• No results found

Determination of dioxins in Cretaceous strata from the South of Sweden. : Can the environmental anthropogenic pollutant dioxin be of natural origin ?

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Determination of dioxins in Cretaceous strata from the South of Sweden. : Can the environmental anthropogenic pollutant dioxin be of natural origin ?"

Copied!
47
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

Kelly GUILBOT, 2

nd

 year of Engineering School of Chemistry. 

Monday, May 7

th

 to Friday, August 17

th 

2012. 

 

Under the direction of : 

Supervisor : Bert van BAVEL, Director of the Analytical Environmental Chemistry division and 

Professor. 

Supervisor : Jessika HAGBERG, Lecturer. 

Examiner : Anna KÄRRMAN, Lecturer. 

 

Determination of dioxins in Cretaceous strata from the

South of Sweden. Can the environmental anthropogenic

pollutant dioxin be of natural origin ?

(2)

Determination of dioxins in Cretaceous strata from the

South of Sweden. Can the environmental anthropogenic

(3)

3   

(4)

Abstract

   

 

Eleven  sediment  samples  from  different  geological  layers  and  four  fossils  from  the 

South  of  Sweden  were  collected  and  estimated  to  be    80  million  years  old  (approximately 

late of Cretaceous period). The samples were analyzed for polychlorinated dibenzo‐p dioxins 

(PCDD/Fs) to investigate whether these samples are likely to contain dioxins from a natural 

formation. For over thirty years, the scientific community has discussed the possibility of a 

natural formation of dioxins.  Several hypothesis have been put forward, but often rejected 

by the evidence of a source of anthropogenic pollution in the samples.  

 

 

In  order  to  answer  this  issue,  two  types  of  analyses  have  been  performed  :  high 

resolution  gas  chromatography‐high  resolution  mass  spectrometry  (HRGC/HRMS)  and 

elemental  analyzer‐isotopic  ratio  mass  spectrometry  (EA‐IRMS).  HRGC/HRMS  provides 

information  about  the  source  of  dioxins  comparing  the  distribution  of  all  PCDD/Fs  to 

experimental    isotopic  patterns  from  past  publications.  δ

13

C  of  organic  carbon  gives 

information  about    the  nature  of  carbon  present  in  soils  and  can  be  helpful  to  trace 

paleoclimates. 

 

 

Keywords : old clay layers, octachlorodibenzo‐p‐dioxin, high resolution gas chromatography‐

high resolution mass spectrometry, analyzer‐isotopic ratio mass spectrometry, isotopic 

dilution. 

(5)

5   

Acknowledgments

 

 

 

I  wish  to  thank first, Bert  van  Bavel, Professor  and  Head  of  the  Environmental 

Analytical Chemistry team, for receiving me in the laboratory  and without whom this project 

would not have been possible. I am also grateful to him for his kindness, his educational and 

scientific qualities. I learned a lot with this project and I express to him my gratitude. 

 

I  extend  my warmest  thanks to  Jessika  Hagberg, Senior  Lecturer at  the  Man 

Technology and Environment Research Center, Environmental Analytical Chemistry team, for 

her availability and without whom I would surely have been lost, her interest in my work and 

the relevance of her remarks. 

 

I want to thank Alf Ekblad, Professor of Biology in the Ecosystem Ecology team, Ulrika 

Eriksson,  a  doctoral  student  in  the  Environmental  Analytical  Chemistry  team  and  Anna 

Mikunsinska, a doctoral student in the Ecosystem Ecology team, for having taken the time to 

explain  to  me  the  basis  of  EA‐IRMS  technique  and  their  help  about  interpretation  of  the 

results obtained. 

 

I  thank Elisabeth  Einarsson,  a  doctoral  student  at  the  Department  of  Earth  and 

Ecosystem  Sciences  at  Lund  University, for her  nice  visit  of  the  excavation  site,  her 

explanations  about  the  description  of  the  different  sediment  samples  and  all  notions  of 

geology  which  were  hidden  under  this  project.  I  would  also  thank  Vivi  Vajda,  Professor  of 

geology in Lund University for her help with the stratigraphic diagrams. I thank Mohammed, 

Robby and the others (Åsen team) too, to have made me share their passion and thanks to 

them these two days will remain unforgettable ! 

 

Finally, I thank the whole laboratory for their warm welcome and their cheerfulness. 

This immersion in the Research Center allowed me to discover what is "fika" for a Swedish 

and to attend a thesis defense. 

(6)

Table of contents

  Abstract ... 4  Acknowledgments ... 5  Abbreviations ... 7  List of tables ... 8  List of figures ... 8  Människa‐Teknik‐Miljö Research Center, Örebro university ... 9  Introduction ... 10  I. Literature review ... 11  I.1. What are dioxins ? ... 11  I.2. Health effects ... 11  I.3. Toxicity calculus ... 12  I.4. Where do dioxins come from ? ... 12  I.5. Bioaccumulation and biomagnification ... 13  II. Materials and Methods ... 15  II.1. Presentation of the samples... 15  II.2. Samples pre‐treatment ... 16  II.2.i. Preparation of the samples ... 16  II.2.ii. Multi‐layers H2SO4 silica column ... 17  II.2.iii. Alumina oxide column ... 17  II.2.iv. Carbon column ... 17  II.3. High Resolution Gas Chromatography/High Resolution Mass Spectrometer (HRGC/HRMS) .... 18  II.4. Isotope dilution principle ... 19  II.5. Elemental Analyzer‐Isotopic Ratio Mass Spectrometry (EA‐IRMS) ... 19  III. Results and Discussion ... 21  III.1. Results of HRGC/HRMS analysis ... 21  III.1.i. Results of the blanks ... 21  III.1.ii. Results of the sediment samples ... 22  III.2. Results of EA‐IRMS analysis ... 24  III. 3. Scenario proposed by Schmitz et al. to explain why dioxins are loaded in clays ... 26  Conclusion, future research and experience ... 27  References ... Error! Bookmark not defined.  Appendices ... 32   

(7)

7   

Abbreviations

CPs : Chlorinated Phenols  dw : dry weight  EA‐IRMS : Elemental Analyzer‐Isotopic Ratio Mass Spectrometry  EPA : Environmental Protection  Agency  FID :Flame Ionization Detector  HAH: Halogenated Aromatic Hydrocarbons  HRGC : High Resolution Gas Chromatography  HRMS : High Resolution Mass Spectroscopy  IAEA : International Atomic Energy Agency  IARC : International Agency for Research on Cancer   LOD : Limit Of Detection  LOQ : Limit Of Quantification  Na‐PCP : sodium PentaChloroPhenol  OCDD : OctaChloroDibenzo‐p‐Dioxin  PBDE : PolyBrominated Diphenyls Ethers  PCBs : PolyChlorinated Biphenyls  PCDDs : PolyChlorinated Dibenzo‐p‐Dioxins  PCDFs : PolyChlorinated Dibenzofurans  PCP : PentaChloroPhenol  PDB : Pee Dee Belemnite  POP : Persistent Organic Pollutant  RF : Response Factor  RRF : Relative Response Factor  SD : Standard Deviation  TCD : Thermal Conductivity Detector  TCDDs TetraChloro Dibenzo‐p‐Dioxins  TEFs :  Toxic Equivalent Factors  TEQs : Toxic Equivalent  WHO : World Health Organization 

(8)

List of tables

Table 1. WHO TEFs for human risk assessment based on the conclusions of the World Health Organization  meeting in Stockholm, 15‐17 June 1997 (WHO European Centre for Environment and Health, 1998). ... 12  Table 2. Physical chemical properties of some PCCDs (PEREIRA, 2004) (SHLU et al., 1988) (WU et al., 2001). .... 14  Table 3. Identification and brief presentation of the different samples. ... 16  Table 4. Carbon content in the samples and pH... 25  Table 5. Table for the identification of PCDFs. ... 39  Table 6. Table for the identification of PCDDs. ... 39  Table 7. Different formulas used for the quantification of PCDD/Fs. ... 39 

