Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in river bank soils

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous and found in the atmosphere, aquatic environment, sediments and soils. For environmental risk assessments and the allocation of the polluter it is important to know the PAH sources. PAH contamination sites are usually the result of anthropogenic processes. Three major sources are known: i) petroleum, including crude oil and its refined products and coals (petrogenic PAHs), ii) burning of organic matter (pyrogenic PAHs) and iii) transformation products of natural organic precursors present in the environment (diagenetic processes). In one case elevated PAH concentrations were found in river bank soils when building a retention area along the Mosel River. The source of the PAHs in this area was unclear and required the investigation of possible sources. To evaluate the PAH distribution along the Mosel River, a section of ~ 160 km along the river and a short section along the Saar River were investigated within this study. Concentrations of the Σ16 EPA PAHs were as high as 81 mg kg-1 dry weight (dw). Additionally, coal particles were identified in some soils, which originated from mining activities in the Saarland region. PAH distribution patterns of the 16 EPA PAHs suggest a mainly pyrogenic origin and in some cases a mixture of pyrogenic and petrogenic origin. For a comprehensive investigation five sampling sites were selected. Two sites were located before the confluence of the Mosel and Saar River, one site at the confluence and two sites after the confluence. The examination included typical forensic methods such as PAH distribution patterns of 45 PAHs (including alkylated PAHs), calculation of PAH ratios, determination of PAH alkyl homologues, n-alkanes, principal component analysis (PCA) and coal petrography. The results revealed a mainly pyrogenic source at sampling sites before the confluence of the two rivers. At and after the confluence, a mixture of pyrogenic and petrogenic inputs were present. With the help of coal petrography, coal derived particles could be identified in these soils. Therefore, coal was suggested to be the petrogenic source. It could be shown that sites with diffuse sources of contaminants, like the bank soils of the Mosel River, are difficult to characterize. As previously mentioned for detailed source identifications, the use of various forensic methods is essential. Determination of PAH alkyl homologue series, biomarkers and isotopes are often recommended. Source identification was evaluated using three different methods (i.e. PAH distribution patterns of an extended PAH spectrum, PAH ratios and analyses of n-alkanes). It was assessed if these methods were sufficient for the initial steps in identifying sources of PAHs in selected samples, and if they could be used for decision-making purposes. Point- and non-point sources were identified by applying the three methods and it could be shown that these relatively simple methods are sufficient in determining the primary source. In a last step of this study two soils (one before the confluence of the Mosel and Saar rivers and one after the confluence), and one sediment of the Mosel River were evaluated by investigating the mutagenic potential of the soils and the sediment with a fluctuation version of the Ames-test. The study showed that coal bearing soils at the Mosel River do not exhibit a greater mutagenic potential than other soils or sediments without coal particles.Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind weltweit allgegenwärtig und treten in der Atmosphäre, in wässrigen Systemen, Sedimenten und Böden auf. Es ist wichtig die Quelle der PAK zu kennen, um eine Abschätzung des Umweltrisikos vornehmen und die Kontamination einem Verursacher zuordnen zu können. PAK Kontaminationen gehen meist aus anthropogenen Prozessen hervor. Drei Hauptkontaminationsquellen sind bekannt: 1) Petroleum (Rohöl mit seinen raffinerierten Produkten und Kohle – petrogene PAK), 2) Verbrennung von organischem Material (pyrogene PAK) und 3) Transformationsprodukte von natürlichen organischen Vorläufersubstanzen (aus diagenetischen Prozessen). Zum Beispiel wurden während Baumaßnahmen zum Bau einer Retentionsfläche an der Mosel erhöhte PAK Konzentrationen im Uferboden festgestellt, und die Herkunft dieser blieb unbekannt. Aus diesem Grund wurde die PAK Verteilung entlang der Mosel auf einer Strecke von ca. 160 km und zum Teil auch an der Saar untersucht. In dieser Untersuchung reichten die gemessenen Gehalte der Summe der 16 EPA PAK zum Teil bis zu 81 mg kg-1. Zusätzlich konnten Kohlepartikel, die aus dem Kohlebergbau des Saarlandes stammen, in manchen Böden identifiziert werden. Die Verteilungsmuster der PAK weisen zumeist auf eine pyrogene Quelle hin, in manchen Proben kann aber auch eine Mischung aus pyrogenen und petrogenen PAK beobachtet werden. Für detailliertere Untersuchungen wurden fünf Standorte entlang der Mosel bzw. Saar zur Herkunft der PAK ausgewählt. Zu den durchgeführten Untersuchungen zählten typische forensische Methoden wie zum Beispiel PAK Verteilungsmuster von 45 PAK (darunter auch alkylierte PAK), die Berechnung von PAK Verhältnissen, die Bestimmung von PAK Alkyl-Homologen, n-Alkanen, eine Hauptkomponenten-Analyse und Kohlepetrographie. Die Ergebnisse zeigten, dass die PAK in Böden vor der Saarmündung hauptsächlich pyrogener Herkunft sind. In Böden an und nach der Saarmündung wurde eine Mischung aus pyrogenen und petrogenen PAK festgestellt. Mit Hilfe von Kohlepetrographie konnten Kohle- und kohlebürtige Partikel nachgewiesen werden. Aus diesem Grund kann angenommen werden, dass Kohle die petrogene Quelle in den Böden an und nach der Saarmündung darstellt. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine diffuse Quelle von PAK, so wie sie an der Mosel vorzufinden ist, schwer zu charakterisieren ist. Wie schon zuvor erwähnt sind verschiedene forensische Methoden zur Herkunftsbestimmung von PAK erforderlich. Es wurde getestet ob drei Methoden (PAK Verteilungsmuster eines erweiterten PAK Spektrums, Berechnung von PAK Verhältnissen und n-Alkan Analysen) ausreichend sind, um eine Quellidentifizierung vornehmen zu können. Es wurden hierzu Punkt- und diffuse PAK Quellen untersucht und es konnte gezeigt werden, dass drei relativ einfache Methoden ausreichend sind, um eine Abschätzung der PAK Herkunft geben zu können. Im letzten Schritt dieser Studie wurden zwei Böden (ein Uferboden der Mosel vor der Saarmündung und ein Boden der Mosel nach der Saarmündung) und ein Sediment der Mosel mit Hilfe des Ames-Fluktuations Test auf ihr mutagenes Potential untersucht. Die Untersuchungen ergaben, dass die kohlehaltigen Böden kein größeres mutagenes Potential aufzeigen als die Böden ohne Kohlepartikel