Tracking and identifying wastewater toxicants and assessing their biodegradation products

Screening of wastewater effluents from municipal and industrial wastewater treatment plants with biotests showed that the treated wastewater effluents possess only minor acute toxic properties towards whole organisms (e.g. bacteria, algae, daphnia), if any. In vitro tests (sub-mitochondrial membranes and fish hepatocytes) were generally more susceptible to the effluents. Most of the effluents indicated the presence of hormonally active compounds, as the production of vitellogenin, an egg yolk precursor protein, was induced in fish hepatocytes exposed to wastewater. In addition, indications of slight genotoxic potential was found in one effluent concentrate with a recombinant bacteria test. Reverse electron transport (RET) of mitochondrial membranes was used as a model test to conduct effluent assessment followed by toxicant characterisations and identifications. Using a modified U.S. EPA Toxicity Identification Evaluation Phase I scheme and additional case-specific methods, the main compound in a pulp and paper mill effluent causing RET inhibition was characterised to be an organic, relatively hydrophilic high molecular weight (HMW) compound. The toxicant could be verified as HMW lignin by structural analyses using nuclear magnetic resonance. In the confirmation step commercial and in-house extracted lignin products were used. The possible toxicity related structures were characterised by statistical analysis of the chemical breakdown structures of laboratory-scale pulping and bleaching effluents and the toxicities of these effluents. Finally, the biological degradation of the identified toxicant and other wastewater constituents was evaluated using bioassays in combination with chemical analyses. Biological methods have not been used routinely in establishing effluent discharge limits in Finland. However, the biological effects observed in this study could not have been predicted using only routine physical and chemical effluent monitoring parameters. Therefore chemical parameters cannot be considered to be sufficient in controlling effluent discharges especially in case of unknown, possibly bioaccumulative, compounds that may be present in small concentrations and may cause chronic effects.

Suomessa jätevedet johdetaan jätevedenpuhdistamoille ennen kuin ne päästetään vastaanottavaan vesistöön. Kattavasta jätevedenkäsittelystä huolimatta nämä jätevedet sisältävät monia aineita, joista osa voi olla haitallisia ympäristölle. Jätevesipäästöjen ominaisuuksia tarkkaillaan ja niille asetetaan kemiallisiin ja fysikaalisiin tekijöihin perustuvia lupaehtoja. Lisäksi eräissä maissa lainsäädäntö ja ohjeistukset edellyttävät biologisten menetelmien käyttöä. Suomessa biologisia menetelmiä ei ole käytetty rutiininomaisesti lupaehtoja laadittaessa. Jätevesien arviointiin soveltuvia biologisia menetelmiä ovat ekotoksikologiset testit. Niitä käytetään arvioimaan vaikutuksia esimerkiksi organismien kasvuun, lisääntymiseen tai käyttäytymiseen. Perinteisesti ekotoksikologiset vaikutustutkimukset ovat perustuneet kokoeliöihin, esim. kaloihin, mutta nykyään suuntaus on ollut kohti taloudellisesti ja eettisesti toteuttamiskelpoisempia testimenetelmiä. Pienen mittakaavan testit ovat mielenkiintoinen vaihtoehto perinteisille menetelmille. Väitöstyön tarkoituksena oli soveltaa useita pienen mittakaavan testejä jätevesien arviointiin ja edelleen kehittää menetelmiä haitta-aineiden tunnistamiseen. Tarkoituksena oli tuottaa työkaluja jätevesien tai muiden monikomponenttisten vesinäytteiden arviointiin biologisilla menetelmillä sekä haitallisten aineiden ja rakenteiden tunnistamiseen ja karakterisointiin. Kunnallisten ja teollisuuslaitosten jätevesien tutkiminen vahvisti sen, että suomalaiset jätevedenpuhdistamot ovat tehokkaita poistamaan aineita, jotka saattaisivat aiheuttaa akuutteja vaikutuksia kokonaisissa eliöissä. Kuitenkin havaittiin viitteitä hormonivaikutuksista ja perimämyrkyllisyydestä. Tutkimuksen myöhemmässä vaiheessa jäljitettiin myrkyllisyyttä aiheuttavia komponentteja puunjalostusteollisuuden jätevedestä. Ligniini tunnistettiin pääasialliseksi myrkyllisyyden aiheuttajaksi käytettäessä mitokondriaalisilla membraaneilla tapahtuvaan elektroninsiirtoon perustuvaa in vitro -testiä (RET-testi). Kemiallisia rakenteita, jotka voisivat selittää ligniinin myrkyllisyyttä, tutkittiin yhdistämällä kemiallisia, biologisia ja tilastollisia menetelmiä. Lisäksi tutkittiin biohajotuksen vaikutusta jätevesissä esiintyvien orgaanisten yhdisteiden (ligniini ja nonyylifenolietoksylaatit) myrkyllisyyteen.