List of figures

Figure 1. Halogenated aromatic hydrocarbons' family (BERGQVIST, 1998). ... 11  Figure 2. PCDF, PCDD and  PCB skeletal structures, can be chlorinated at any of the suitable positions of the  aromatic rings (SROGI, 2008). ... 11  Figure 3. Skeletal structure of the 2,3,7,8‐TCDD (SROGI, 2008). ... 12  Figure 4. Dioxins sources and distribution. Modified from (MOFFAT, 2008). ... 13  Figure 5. U.S. dioxin emissions from made‐man sources have declined over 92% thanks to government  regulations and industry efforts (US Environmental Protection Agency, 2006). ... 13  Figure 7. Geologic time scale 2004 : eras are in bold and periods are in italic. Ma means million years ago,  symbol "a" from the Latin annus (GRADSTEIN & OGG, 2004). ... 15  Figure 6. Log of the unconsolidated marine Upper Cretaceous unit at Åsen, showing the different layers where  the samples  have been collected (ERIKSSON et al., 2011). ... 15  Figure 8. Schematic presentation of the various steps of extraction and cleaning of sediment samples. ... 18  Figure 9. Principle of isotope dilution from population analysis in zoology (MEIJA & MESTER, 2008). ... 19  Figure 10. Principle of a EA‐IRMS in a combustion mode (Nature 's fingerprint, a division of Molecular Isotope  Technologies LLC). ... 20  Figure 11. Repartition of the concentrations of the different PCDD/Fs congeners in comparison with their LoD,  first blank prepared. ... 21  Figure 12. Repartition of the concentrations of the different PCDD/Fs congeners with their LoD, last blank  prepared. ... 21  Figure 13. Distribution of the concentrations of PCDD/Fs found in the sediment sample n°6. ... 22  Figure 14. OCDD concentrations in the series of sediment samples. Maybe three of them are slightly different. 22  Figure 15. Distribution of the different PCDD/Fs in a raw ball clay, pattern expected for all clay products  (FERRARIO, BYRNE, & CLEVERLY, 2000). ... 23  Figure 16. Delta 13C values of the different sediment and fossil samples for bulk carbon and organic carbon.  Error bars represent SD. ... 24  Figure 17. Depth distributions of  total carbon, total organic carbon, total inorganic carbon, proportion of  organic carbon to the total carbon, pH and δ13Corganic for sand sediments (S1, S2, S4 to S7) and river sediments  (S8 to S11). The glacial clay S3 is not represented in this graphic because it does not match with age deposition.  ... 25 

Figure 18. Hypothetical geological and paleoenvironmental model of natural PCDD formation and accumulation  in clays. The grey arrows indicate dioxin transfer paths (SCHMITZ et al., 2011). ... 26 

(9)

9   

Människa‐Teknik‐Miljö Research Center, Örebro university

  The  MTM  Research  Center  (Människa‐Teknik‐Miljö  in  Swedish,  Man‐Technology‐ Environment)  was  created  in  1998  by  Professor  Bert  Allard  and  is  established  at  the  University  of  Örebro. The university has 17,000 students and 1,200 staff. It offers a wide variety of teaching like  medicine, sciences, technology, business, law, psychology etc as presented below. 

 

  The  research  center  has  two  principle  aims  of  research,  which  are  biogeosphere  dynamics  and  environmental  chemistry  &  health  and  ecotoxicology.  The  different  research  projects  at  the  center  focus  on  soil  remediation,  geologic  waste  deposition,  carbon  dynamics  in  soil,  persistent  organic pollutants in the environment (analysis at ultra‐trace levels, occurrence, stability…), exposure  to humans and their evolution. The laboratory is organized in five teams which are the following : 

   

  The staff of MTM is composed of six professors, six lecturers and fourteen PhD students and  post‐doctors.  The  research  center  is  financed  by  several  means  :  Örebro  University  and  external  partners from Sweden which work on collaborative projects with the MTM, private companies which  grant  funds  in  order  to  carry  out  a  project,  different  scholarships  from  the  government,  United  Nations projects (UNEP) and the European Union. 

(10)

Introduction

 

 

During the past 50 years, several cases involving dioxins have made the headlines. 

 

During  the  Vietnam  war,  between  1961  and  1971,  the  U.S.  army  used  a  defoliant 

called  "Agent  Orange",  for  its  herbicide  warfare  program.  The  name  of  the  defoliant 

originates from the orange‐striped barrels in which it was shipped. The goal was to defoliate 

forested  and  rural  land,  depriving  guerrillas  of  cover.  Later,  this  chemical  product, 

manufacturing  by  Monsanto,  was  discovered  to  be  contaminated  by  2,3,7,8 

tetrachlorodibenzo‐p‐dioxin,  the  most  toxic  dioxin  congener.  Exposure  to  this  pollutant 

caused  many  terrible  birth  defects  and  several  diseases  as  soft‐tissue  sarcoma, non‐

Hodgkin's lymphoma, Hodgkin's lymphoma and chronic lymphocytic leukemia.  

 

In  1976  in  Italy,  a  small  chemical  manufacturing  plant  released  2,3,7,8  tetrachloro 

dibenzo‐p‐dioxin  to  the  atmosphere  due  to  an  overheated  reactor.  This  accident  did  not 

cause deaths but provoked many chloracne cases among children. Eight years after the facts,  

breath  cancers,  diabetes  and  an  altered  sex  ratio  at  birth  were  reported  (excess  of  girls 

compared to boys). The city being the most exposed to this contaminant was Seveso, where 

17,000  inhabitants  at  the  time  of  the  accident.  The  city  gave  its  name  to  the  Seveso  II 

Directive. It is an European Union law aimed at improving the safety of sites containing large 

quantities  of  dangerous  substances  by  considering  all  possible  accident  scenarios,  by 

implementing  a  prevention  plan,  a  contingency  plan,  by  limiting  urbanization  around  the 

sites, informing residents and establishing a competent authority for inspection of hazardous 

sites. 

 

 During  the  2004  Ukrainian  presidential  campaign  which  pitted  against  Viktor 

Yanukovych,  the  government‐supported  candidate,  and  Viktor  Yushchenko,  this  later  one 

was poisoning with 2,3,7,8 tetrachlorodibenzo‐p‐dioxin by government agents. Yushchenko 

finally won the election after three rounds of voting due to frauds in favor of Yanukovych. 

 

During  the  last  thirty  years,    there  has  been  discussions  whether  dioxins,  these 

extremely  toxic  compounds,  could  originate  from  natural  formation.  Several  hypotheses 

were advanced for instance forest fires, eruption of volcanoes. 

 

The aim of this project is to quantify the amount of dioxins in very old strata, because 

it  is  likely  that  these layers  would be  free  of  anthropogenic  pollutant and  thus  to  obtain  a 

new evidence of the natural formation of dioxins. 

This report contains a brief presentation of dioxins and the state of knowledge. A part, 

Materials and Methods, explains the procedure to follow in order to analyze these 

compounds, from the sampling of the samples, extraction and the clean up, and finally the 

analytical equipment and settings to analyze the dioxins. The last part, Results and 

Discussion, deals with the results and suggests a possible way to continue this project.

(11)

11   

I. Literature review

 

I.1. What are dioxins ?

  Dioxin  is  the  generic  name  for  a  large  family  of  environmental  contaminants  that  share  a  similar chemical structure and a common mechanism of toxic action. Dioxins belongs to the group of  compounds  known  as  Persistent  Organic  Pollutants  (POPs)  because  they  have  high  melting  points  and  are  stable  to  acids  and  bases.  Thus,  these  characteristics  make  them  very  persistent  in  the  environment.  The term "dioxin" is used to designate polychlorinated dibenzo‐p‐dioxins (PCDDs) and  polychlorinated  dibenzofurans  (PCDFs).  This  term  can  also  make  reference  to  some  of  the  polychlorinated  biphenyls  (PCBs),  which  are  commonly  called  dioxin‐like  compounds,  because  they  share a structural similarity and toxic mode of action with dioxin (BERGQVIST, 1998).  

  Figure 1. Halogenated aromatic hydrocarbons' family (BERGQVIST, 1998). 

