New approach in the assessment of impact of arsenic-based chemical warfare agents on marine environment

Recently, abandoned chemical weapons (CWs) containing toxic chemical warfare agents (CWAs) manufactured during the World Wars (WWs) have raised concern not only for environmental but also safety reasons. Until the 1970s, chemical munitions and containers filled with CWAs were disposed of worldwide mainly by sea-dumping. After WWII, huge dumping operations took place in the Baltic Sea area and the Skagerrak Strait, where the loads of dumped CWs were approximately 50,000 and 170,000 tons, respectively. During the last 15 years, the sea-dumped munitions have been addressed in many international, multidisciplinary projects, which have led to growing knowledge on the chemical threat caused by munitions and thus raised public awareness on this issue. Several investigations dealing with the identification, determining of exact location of sites and corrosion stages of dumped warfare objects have been accomplished. Based on the information gained from several sediment sampling campaigns in the Baltic Sea area and the Skagerrak Strait, it has been clearly demonstrated that corroded munitions are releasing toxic CWAs to the surrounding marine environment. To date, very few studies are available regarding the biological effects of sea- dumped CWAs. Negative biological effects have been observed in various fish species like cod, herring and hagfish caught from the different dumping sites in the Baltic Sea and the Skagerrak, as well as in the blue mussels deployed in cages in the dumping area. However, none of these studies have been able to link the observed negative effects to the CWA-related chemicals. Although it has already been proven that the content of the munitions leak releasing toxic CWAs into the marine environment, the impacts of these chemicals in marine biota is still unknown. Currently, the knowledge on environmental toxicity of CWAs is quite scarce, limited to a few studies. Hence, the information on bioaccumulation, biotransformation reactions, as well as toxicity threshold values are crucial for the assessment of the environmental risks possessed by munitions laying on the seabed. The aim of this research was to contribute to negligible knowledge on bioaccumulation and biotransformation of phenylarsenic CWAs in a marine environment. Phenylarsenic chemicals are of great interest due to their existence in marine sediment samples taken from several dumping sites, their potential to bioaccumulate and potential toxicity. Sophisticated liquid chromatographic-mass spectrometric techniques enabled the study of samples collected from the dumping sites and from in vitro metabolism experiments. These techniques together with in vitro toxicity studies led to increased knowledge on the environmental behavior of sea-dumped phenylarsenic CWAs. The results presented in this thesis contribute to enhanced risk assessment of sea-dumped chemical munitions providing new information on the bioaccumulation of CWA-related phenylarsenic chemicals, their metabolism, toxicity, and biotransformation products present in the marine environment.Maailmansotien jälkeen kemiallisia taisteluaineita hävitettiin upottamalla niitä meriin. Itämereen ja Skagerrakin alueelle on upotettu arviolta noin 50 000 ja 170 000 tonnia kemiallisia taisteluaineita sisältäviä ammuksia. Viimeisen 15 vuoden aikana käynnissä olleiden kansainvälisten, poikkitieteellisten tutkimushankkeiden aikana on pystytty tunnistamaan mereen upotettuja ammuksia, paikantamaan niiden tarkkoja sijainteja sekä pystytty määrittämään paikannettujen ammusten korroosioasteita. Sedimenttinäytteiden kemiallisten analyysien perusteella on pystytty todentamaan, että ruostuneet ammukset vuotavat myrkyllisiä kemiallisia yhdisteitä ympäröivään meriympäristöön. On olemassa vain muutama tutkimus mereen upotettujen kemiallisten taisteluaineiden biologisista vaikutuksista. Negatiivisia biologisia vaikutuksia on havaittu eri upotusalueilta pyydetyistä kalalajeista, kuten turskista, silleistä ja viiksiympyräsuisista. Havaittuja negatiivisia vaikutuksia ei ole kuitenkaan pystytty yhdistämään kemiallisiin taisteluaineisiin. Vaikka on pystytty todentamaan, että ammusten sisältö vuotaa ympäröivään meriympäristöön, on vuotavien yhdisteiden vaikutus merieliöstöön vielä tuntematon. Tällä hetkellä tieto yhdisteiden ympäristömyrkyllisyydestä on suppea rajoittuen vain muutamaan tutkimukseen. Tämän takia tietoa yhdisteiden biokertymisestä, biotransformaatioreaktioista sekä myrkyllisyyden raja-arvoista ovat tärkeitä, arvioitaessa merenpohjassa sijaitsevien ammusten ympäristövaikutuksia. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli saada tietoa kemiallisina taisteluaineina käytettyjen fenyyliarseeniyhdisteiden biokertymisestä ja biotransformaatiosta meriympäristössä. Fenyyliarseeniyhdisteet valikoituvat tutkimuksen kohteeksi, koska niiden pitoisuudet upotuspaikoita otetuissa sedimenttinäytteissä ovat korkeita sekä niiden on ennustettu olevat biokertyviä. Kehittyneillä nestekromatografia-massaspektrometrisillä menetelmillä pystyttiin tutkimaan upotusaluilta kerättyjä näytteitä sekä in vitro aineenvaihduntaa. Nämä tekniikat yhdistettyinä in vitro myrkyllisyystutkimuksiin johtivat lisääntyneeseen ymmärrykseen tutkittavien yhdisteiden käyttäytymisestä meriympäristössä. Tässä opinnäytetyössä esitetyt tulokset auttavat parantamaan mereen upotettujen kemiallisten ammusten riskinarviointia tarjoamalla uutta tietoa kemiallisina taisteluaineina käytettyjen fenyyliarseeniyhdisteiden biokertymisestä, niiden aineenvaihdunnasta, myrkyllisyydestä ja meriympäristössä esiintyvistä biotransformaatiotuotteista