Biogeochemical controls on organic contaminants in the Atlantic and Southern Oceans

Abstract

[eng] During the last two centuries, the increase of human population and economic development has led to a rising demand for goods and resources. Such development has also led to the synthesis of millions of new organic chemicals, with hundreds of thousands of these currently used in agriculture and industrial applications, as well as in consumer products. A fraction of this myriad of synthetic chemicals, together with hydrocarbons derived from the use of fossil fuels, reach the environment. This mixture of organic compounds with diverse properties and uses, invisible to the human eye, constitutes a form of pollution to the Earth system of unusual complexity. Addressing chemical pollution is a major challenge due to the large number of chemicals involved, which in addition have different and diverse physico-chemical properties and present different mechanisms of toxicity to organisms, ecosystems and humans. For decades, researchers, environmental agencies and regulatory bodies have sought to prioritize those organic contaminants that need to be regulated because of their potential for long-range transport, ubiquitous occurrence, persistence, bioaccumulation potential, toxicity, and ecological impact. However, the massive production and release of these substances into the environment surpass research and regulatory capacities, endangering the sustainability of the Earth’s system. This mismatch has led to the definition of “novel entities” as one of the planetary boundaries in the current context of global change, essential for the planet’s resilience. A recent study confirms that this threshold, along with five others, has already been exceeded, increasing the risk of irreversible changes to the Earth system. Mostly during the last century, some synthetic chemicals were regulated and banned, even though they are still found in the environment. However, just in the recent decades, an increasing number of chemicals, potentially thousands of contaminants of emerging concern (CECs), have dispersed globally, accumulating in various environmental compartments, with transport, biogeochemical cycles and sinks strongly dependent on their physicochemical properties and chemical structure. They are found in soils, fresh and sea water, ice, air, and biota, from microorganisms to large predators. Many CECs originate from common consumer products such as clothing, cosmetics, furniture, and paints. Among CECs, organophosphate esters (OPEs) and perfluoroalkyl acids (PFAAs) have raised increasing concern due to their ubiquity, persistence, toxicity and bioaccumulation in food webs. Nevertheless, knowledge not only on their occurrence, but their transport, cycling and sinks in the oceans is limited. The study of persistent organic pollutants (POPs) and CECs in the ocean is important, especially in remote regions, as these are sentinels of global pollution, which can only occur for chemicals persistent enough to undergo long-range transport. For instance, candidates for regulation as POPs under the Stockholm Convention should meet the criteria on persistence, toxicity, long-range transport, and biomagnification. This thesis contributes to the study of oceanic and Antarctic pollution with the overall objective of assessing the occurrence, biogeochemistry and sinks of three families of organic pollutants in the ocean: PFAAs, OPEs and semivolatile aromatic compounds (SALCs) within the dissolved black carbon (DBC). Despite their differences in sources and physicochemical properties, these three families share the ability for long-range transport, persistence , and toxic effects on ecosystems and human health.

[cat] Durant els darrers dos segles, l’augment de la població humana i el desenvolupament econòmic han generat una creixent demanda de béns i recursos. Aquest desenvolupament també ha conduït a la síntesi de milions de nous compostos orgànics, centenars de milers dels quals s’utilitzen actualment en aplicacions agrícoles, industrials i en productes de consum. Una fracció d’aquesta miríada de substàncies sintètiques, juntament amb hidrocarburs derivats de l’ús de combustibles fòssils, arriba al medi ambient. Aquesta barreja de compostos orgànics amb propietats i usos diversos, invisibles a l’ull humà, constitueix una forma de contaminació d’una complexitat inusual per al sistema terrestre. Abordar la contaminació química representa un repte majúscul a causa del gran nombre de substàncies implicades, que, a més, presenten propietats fisicoquímiques diferents i mecanismes de toxicitat diversos per als organismes, els ecosistemes i la salut humana. Durant dècades, investigadors, agències ambientals i organismes reguladors han treballat per prioritzar aquells contaminants orgànics que han de ser regulats a causa del seu potencial de transport a llarga distància, la seva presència ubiqua, persistència, bioacumulació, toxicitat i impacte ecològic. No obstant això, la producció massiva i el vessament d’aquestes substàncies al medi ambient superen la capacitat d’investigació i regulació, posant en perill la sostenibilitat del sistema terrestre. Aquest desajust ha portat a la definició de les “noves entitats” com un dels límits planetaris en el context actual del canvi global, essencials per a l’estabilitat del planeta. Un estudi recent confirma que aquest llindar, juntament amb cinc altres, ja han estat superats, augmentant el risc de canvis irreversibles en el sistema terrestre. Majoritàriament durant el darrer segle, alguns compostos sintètics han estat regulats i prohibits, tot i que encara es detecten en el medi ambient. No obstant això, només en les últimes dècades, un nombre creixent de compostos, potencialment milers de contaminants emergents (CEs), s’han dispersat globalment, acumulant-se en diversos compartiments ambientals, amb transports, cicles biogeoquímics i embornals fortament dependents de les seves propietats fisicoquímiques i estructura química. Aquests contaminants es troben en sòls, aigües dolces i marines, gel, aire i biota, des de microorganismes fins a grans depredadors. Molts CEs tenen origen en productes de consum habituals com la roba, els cosmètics, el mobiliari i les pintures. Entre els CEs, els èsters organofosforats (OPEs, de l’anglès ”organophosphate esters”) i els àcids perfluoroalquilats (PFAAs, de l’anglès “perfluoroalkyl acids”) han suscitat una preocupació creixent a causa de la seva ubiqüitat, persistència, toxicitat i capacitat de bioacumulació en les xarxes tròfiques. No obstant això, el coneixement no només sobre la seva presència, sinó també sobre el seu transport, cicle i embornals als oceans és limitat. L’estudi dels contaminants orgànics persistents (COPs) i dels CEs a l’oceà és crucial, especialment en regions remotes, ja que aquestes actuen com a sentinelles de la contaminació global, que només pot tenir lloc per a compostos prou persistents per experimentar transport a llarga distància. Per exemple, els candidats per a la regulació com a COPs en el marc del Conveni d'Estocolm han de complir els criteris de persistència, toxicitat, transport a llarga distància i biomagnificació. Aquesta tesi contribueix a l’estudi de la contaminació oceànica i antàrtica amb l’objectiu general d’avaluar la presència, biogeoquímica i embornals de tres famílies de contaminants orgànics en l’oceà: PFAAs, OPEs i compostos aromàtics semivolàtils (SALCs, de l’anglès “semivolatile aromatic-like compounds”) dins del carboni negre dissolt (DBC, de l’anglès “dissolved black carbon”). Malgrat les seves diferències en fonts i propietats fisicoquímiques, aquestes tres famílies comparteixen la capacitat de transport a llarga distància, persistència i efectes tòxics sobre els ecosistemes i la salut humana.