  The  basic  structure  of  PCDD/Fs  comprises  of  two  benzene  rings  joined  by  either  a  single  (furan) or a double oxygen bridge (dioxin), whereas in the  PCBs' structure the two benzene rings are  bound by a single bond C‐C (SROGI, 2008). (See appendix 1 for nomenclature of PCDFs, PCDDs and  PCBs).  Figure 2. PCDF, PCDD and  PCB skeletal structures, can be chlorinated at any of the suitable positions of the aromatic  rings (SROGI, 2008).  Considering all the possible positions for the chlorine atoms, we can identify 75 PCDDs, 135 PCDFs  and 209 PCBs. Each different form is called a "congener."       They are known to bio‐accumulate due to their lipophilic nature and, therefore, have health  implications.  As  a  result,  their  emission  into  the  environment  and  food  chain  is  strictly  controlled.  Only  7  of  the  75  dioxins,  10  of  the  135  furans,  and  12  of  the  209  PCBs  have  2,3,7,8‐TCDD's  toxicity. Limits are published by the World Health Organization (WHO) and local authorities. 

I.2. Health effects

  Various health effects associated with exposure to PCDD (primarily 2,3,7,8‐TCDD)  have been  reported. Chloracne, characterized by comedones occurring with or without cysts and pustules  and  patchy  darkening  of  the  skin,  were  classical  manifestations  caused  by  chronic  exposure.  Long‐term  exposure  is  linked  to  impairment  of  the  immune  system,  the  developing  nervous  system,  the  endocrine system and reproductive functions. Chronic exposure of animals to dioxins has resulted in  several  types  of  cancer  (WATANABE  et  al.,  1999).  2,3,7,8‐TCDD  is  considered  by  the  International  Agency for Research on Cancer (IARC) as a human carcinogen. The WHO recommended in 1998 that  the human ingestion should stay  within the limits of 1‐4 pg kg‐1 of body weight per day (KOGEVINAS,  2001).

 

1 2  3 4 6 7 8 9 1 2  3 4 6  7 8 9 

(12)

I.3. Toxicity calculus

  The  complex  nature  of  PCDD/Fs  and  biphenyl  mixtures  complicates  the  risk  evaluation  for  humans.  For this purpose, the concept of toxic equivalency factors (TEFs) has been developed and  introduced to facilitate risk assessment and regulatory control of exposure to these mixtures. 

  The “Toxic  Equivalent”  (TEQ) scheme  weighs  the toxicity of  the  less toxic compounds  in  relation  to  the  most  toxic  2,3,7,8‐TCDD.  Each  compound  is  attributed  a  specific “Toxic  Equivalency  Factor” (TEF). This factor indicates the degree of toxicity compared to 2,3,7,8‐TCDD, which is given a  reference value of 1. 

 

Figure 3. Skeletal structure of the 2,3,7,8‐TCDD (SROGI, 2008). 

  To calculate the total TCDD toxic equivalent (TEQ) of a dioxin mixture, the amounts of each  toxic  compound  are  multiplied  with  their  TEF  values  and  then  added  together  (WHO  European  Centre for Environment and Health, 1998). 

Table 1. WHO TEFs for human risk assessment based on the conclusions of the World Health Organization meeting in  Stockholm, 15‐17 June 1997 (WHO European Centre for Environment and Health, 1998). 

 

I.4. Where do dioxins come from ?

  Current  ambient  levels  of  dioxins  are  the  result  of  human  activities.   PCDDs  and  PCDFs  are  inadvertently produced through a number of human activities, as well as by natural processes.      Dioxins are released into the air from combustion processes such as commercial, municipal  or  medical  waste  incineration,  from  burning  fuels  (i.e.,  wood,  coal,  oil)  and  burning  of  household  waste.  Chlorine bleaching of pulp and paper, certain types of chemical manufacturing and industrial  processing  can  create  low  quantities  of  dioxin  as  undesired  by‐products.   Dioxins  have  also  been  detected at low concentrations in exhaust from cars.  Burning of materials that contain chlorine, such 

(13)

13   

as  plastics,  wood  treated  with  pentachlorophenol  (PCP),  and  pesticide‐treated  waste  produce  dioxins.  Dioxins can also be formed during forest fires and volcanic eruptions (LEMIEUX et al., 2004). 

Figure 4. Dioxins sources and distribution. Modified from (MOFFAT, 2008). 

  The  amounts  of  dioxins  that  have  been  released  from  various  sources  have  changed  significantly  over  time.   Historically,  the  majority  of  dioxins  released  were  from  commercial,  municipal  and  medical  waste  incineration,  the  manufacture  and  use  of  certain  herbicides  and  chlorine bleaching of pulp and paper.  U.S. dioxin emissions from man‐made sources have declined  over 92 percent since 1987 due to a combination of effective government regulations and voluntary  industry  efforts.  Industrial  man‐made  sources  have  decreased  so  significantly  that  household  trash  burning  is  currently  the  largest  man‐made  source  of  dioxin  emissions  to  the  environment  (US  Environmental Protection Agency, 2006).  

 

Figure 5. U.S. dioxin emissions from made‐man sources have declined over 92% thanks to government regulations and  industry efforts (US Environmental Protection Agency, 2006). 

I.5. Bioaccumulation and biomagnification

  When  released  into  the  air,  dioxins  disperse  and  travel  long  distances  because  they  are  extremely  persistent  compounds.  They  can  deposit  themselves  onto  soils,  water  and  vegetation.  There  were  also  discovered  in  the  Arctic  and  Antarctic  regions,  which  are  far  away  from  industrial  areas (RAPPE et al., 1997). 

  Table  2  shows  that  PCDDs  have  high  boiling  points.  They  don't  easily  dissolve  in  water  because their solubility in water is extremely low. This involves that air is their preferential means of  transport. Higher is the number of chlorine atoms (molecular weight of PCDD/Fs increases) and lower 

(14)

is  the  solubility  in  water  because  the  (apolar)  aromatic  ring  has  a  significant  hydrophobic  effect,  enhanced  by  the  presence  of  chlorine  atoms.  These  substances  are  found  preferentially  bound  to  particulate  material  and  to  organic  matter  (log  Koc <  log  Kow),  in  aquatic  medium  and  in  soil 

(PEREIRA, 2004).    Table 2. Physical chemical properties of some PCCDs (PEREIRA, 2004) (SHLU et al., 1988) (WU et al., 2001).  PCDD congener  Molecular  weight (g  mol‐1)  Fusion  point  (°C)  Boiling point  (°C)  Solubility in  water (µg L‐1) at  25 °C  Log Kow  Log Koc  2,3,7,8‐TCDD  322.0  305 446 0.2 6.80  6.64 1,2,3,7,8‐PeCDD  356.5  240 464 ‐ 7.40  6.92 1,2,3,4,7,8‐HxCDD  391.0  273 487 0.004 7.80  7.11 1,2,3,4,6,7,8‐HpCDD  425.2  264 507 0.002 8.00  7.20 OCDD  460.0  330 510 0.0004 8.20  7.30  

  Terrestrial  and  aquatic  animals  consume  dioxins  on  plants  and  in  the  air,  water,  sediment,  and soil. It is, in that way, that dioxins enter in the food chain. This is called bioaccumulation. This  corresponds to an increase of a pollutant from the environment to the first organism in a food chain.  Dioxins  in  plants  are  concentrated  in  the  bodies  of  plant  eating  animals,  and  are  then  further,  concentrated when meat eating animals eat plant eating animals. This second phenomenon is called  biomagnification. Another way to explain it, it is an increase in concentration of a pollutant from one  link in a food chain to another. 

  A lot of publications mention the fact that dioxins have been found in different types of soil.  PCDDs  have  been  found  in  marine  sediments,  irrigation  drain  sediments  and  topsoil  from  Queensland, Australia (GAUS et al., 2001) (GAUS et al.). High concentration of OCDD has been found  in ball clay from the USA, Japan and Germany (HORII et al., 2008). Ball clay is sedimentary in origin,  and it is usually composed of kaolin (20‐80 %), mica  (10‐25 %) and quartz (6‐65 %). "Ball clay" is a  term of art or industry rather than a purely mineralogical term. The name derives from the original  practice  of  mining  such  clay  in  cubes  that  would  become  rounded  into  balls  during  handling  and  storage, and hence was referred to as "ball clay" (The ball clay heritage society, 2000). (Photographs  of ball clay in appendix 2). 

