ecology Arthropods asex. reprod. 0.00 0.64 0.50 Arthropods fungiv. grazers 0.00 0.86 Arthropods predators 0.00 0.28 0.82 MO thymidine incorp. 0.00 0.72 0.99 MO biomass 0.00 0.81 0.78 MO nitrification 0.00 0.50 0.00 protozoans 0.00 0.00 0.00 nematods biomass 0.00 0.00 0.68 nematods MI 0.00 0.00 0.65 integration 0.00 0.42 0.76 chemical risk: 0.00 0.54 0.71 toxicity risk: 0.01 0.65 0.75 ecology risk: 0.00 0.42 0.76 Integrated risk 0.00 0.55 0.74 deviation 0.01 0.20 0.04
Kemi Toxicitet Ekologi 38 38 38 37 37 37 36 36 36 35 35 35 34 34 34 33 33 33 32 32 32 allvarlig 31 30 29 28 27 31 30 29 28 27 31 30 29 28 27 26 26 26 25 25 25 24 24 24 23 23 23 22 22 22 21 21 21 20 20 20 19 19 19 18 18 18 måttlig 17 16 15 14 13 17 16 15 14 13 17 16 15 14 13 12 12 12 11 11 11 10 10 10 9 9 9 8 8 8 ingen 7 6 5 4 7 6 5 4 7 6 5 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Chemistry Toxicity Ecology Integrated Kemi Nivå 3 Ekotoxikologi Nivå 3 Ekologi Nivå 3 Integrated Nivå 3 G66 G66 G66 G66 E44 E44 E44 E44 L65 L65 L65 L65 K56 K56 K56 K56 O50 O50 O50 O50 G61 G61 G61 G61 E58 E58 E58 E58 L60 L60 L60 L60 M50 M50 M50 M50 G47 G47 G47 G47 G69 G69 G69 G69 F39 F39 F39 F39 G43 G43 G43 G43 L68 L68 L68 L68 L44 L44 L44 L44 F71 F71 F71 F71 F32 F32 F32 F32 N43 N43 N43 N43 K47 K47 K47 K47 F64 F64 F64 F64 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20