Evaluation of pT/Measuring toxic pressure in surface water

The project "the development of pT" is completed with this report. The name pT refers to toxic potency of surface water due to the presence of toxic substances, of which the identity and concentrations are unknown. The multitude and diversity of potentially occurring chemicals put strong limitations to information conventional chemical monitoring may provide. Even if it were doable to analyse most chemicals, it would be impossible to interpret such information in terms of toxic stress because toxicity data are available for only a limited number of environmental pollutants. In environmental policy a need was expressed to develop an instrument to monitor toxic stress in ecosystems. There is a need to keep track of the efficacy of environmental measures as well as for weighting toxic stress in association with respect to other environmental stressors, such as acidification and eutrophication ("how serious is the problem of toxic substances for the environment?"). A method was developed to 1.) extract and concentrate the unknown cocktail of toxic substances from a sample of surface water, 2.) to determine the acute toxicity of concentrated water samples using a test battery of miniaturised in vivo-bioassays ("toxkits") and 3.) to compute, from the observed interspecies variation of acute toxicity in the toxkits, impacts at a higher ecological level, i.e. toxic stress in terms of the potentially affected fraction of species (PAF) that occur in the field. The concentration technique was optimised by means of different test mixtures, consisting of chemicals with a non-specific (narcotic) mode of action, pesticides and surfactants. Toxkits were employed to test these mixtures. The test battery consisted of Daphnia IQ, PAM (an algae test), Microtox and Thamnotox F. The test mixtures were made of more than 30 chemicals with varying physico-chemical and toxic properties. The recovery of the finally adopted concentration technique was higher than 60 % and should be considered as the maximum achievable, because the solid phase extraction on which it relies is specific with respect to physico-chemical properties of chemicals. For metals an alternative technique was developed, based on multi-element analyses of a water sample in combination with ecotoxicity data of 16 metals. Monitoring programs were executed to sample, concentrate and test the toxicity of surface waters in the Netherlands. Both for organic micropollutants and metals it was shown that toxic pollution order is Scheldt > Meuse > Rhine. The pT method, also known as "measured msPAF" (ms means multi substance), was applied to varying test mixtures in a first attempt to compare the calculation rules for msPAF which is computed for complex mixtures with pT (measured msPAF) derived from measured toxicity distributions.Dit rapport vormt de afronding van het project pT. pT verwijst naar de toxische potentie van oppervlaktewater door de aanwezigheid van lage concentraties van toxische stoffen, maar waarvan de aard en concentraties onbekend zijn. De veelheid van stoffen beperkt de informatie die conventionele chemische monitoring kan leveren. Ook al zou het mogelijk zijn om de meeste stoffen te meten, dan is het onmogelijk om deze informatie te vertalen naar zoiets als toxische stress, omdat van slechts een klein aantal stoffen de toxische eigenschappen bekend zijn. Het milieubeleid heeft behoefte aan een instrument waarmee monitoring van toxische stress in het ecosysteem mogelijk is, zowel om de effectiviteit van het stoffenbeleid te kunnen volgen als om een afweging te kunnen maken met andere stressfactoren, zoals verzuring en vermesting. De methode pT werd ontwikkeld waarmee 1.) de onbekende cocktail van organische toxische stoffen uit een monster van oppervlaktewater wordt geextraheerd, 2) de acute toxiciteit wordt bepaald van het aldus geconcentreerde watermonster m.b.v. een testbatterij van geminiaturiseerde in vivo-bioassays ("toxkits") en 3.) uit de waargenomen variatie in gevoeligheid van de toxkits de toxische stress in het lokale ecosysteem wordt afgeleid die indicatief is voor aantasting van de soortenrijkdom, PAF (potentieel aangetaste fractie). Aan de hand van verschillende testmengsels, bestaande uit stoffen met een a-specifieke (narcotiserende) werking, pesticiden en surfactanten, werd de concentratietechniek geoptimaliseerd. Deze mengsels met meer dan 30 verschillende verbindingen met uiteenlopende fysisch-chemische en toxische eigenschappen, werden gebruikt bij het uittesten van de in vivo-bioassays. De efficientie van de concentratietechniek van ca 60 % moet als het maximaal haalbare worden gezien vanwege het feit dat deze gebaseerd is op vaste fase extractie met onvermijdelijk specificiteit voor fysisch-chemische eigenschappen van stoffen. De testbatterij bestond uit Daphnia IQ, PAM (een algentest), Microtox en Thamnotox F. Omdat voor metalen deze methode ongeschikt is, werd daarvoor een andere procedure ontwikkeld. Deze is gebaseerd op multi-elementanalyse van watermonsters in combinatie met ecotoxiccteits data van 16 metalen. Gezamelijk onderzoek met het RIZA heeft aangetoond dat de totale toxische stress afneemt in volgorde van Schelde, Maas en Rijn. Met behulp van de pT methode, ook wel "msPAF(gemeten)" (multi substance PAF) genoemd, werd door toepassing op de verschillende testmengsels een eerste aanzet gegeven tot de validatie van het PAF concept voor mengsels van stoffen