  Examples of biomagnification of dioxins contamination from ball clay has been found in  various animal products, including chicken and catfish, due to the use of ball clay as an anti‐caking  additive in feed (FERRARIO et al., 2000). 

  Given  that  the  congener  profiles  analyzed  do  not  correspond  to  normal  profiles  of  anthropogenic  sources,  like  fly  ash  for  example,  most  of  the  discussions  are  based  on  the  fact  to  know if dioxins could be of a natural origin. These unusual profiles are characterized by a dominance  of octachlorodibenzo‐p‐dioxin (OCDD) and a low concentration of PCDFs (GAUS et al., 2002). Most of  the  hypothesis  going  to  the  direction  of  a  natural  origin,  like  an  abiotic  natural  formation  due  to  surface‐promoted reactions associated with clay minerals (HORII, et al., 2008), are often contradicted  by  the  evidence  of  the  presence  of  dioxin  precursors  like  pentachlorophenol  (PCP),  which  is  a  fungicide  and  whose  the  use  was  considerable  in  timber  industry  and  in  agriculture,  since  the  late  1930s.  PCP  contaminated  soil  is  also  typically  characterized  by  elevated  OCDD  levels  (GAUS  et  al.).  Consequently, even samples which can be considered as "pristine", "undisturbed" could have been  polluted by an anthropogenic source, as it was the case in Queensland, Australia (GAUS et al.). 

(15)

15   

II. Materials and Methods

II.1. Presentation of the samples

  Kristianstad is located at 69 km northeast of Lund, in the southern part of Sweden. This basin,  where  the  samples  come  from,  is  limited  by  two  faults  in  the  southwest,  which  have  formed  two  horsts : Nävlingeåsen and Linderödsåsen (see map in appendix 3). 

  A warm and humid climate resulted in extensive kaolinization of the principally Precambrian  crystalline basement. Tectonic block movements in the Early Cretaceous to early Campanian in the  Late  Cretaceous,  formed  a  basin  by  tilting  the  basement  towards  Nävlingeåsen  and  Linderödsåsen  horsts. The area was flooded repeatedly during the Cretaceous and an archipelago with small islands  and rocky shorelines was developed in the northern part (LINDGREN & SIVERSON, 2004).              Figure 7. Geologic time scale 2004 : eras are in bold and  periods are in italic. Ma means million years ago, symbol "a"  from the Latin annus (GRADSTEIN & OGG, 2004).      The  Åsen  locality  is  an  old  kaolin  quarry now serving as a refuse dump.  

  Thanks  to  the  index  fossils  contained  in  the  different layers, it is possible to estimate the age of  settlement layers. The excavation site is divided into  two zones : Belemnellocamax Balsvikensis (1.2 to 2.0  m)  and  Belemnellocamax  Mammilatus  (0  to  1.2  m)  (See figure 5 next). These two species of belemnites  lived 80 million years ago, late Cretaceous. This type  of  information  enables  paleologists  to  date  sediments precisely. These two zones are separated  by a glacial clay (erosional surface) from quaternary  cover.  This  clay  is  younger  than  layers  from  B.  Mammilatus  and  Balsvikensis  zones,  but  it  is  in  between  the  two  belemnite  zones  probably  due  to  tectonic  movements.  (Photographs  of  Åsen  site  are  available in appendix 4) (ERIKSSON et al., 2011).  Cambrian (542-488 Ma) Ordivician (488-443 Ma) Silurian (443-416 Ma) Devonian (416-359 Ma) Carboniferous (359-299 Ma) Permian (299-251 Ma) Triassic (251-199 Ma) Jurassic (199-145 Ma) Cretaceous (145-65 Ma) Paleogene (65-23 Ma) Neogene (23-0 Ma) S1 S2 S3 S5/S6  S4 S7 Figure 6. Log of the unconsolidated marine Upper  Cretaceous unit at Åsen, showing the different layers  where the samples  have been collected (ERIKSSON et  al., 2011).  S11  S9  S10  S8 

(16)

Table 3. Identification and brief presentation of the different samples. 

Identification 

number  Description  Localities  Color  Depth(m)  pHa) 

S1  Upper part B. Balsvikensis zone Åsen yellow  1.8  9.09

S2  Lower part B. Balsvikensis zone Åsen green  1.4  9.18

S3  Balsvikensis‐Mammilatus zone : glacial clay Åsen brown  1.2  9.07

S5  B.Mammilatus zone : oyster Åsen yellow  1.1  9.13

S6  B.Mammilatus zone : oyster bed Åsen green  1.1  8.75

S4  Upper part of B.Mammilatus zone : sand Åsen green  0.8  8.63

S7  B.Mammilatus zone : crushing layer Åsen green  0.6  8.76

S11  River plane Åsen black  0  3.23

S9  River plane Åsen grey  ‐1  7.17

S10  River plane Åsen grey  ‐20  6.98

S8  River plane Åsen grey  ‐25  5.76

F1  Large clams Ullstorp   ‐ F2  Shark teeth Ullstorp   ‐ F3  Belemnite Åsen   ‐ F4  Oyster  Åsen   ‐   a) The pH was measured according to NF X 31‐103, i.e., sediments are dissolved in de‐ionized water in  a ratio 1/2.5. The suspension is then stirred for 60 min and the pH was measured in the supernatant  (the upper part of a PPT tube) after two hours of settling.   

The  B.  Mammillatus  zone  comprises  sandstones  resting  upon  either  residual  kaolin  clay,  reworked  kaolin  and  quartz  sand  or  directly  upon  the  crystalline  basement.  This  zone  is  rich  in  belemnites,  oysters, coprolites, vertebrate teeth, bones and fossil coquinas. 

The  B.  Balsvikensis  zone  is  characterized  by  a  sandier  facies,  which  is  exceptionally  poor  in  reptile  remains contrary to the Mammillatus zone and manifests only small fishes and sharks. 

 

  The marine extinction observed  between these two zones corresponds to an environmental  shift,  but  it  also  correlates  with  a  recognized  trans‐Atlantic  mid‐Campanian  extinction  event  and  might have been part of a broader global phenomenon. 

II.2. Samples pre‐treatment

  Due to the high lipophilicity of dioxins, the analysis requires many purification steps. A multi‐ step  procedure  consisting  of  sample  extraction,  adsorption  chromatography  columns  clean‐up,  and  finally,  analysis  using  high‐resolution  gas  chromatography  coupled  to  high‐resolution  mass  spectrometry  (HRGC/HRMS)  the  isotopic  dilution  mode  to  isolate  and  quantify  these  analytes.  The  aim of the extraction step is to transfer the compounds of interest into a non‐polar solvent. 

The following steps are in accordance to EPA method 1613b, 1994 : Tetra‐through Octa‐Chlorinated  Dioxins and Furans by Isotope Dilution HRGC/HRMS. 

II.2.i. Preparation of the samples

An  average  of  10  g  of  the  sample  was  ground  in  a  mortar  and  homogenized  with  sodium  sulfate  Na2SO4 (≈25 g) in order to remove water from the sample. This mixture was ground until obtaining a  fine powder and put in an extraction thimble. The internal standard 13C‐PCCD/Fs in toluene at 20‐40  pg µL‐1 (see appendix 5 to know all the compounds present in this internal standard) was spiked into  the sample, 25 µL with a Hamilton syringe, prior to extraction in a Soxhlet device (see appendix 6 for  scheme). During the extraction the sample was refluxed in toluene during 24 hours. This extraction  solvent was removed using a rotary  evaporator.  Youngest  Oldest 

(17)

17   

II.2.ii. Multi‐layers H2SO4 silica column

First, a glass‐wool plug was placed at the bottom in a 15 mm ID Chromatography column, in order to  keep  the  different  sorbents.  This  column  was  prewashed  with  ethanol,  n‐hexane  and  dichloromethane.  Secondly,  this  column  was  packed  with  :  3  cm  of  potassium  hydroxide‐silica  gel  (KOH), 0.5 cm of neutral silica gel 60, 3 cm of 40 % of acid (H2SO4) silica gel, 1.5 cm of 20 % of acid  (H2SO4) silica gel, 1 cm of neutral silica gel 60 and 1 cm of anhydrous sodium sulfate Na2SO4 (Fluka).  Thirdly, the column was washed with n‐hexane with a volume of 2 times the column height. Last, the  sample was added on the top of the column and extracted with n‐hexane with a volume of 4 times  the  column  height  (appendix  7).  The  extraction  solvent  was  evaporated  in  order  to  obtain  a  final  volume  between  1  and  5  mL.  This  column  is  used  to  remove  non‐polar,  polar  interferences  including organic matter. 

II.2.iii. Alumina oxide column

First, a glass‐wool plug was placed at the bottom in a 15 mm ID Chromatography column, in order to  keep  the  different  sorbents.  This  column  was  prewashed  with  ethanol,  n‐hexane  and  dichloromethane. Secondly,  this column was packed with : 9 g of Basic Alumina B‐Super grade I and  3  g  of  anhydrous  sodium  sulfate  Na2SO4.  Thirdly,  the  column  was  washed  with  n‐hexane  with  a  volume of 2 times the column height. Last, the sample was added on the top of the column and the  elution was performed in two steps. The first fraction was for the "bulk" PCBs and the second, for  the planar PCBs, PCDDs and PCDFs. The first elution was done with 70 mL hexane/dichloromethane  (49:1) and the second elution with 100 mL hexane/dichloromethane (1:1) (appendix 7). The second  fraction was evaporated in order to obtain a final volume between 1 and 5 mL.  II.2.iv. Carbon column First, a glass‐wool plug was placed at the bottom in a 14 mm ID Chromatography column, in order to  keep  the  different  sorbents.  This  column  was  prewashed  with  ethanol,  n‐hexane  and  dichloromethane.  Secondly,  this  column  was  packed  as  follows  :  1.5  g    of  a  carbon‐celite  mixture  realized with 3.6 g of Carbopack C 80‐100 mesh and 16.4 g of celite 545 Fluka (kept in a desiccator at  room temperature) and approximately 1 cm of anhydrous sodium sulfate Na2SO4. Prior to use it, this  column was rinsed by two times the column height, with n‐hexane. The elution was also performed  in  two  steps  :  the  first  fraction,  containing  planar  polychlorinated  biphenyls  (PCBs)  and  polybrominated  diphenyls  ethers  (PBDEs),  was  eluted  with  7  mL  of  n‐hexane  and  the  second  fraction, which gather the planar PCDDs and PCDFs, was eluted with 80 mL of toluene. This second  fraction was evaporated in order to obtain a final volume between 1 and 5 mL (appendix 7). 

  Jensen  and  Sundström  discovered  the  capability  of  carbon  to  separate  the  PCBs  on  the  number of ortho chlorine atoms. This can be explained by the fact that the number of ortho chlorine  atoms  is  related  to    the  planarity  of  the  different  PCBs.  PCBs  with  no  or  one  chlorine  atom  in  the  ortho position can adapt a planar or semi‐planar configuration. Given that PCDDs and PCDFs are also  planar,  but  at  a  lower  concentration  that  PCBs,  it  is  important  to  separate  them  before  GC/MS  analysis (VAN BAVEL, 1995). 

(18)

  Figure 8. Schematic presentation of the various steps of extraction and cleaning of sediment samples. 

  Before being analyzed on the HRGC/HRMS, the samples were poured in vials containing 25  µL of a recovery standard :  13C‐PCCD/Fs in toluene at 20 pg µL‐1 (see appendix 8). The total volume  of vials was reduced under nitrogen stream until approximately 50 µL. If the GC/MS analysis was not  performed the same day, the vials were stored in the dark at  <‐16°C. 

II.3. High Resolution Gas Chromatography/High Resolution Mass

Spectrometer (HRGC/HRMS)

  A GC/MS instrument is composed of a GC instrument connected to a MS instrument. The GC  instrument is used to separate a mixture on boiling points and interactions with the stationary phase  of the GC column. By passing the mixture through a long capillary column, the different components  of the mixture emerge and elute, one by one, and are recorded like peaks with a specific retention  time, enabling further identification and quantification. The MS instrument, then, ionizes each of the  components  isolated  from  the  mixture  by  electron  impact  into  several  fragments  and  separates  them.  This  leads  to  a  characteristic  mass  spectra  (m/z  ratio).  The  connection  between  the  two  instruments is performed with two pumps to produce a high vacuum > 10‐7 Pa range (Photograph in  appendix 10). The "high" vacuum conditions are important to avoid : 

 Ion  scattering  :  if  the  ions  collide  with  any  residual  gas  molecules  their  trajectory  will  be  modified resulting in peak broadening.   Contamination : residual gases in the ionization chamber are also ionized together with the  sample material giving rise to an instrument background.    Mass resolution can be defined as follows : R=m/∆m where m is the mass and ∆m the mass  difference calculated at 10 % of the valley (see appendix 11). Usually, dioxin analysis is performed at  R=10 000. This allows distinction between two fragments whose mass varies only  0.01. This results in  higher  sensitivity,  selectivity  and  signal‐to‐noise  (S/N)  ratio  and  lowers  the  limit  of  detection  (LOD)  and limit of quantification (LOQ). 

  OCDD concentrations were determined by using a HP 6890 GC with a micromass AutoSpec  mass  spectrometer  operated  in  the  electron  impact  selected  ion  monitoring  (SIM)  mode  at  a  resolution R > 10 000 MU (10 % valley). The GC was equipped with a BP5MS capillary column (0.25 

300 mL toluene

sample in 3x1 mL hexane  elution with 10 mL hexane

elution with 80 mL hexane/MeCl2 (49:1)  elution with 100 mL hexane/MeCl2 (1:1) 

elution with 7 mL hexane  elution with 80 mL toluene 

sample in 3x1 mL hexane 

(19)

19    µm film thickness; 30 m length x 0.25 mm i.d., SGE Analytical Science, Australia). The column oven  temperature was programmed from 90 (1.5 min) to 260 °C at a rate of 9 °C min‐1, and to 300 °C at 6.5  °C min‐1 which was held for 4 min, then finally to 310 °C at 30°C min‐1. 

II.4. Isotope dilution principle

  Isotope dilution principle is not the fruit of analytical  chemistry.  Indeed,  zoologists  were  used  to  use  the  catch  and  release  methods  for  fish  population  estimation  in  ponds,  before  the  discovery  of  isotopes.  The  principle  is  quiet  simple  :  a  known  amount of fish were caught, labeled and released in  the  pond  with  the  other  fish.  Once  the  labeled  fish  were  intermingled  with  all  the  others,  a  second  capture  was  made.  This  step  enables  zoologists  to  know the ratio of labeled and unlabeled fish. Knowing this ratio and the total amount of labeled fish,  zoologists  could  easily  estimate  the  total  population  of  fish  in  the  pond.  For  example,  if  we  have  caught 5 fish in order to labeled them and after the second capture, we have obtained a ratio of 1/3,  the population of fish in the pond N is equal to : 1/3=5/(N‐5), so N= 15/1+5=20 fish. This paradigm  demonstrates the exact working principle of isotope dilution (MEIJA & MESTER, 2008).      The ratio 13C/12C is average 1.1%. The skeletal structure of dioxins includes 12 carbon atoms.  A 13C labeled standard dioxin will have a 12 mass units greater than the dioxin molecules originally  present  in  the  sample.  Thanks  to  a  high  resolution  mass  spectrometer,  it  is  easy  to  separate  the  signal  of  initially  present  dioxin  molecules  from  one  of  the  standards  added.  Consequently,  it  is  possible to determine the concentration of dioxins in the sample.  

The  internal  standard  shares  the  same  chemical  and  physical  properties  as  the  compounds  of  interest and is used to control the extraction and cleanup efficiency, to adjust variations in analytical  response due to instrumental and/or matrix effects and variations in the amount of sample provided  for analyses due to variable injection volumes.  The recovery standard allows the measurement of the rate of recovery of internal standard added  just before the extraction step.  The calibration standard works as a single point calibration standard (see appendix 9). 

  Isotope  dilution  improves  the  precision  and  the  accuracy  of  analytical  results.  This  method  can be used to identify native analytes in samples, it also improves the accuracy of analytes at ultra‐ trace concentrations and it can correct for loss of analytes during preparation. (See appendix 14 for  the identification and quantification of dioxin congeners on MassLynx). 

II.5. Elemental Analyzer‐Isotopic Ratio Mass Spectrometry (EA‐IRMS)

  Isotope  Ratio  Mass  Spectrometry  (IRMS)  is  a  specialized  technique  used  to  provide  information about the geographic, chemical and biological origins of substances. This powerful tool  had  been  used  to  study  the  origin  of  PAHs  in  sediments  of  Lake  Erie,  lower  Great  Lakes,  USA  (SMIRNOV et al., 1998). This technique permits the establishment of δ13C, which was introduced in  1950 by McKinney to easily establish the isotopic ratios (CALDERON, 2005) :  

δ

13

C(‰)= ( 

‐1)*1000 

Delta values are either heavier (enriched) or lighter (depleted) than the standard. For example, if a  sample  has  a  delta  value  of  +5  ‰  then  it  is  5  parts  in  1000  enriched  in 13C  compared  with  the 

Figure 9. Principle of isotope dilution from population  analysis in zoology (MEIJA & MESTER, 2008). 

(20)

standard. If it has a delta value of ‐5 ‰, then it is 5 parts in 1000 depleted in 13C. The standard used  for  carbon  was  the  Pee  Dee  Belemnite  (PDB),  based  on  a  Cretaceous  marine  fossil,  Belemnitella  americana, which was from the Pee Dee Formation in South Carolina, USA (Photographs in appendix  12). It was replaced by a artificial Vienna Pee Dee Belemnite in 1987, because of the exhaustion of  this resource (VERKOUTEREN, 1999). 

13

C/

12

C

PDB

=0.11237 

The  standard  used  for  nitrogen  is  the  atmosphere.  The  International  Atomic  Energy  Agency  (IAEA)  now controls the creation and distribution of all isotopic standard materials. 

 

Figure 10. Principle of a EA‐IRMS in a combustion mode (Nature 's fingerprint, a division of Molecular Isotope  Technologies LLC). 

  The  sample  is  weighed  and  placed  in  a  tin  or  silver  capsule,  tightly  crimped  to  avoid  any  trapping  of  air  that  would  perturb  the  combustion.  Then  this  capsule,  containing  the  sample,  is  placed  in  an  autosampler  carousel,  which  leads  it  to  a  combustion  furnace  at  1050°C.  When  O2  is  introduced,  the  tin  capsule  ignites.  The  Sn  oxidation  creates  an  exothermic  "flash  combustion"  at  1800°C (Cr2O3 and Co3O4 as oxidant agents), ensuring the complete combustion and oxidation of the  sample. Carbon, hydrogen and  nitrogen compounds from the sample are respectively  converted in  CO2, H2O and N2. Any gas formed which contains halogens or sulfur is chemically removed and the  remaining  combustion  products  are  sent  into  a  650  °C  Cu+  reducing  reactor,  where  incomplete  combustion products from the oxidation tube (NOx, CO, etc.) are reduced and excess O2 is removed.  Water is then chemically scrubbed from the helium. The final product gases (N2, CO2) are separated  on a gas chromatography column and detected by a Thermal Conductivity Detector (TCD) also called  katharometer,  before  entering  the  MS.  TCD  is  a  universal  detector  but  its  sensitivity  is  lower  compared to this of a Flame Ionization Detector (FID) (See appendix 13 for more explanations about  the functioning of a TCD). TCD generates an electrical signal proportional to the concentration of the  gases  presents.  The  gases  effluents  are  then  sent  to  the  MS.  (MUCCIO  &  JACKSON,  2009)  (GRASSINEAU, 2006). 

Samples are analyzed using an EuroEA3024 elemental analyzer (Eurovector, Milan, Italy) coupled to a  Isoprime isotope‐ratio mass spectrometer (GV‐Instruments, Manchester, UK). The standard deviation  of  ten  replicated  samples  of  wheat  was  0.09  ‰.  The  reactor  furnace  was  set  to  1050  °C  and    the  combustion reactor tube packed with quartz wool, chromium oxide and silvered cobaltous cobaltic  oxide. Reduction furnace was set to 650 °C and the reduction reactor tube was packed with quartz  wool and copper. Oven temperature was 120 °C and He flow 100 mL min‐1.   Samples were initially dried in an oven at 80°C overnight and then ground to a homogeneous powder  in a shatterbox. Isotope ratios of carbon are reported in parts per mil (‰) and all values reported are  relative to the international standard PDB by conventional delta notation (δ13C). Accuracy of the  isotope ratio analysis for carbon was verified using wheat (bulk carbon : δ13C = ‐27.19 ‰, SD = 0.14  ‰, n=14), (organic carbon : δ13C = ‐26.23 ‰, SD = 0.075 ‰, n=7).

(21)

21   

III. Results and Discussion

 

III.1. Results of HRGC/HRMS analysis

III.1.i. Results of the blanks

One  blank  containing  ≈  25  g  of  anhydrous  sodium  sulfate  Na2SO4  was  analyzed  with  every  three  samples.  These  blanks  reflect  the  contamination  of  the  laboratory  (fume  hood  and  Soxhlet  extractors, flasks…). The calculus of the mean of these four blanks and the standard deviation (SD)  allow to establish the limit of detection (LoD) for each congener as follows :  LoD pg g‐1 3 x SD pg g‐1   Figure 11. Repartition of the concentrations of the different PCDD/Fs congeners in comparison with their LoD, first blank  prepared.    Figure 12. Repartition of the concentrations of the different PCDD/Fs congeners with their LoD, last blank prepared.  The  first  blank  shows  relatively  high  concentrations  in  dioxins  and  particularly  in  OCDF  and  OCDD  congeners, which one is  a congener of interest. These concentrations decrease in the order of blank  n°1  to  4  as  we  can  see  above.  Before  each  extraction,  the  Soxhlet  apparatus  was  washed  with  toluene during 24 hours. Given that the samples have very low concentrations of dioxins, the Soxhlet  had become more and more clean after four series of extraction. (Blank n°2 and 3 in appendices 15  and 16.) 

(22)

III.1.ii. Results of the sediment samples

The results for the eleven sediment samples are not supporting our hypothesis and only very small  amounts of dioxins were found. All the concentrations found in picograms per grams of dry weight  samples  fall  below  the  LoD.  Moreover,  in  the  publications  where  OCDD  congener  was  detected  in  different types of ball clay products, the concentrations were in the range of several 100 ng g‐1 dw  (HORII, et al., 2008). There is, consequently, a 105 factor of difference. All the results compared with  the LoD are available in appendices 18 to 28.    Figure 13. Distribution of the concentrations of PCDD/Fs found in the sediment sample n°6.  However, the concentration of OCDD in sample n°3, n°9 and n°11 seems to be slightly higher than in  other samples. This might give an indication in which layers to sample in future investigations.    Figure 14. OCDD concentrations in the series of sediment samples. Maybe three of them are slightly different.    The fact that OCDD concentration seems higher in sediment n°3 is not unexpected given that  this  sediment  is  a  glacial  clay,  and  thus,  contains  a  lot  of  kaolin.  Sediment  n°8  to  11  come  from  a  watercourse. OCDD concentrations in sediment n°9 and 11 are slightly higher than in sediment n°8  and 10 because they come from the upper part of the watercourse (top and one meter below), which  zone is less agitated than the river bed, and consequently, fine clay is more gathered. Sediment n°1,  2, and 4 to 7 contain principally sands. 

(23)

23   

  To  further  study  the  origin/source  of  dioxins,  it  is  also  interesting  to  have  a  look  on  the  congener profiles. Indeed, congener profile of mined clay products (not only ball clay) is well‐defined  where the OCDD congener dominates the others PCDDs congeners and the concentrations of these  congeners  decrease  with  corresponding  degree  of  chlorination.  1,2,3,7,8,9‐HxCDD  predominates  relative to the two other 2,3,7,8‐ substituted HxCDD isomers (5/17/78). Concentrations of PCDFs are  reported to be very low or non‐detectable. This pattern is characteristic and differs from the profile  found for anthropogenic sources of contamination (HORII et al., 2008) (FERRARIO et al., 2000).     Figure 15. Distribution of the different PCDD/Fs in a raw ball clay, pattern expected for all clay products (FERRARIO,  BYRNE, & CLEVERLY, 2000).    In stack emissions, PCDF congeners can be measured at the same concentrations as PCDDs.  In  combustion  emission,  the  most  prevalent  PCDD  congeners  are  OCDD  and  1,2,3,4,6,7,8‐HpCDD,  like  in  mined  clay  products,  but  1,2,3,4,6,7,8‐HpCDF,  OCDF,  1,2,3,4,7,8‐HxCDF,  2,3,7,8‐TCDF  and  2,3,4,6,7,8‐HxDCF congeners also dominate. In iron ore sintering, the dominant congener in emission  is  2,3,7,8‐TCDF  (FERRARIO  et  al.,  2000).  The  typical  pattern  of  waste  incineration  processes  can  be  describe rapidly as follows :  

 [PCDFs]>[PCDDs] 

 PCDFs :  [Cl4] ≈ [Cl5] ≈[Cl6] > [Cl7] > [Cl8] 

 PCDDs : [Cl4] < [Cl5] > [Cl6] < [Cl7] ≈ [Cl8] (MOHR et al., 1999). 

  In  Sweden,  chlorinated  phenols  (CPs)  and  particularly  PCP  and  sodium  pentachlorophenol  (Na‐PCP)  were  used  like  wood  preservative,  until  its  legislation  in  1977.  Production  of  these  compounds results in the formation of impurities like dioxins and these compounds are also known  to produce OCDD under certain conditions (heat, photolysis in environment and in biota). CPs have  the potential to migrate through sediment cores, even 50‐60 years after their use. PCP profiles are  characterized by a dominance of OCDD, but also marked by relatively high concentrations of PCDFs  (dominance  of  OCDF,  followed  by  1,2,3,4,6,8,9‐HpCDF  and  1,2,4,6,8,9‐HxCDF)  and  the  ratio  of  the  ∑PCDDs  to  ∑PCDFs  concentrations  (D/F  ratio)  ranges  from  1  to  10.  Besides,  1,2,3,6,7,8‐HxCDD  is  usually present as the dominant isomer among the toxic HxCDDs (GAUS et al., 2001) (GAUS et al.).  Gaus  et  al.  assume  that  the  characteristic  pattern  of  clay  materials  could  be  explained  by  OCDD  formation  from  diffused  PCP  in  sediment  cores.  This  could  be  a  way  of  explanation  of  so  high  concentrations  of  OCDD  in  clay  samples  and  the  lower  PCDFs  concentrations.  They  also  suggested   that dechlorination processes, via the lateral (2, 3, 7, 8) or peri (1, 4, 6, 9) positions, have altered the  original  PCDD/Fs  signature  and  it  has  lead  to  this  specific  pattern.  Two  graphics  showing  the  distribution of dioxins in a Japanese PCP formulation (13.4 % active ingredient, expired in 1971) and 

(24)

in sediments from Haihe River, in China exposed to a PCP and Na‐PCP contamination are available in  appendices 29 and 30. 

  The  congener  profiles  have  been  treated  as  follows  :  only  the  concentrations  which  were  twice  the  level  of  the  blank  have  been  reported  after  background  subtraction.  These  profiles  are  available in appendices 31 to 35. Unfortunately, it is impossible to make a correlation between the  profiles obtained and those described above due to the low concentrations of dioxins in our samples. 

III.2. Results of EA‐IRMS analysis

  Measurements of total carbon content (bulk carbon) and organic carbon (Corg) in sediments  have  been  performed  to  estimate  what  could  be  the  possible  contribution  of  organic  matter  in  sediment  on  the  isotope  ratios.  The  content  in  organic  carbon  is  based  on  the  effectiveness  of  remineralization of organic matter taking place in the sediment. A method based on the acidification  of  the  samples  has  been  tested  (See  appendix  36  to  read  the  protocole)  in  order  to  remove  carbonates.    Figure 16. Delta 13C values of the different sediment and fossil samples for bulk carbon and organic carbon. Error bars  represent SD.  The bulk isotope ratio analysis for carbon shows two groups : the first one, from S1 to S7 have δ13C  values close to zero. The second group, from S8 to S11, shows more depleted value ranging from ‐7  ‰ to ‐25 ‰. This is relevant because the two groups correspond to geological groups : S1 to S7 sand  layers and S8 to S11 watercourse sediments. The δ13Cbulk values of sand layers close to zero can be  interpreted  by  the  large  amount  of  carbonates  from  calcareous  shell.  The  δ13Cbulk  values  of  river  sediments close to ‐26 ‰ can be interpreted by remains of pure carbon from prehistoric plants.   After the acidification treatment, δ13Corganic values  of sand layers have completely changed and are  now  very depleted (≈‐29 ‰). δ13Corganic values of river sediments are less affected by the treatment,  because they contain less inorganic carbon. δ13Corganic values of river sediments are around ‐26 ‰.  

   

(25)

25    Table 4. Carbon content in the samples and pH.  Identification of  the samples  Depth (m)  Total Carbon  (%)  Total Organic  Carbon (%)  Total  Inorganic  Carbon (%) a)  Proportion of  organic C to  the total C  pH  S1  1.8  6.74  0.045  6.70  0.007  9.09  S2  1.35  5.65  0.046  5.60  0.008  9.18  S5  1.2  4.21  0.071  4.14  0.017  9.13  S6  1  2.31  0.083  2.23  0.036  8.75  S4  0.8  2.07  0.130  1.94  0.063  8.63  S7  0.65  4.11  0.107  4.00  0.026  8.76  S11  0  1.3  1.606  ‐0.31  1.236  3.23  S9  ‐1  1.61  0.853  0.76  0.530  7.17  S10  ‐20  1.62  0.891  0.73  0.550  6.98  S8  ‐25  0.51  0.312  0.20  0.611  5.76  a) The negative value of TIC is due to errors related to the acidification treatment of the samples.      Figure 17. Depth distributions of  total carbon, total organic carbon, total inorganic carbon, proportion of organic carbon  to the total carbon, pH and δ13Corganic for sand sediments (S1, S2, S4 to S7) and river sediments (S8 to S11). The glacial clay 

S3 is not represented in this graphic because it does not match with age deposition. 

The  youngest  samples  contain  more  carbon  material  (S1  and  S2).  S1  and  S2  had  a  terrestrial  environment    with  conifers  and  very  few  flowers  and  leaves  (indeed  very  few  fossils  have  been  discovered  in  the  B.  Balsvikensis  zone)  whereas  S5  to  S8  had  a  marine  environment.  The  samples  from  the  watercourse  have  a  dominant  organic  part  contrary  to  sand  sediments,  which  are  much  more  inorganic.  The  sudden  change  in  pH  values    for  the  river  sediments  shows  also  dramatic  changes  in  the  paleoenvironment.  For  the  samples  S4  and  S7,  it  is  possible  to  observe  a  slight  increase in the proportion of organic carbon, which can lead to think that something was going on.  Some residue of charcoal found in the river sediments testify of the past forest fire activities in this  region. 

TOC does not correlate with PCDD/F content. Indeed, S9 has the higher OCDD concentration whereas  its  TOC  value  is  0.853  %.  Therefore,  the  comparison  of  the  PCDD/F  content  and  the  TOC  indicates  that the percentage of organic carbon is not a reliable proxy of the PCDD/F concentration in clays. It  is assumed  that not the  content of organic  carbon,  but the type  of organic  matter  could be a very  important factor of dioxin enrichment in kaolinitic clays.  Sand sediments  Watercourse sediments  TC (%)  TOC (%)  TIC (%)  Proportion of  organic C to  the total C  pH  δ 13C organic (‰) 

(26)

III. 3. Scenario proposed by Schmitz et al. to explain why dioxins are loaded

in clays

  Schmitz  et  al.  have  made  a  distinction  between  "primary  kaolin"  and  "secondary  kaolin".  Primary kaolin or in situ kaolin contains many minerals and pieces of rocks because it is formed by  weathering  of  acid‐rocks  like  granite.  On  the  opposite,  secondary  kaolin  is  much  more  pure  clay  because it is reworked  by geological processes like erosion, transportation and sedimentation of the  rocks  contained  in  primary  kaolin.  This  distinction  is  relevant  because  it  has  shown  that  primary  kaolin  does  not  contain  dioxins  contrary  to  secondary  kaolin  which  exhibits  the  natural  formation  pattern. Based on these findings, Schmitz et al. have proposed a model gathering several hypothesis  advanced in previous studies to explain the accumulation of dioxins in secondary clays.    Figure 18. Hypothetical geological and paleoenvironmental model of natural PCDD formation and accumulation in clays.  The grey arrows indicate dioxin transfer paths (SCHMITZ et al., 2011).    The source of dioxins is still unknown and can be released to the atmosphere by forest fires,  for instance, and then by aerial deposition, soils act like a tank for dioxins. In that way, dioxins are  loaded in soils. Photosynthesis  phenomenon would be responsible of the decomposition of furans  and  the  lower  chlorinated  dioxins.  It  is  the  abiotic  formation.  Other  studies  have  proved  that  it  is  possible to create OCDD by catalytic way mixing Fe(III)‐montmorillonite with pentachlorophenol. The  biotic formation envisages that microorganisms, bacteria can create precursors of dioxins. 

  Once  loaded  into  the  soils,  it  is  likely  that  PCDD/Fs  undergo  other  transformations  by  evaporation  and  biotransformation  which  promote  PCDDs  and  particularly  the  most  chlorinated  forms because they are more refractory and more lipophilic. This could explain the so typical natural  formation pattern observed. 

  Due to their hydrophobic nature, dioxins accumulate in organic matter and clay minerals and  are  transported  by  erosion  in  secondary  kaolin.  Secondary  kaolin  would  have  preserved  dioxins  through geological times (SCHMITZ et al., 2011). 

(27)

27   

Conclusion.

 

 

The aim of this project was to determine the amount of dioxins in old strata from the 

South  of  Sweden  and,  if  possible,  to  discuss  about  the  origin  of  such  compounds.  The 

hypothesis  of  natural  formation  of  dioxins  in  the  Swedish  excavation  samples  was  not 

confirmed. Levels of OCDD were very low and under the LoD. But three layers differentiate 

from  the  others,  by  their  level  of  OCDD  which  were  slightly  higher  than  in  the  others 

samples. Laboratory blanks were improved to 7.65 pg. 

Future research and experience

 

Thus, it could be interesting to collect other clay samples from another quarry in Sweden in 

the  hope  to  correlate  these  results  with  those  from  past  publications.  Trying  to  obtain  a 

lower  limit  of  detection,  cleaner  blanks  than  before  could  be  tempt  but  the  method  used 

was  already  optimized  and  it  is  likely  that  the  benefit  would  be  insignificant.  Compound‐

Specific  Isotope  Analysis  could  also  be  more  useful  than  IRMS  of  carbon  to  focus  on  the 

origin of dioxins. 

 

Research work is sometimes disappointing. It is a long‐drawn‐out job and it is important not 

to feel discourage ! 

 

 

Personally,  this  internship  enabled  me  to  discover  dioxins,  their  characteristics  and 

the debate to which they are subjected. In an experimental point of view, I also learned a lot 

about  the  treatments  to  extract  PCDD/Fs  and  to  quantify  them  using  internal  standards.  I 

worked  with  a  HRGC/HRMS  instrument  and  I  could  see  the  inside  of  a  quadrupole  mass 

spectrometer  during  a  maintenance  operation.  I  touched  upon  EA‐IRMS  technique,  its 

concepts, and how it is used for interpretations, which was up to date unknown of me. 

Geological  excavations  were  visited  and  I  learned  to  recognize  belemnites,  shark  teeth, 

bones, vertebras, coprolites, corals… Physically, it is a hard work which requires to be patient 

! Contrary to what we could imagine about excavations, it is very far away from the image of 

archeological work (shovels instead of brushes !). The best image would be the one of gold 

diggers.  

 

This  internship  confirmed  me  in  my  opinion  that  sciences  are  a  whole  :  several  disciplines 

interact  with  each  other  in  order  to  make  progress  the  project  and  the  results  are  more 

fruitful. Nowadays, it is essential to be open to other domains and not to get stuck in his/her 

own chosen field. 

(28)

References

BERGQVIST, P.‐A. (1998). Analysis and bioaccumulation of dioxins : discussions about PCDDs and  PCDFs from 1950s to today. Umea: Solfjädern Offset AB.  BRODIE, C. R., CASFORD, J. S., LLOYD, J. M., LENG, M. J., HEATON, T. H., KENDRICK, C. P., &  YONGQIANG, Z. (2011). Evidence for bias in C/N, d13C and d15N values of bulk organic  matter, and on environmental interpretation, from a lake sedimentary sequence by pre‐ analysis. Quaternary Sciences Review, 30, pp. 3076‐3087.  CALDERON, G. (2005). Applications des techniques isotopiques modernes pour la caratérisation de  produits alimantaires et de boissons. Thèse de doctorat, Université de Nantes. Facculté des  sciences et des techniques. Ecole doctorale‐chimie biologie, Nantes.  DITCHWEEZIL. (1998). Research the past, Black River Fossils. Retrieved May 28, 2012, from Black  River Fossils:  http://www.blackriverfossils.org/FlorenceCounty/tabid/53/TripReports/753/Default.aspx  ERIKSSON, M. E., LINDGREN, J., CHIN, K., & MANSBY, U. (2011). Coprolite morphotypes from the  Upper Cretaceous of Sweden : novel views on an ancient ecosystem and implications for  coprolite taphonomy. Lethaia, 44, pp. 455‐468.  FERRARIO, J., BYRNE, C., & CLEVERLY, D. (2000, september). 2,3,7,8‐Dibenzo‐p‐dioxins in mined clay  products from the United States : evidence for possible natural origin. Environmental Science  & Technology, 34, pp. 4524‐4532.  GAUS, C., BRUNSKILL, G., CONNELL, D., PRANGE, J., MÜLLER, J., PÄPKE, O., & WEBER, R. (2002).  Transformation processes pathways, and possible sources of distinctive polychlorinated  dibenzo‐p‐dioxin signatures in sink environments. Environmental Science & Technology, 36,  pp. 3542‐3549.  GAUS, C., EVA, H., WEBER, R., PRANGE, J., & KUCH, B. (s.d.). Dioxin precursors in Australian soil  characterized by 1,4‐PCDD/F signatures. EMV‐Sources of POPs in the Pacific Rim, pp. 1095‐ 1099.  GAUS, C., PAPKE, O., DENNISON, N., HAYNES, D., SHAW, G., CONNELL, D., & MULLER, J. (2001, May).  Evidence for the presence of a widespread PCDD source in coastel sediments and soils from  Queensland, Australia. Chemosphere, 43, pp. 594‐558.  GRADSTEIN, F. M., & OGG, J. G. (2004, June 15). Geologic time scale 2004_why, how and where next  ! Lethaia, 37, pp. 175‐181.  GRASSINEAU, N. (2006). High‐precision EA‐IRMS analysis of S and C isotopes in geological materials.  Applied Geochemistry, 21, pp. 756‐765.  HORII, Y., VAN BAVEL, B., KANNAN, K., PETRICK, G., NACHTIGALL, K., & YAMASHITA, N. (2008,  January). Novel evidence for natural formations of dioxins in ball clay. Chemosphere, 70, pp.  1280‐1289. 

References

Related documents

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

Both Brazil and Sweden have made bilateral cooperation in areas of technology and innovation a top priority. It has been formalized in a series of agreements and made explicit

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Syftet eller förväntan med denna rapport är inte heller att kunna ”mäta” effekter kvantita- tivt, utan att med huvudsakligt fokus på output och resultat i eller från

Regioner med en omfattande varuproduktion hade också en tydlig tendens att ha den starkaste nedgången i bruttoregionproduktionen (BRP) under krisåret 2009. De

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större