Interferens ved bestemmelse af olie i jordprøver. Teknik og Administration Nr

Transkript

1 Interferens ved bestemmelse af olie i jordprøver Teknik og Administration Nr

2 INDHOLDSFORTEGNELSE 1. SAMMENFATNING OG ANBEFALINGER BAGGRUND UNDERSØGELSEN SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE KILDER TIL BIOLOGISKE KULBRINTER METODER TIL AT SKELNE MELLEM KULBRINTE- BLANDINGER n-alkaner Isoprenoider UCM (Unresolved Complex Matter) PAH Biomarkører Pyrolyse-gaskromatografi Oprensning Isotopmåling Statistik SAMMENFATNING AF FORSLAG ANBEFALING AF FREMTIDIG PROCEDURE...26 BILAG A Referencer

3 1. SAMMENFATNING OG ANBEFALINGER Mulighederne for at skelne mellem kulbrinter af mineralolieoprindelse (petrogen oprindelse) eller stammende fra planterester (biogen oprindelse) i forbindelse med jordanalyser er forsøgt afklaret i denne rapport. Rapporten er baseret på oplysninger indsamlet fra danske miljølaboratorier og fra gennemgang af den tilgængelige videnskabelige litteratur omhandlende olieforureninger. Mere end 10 metoder til at bestemme kulbrinters oprindelse nævnes i litteraturen. De fleste omhandler, hvordan man identificerer/karakteriserer forskellige olieprodukter. På baggrund af de gennemgåede teknikker foreslås et system baseret på velkendte principper, der ikke er i modstrid med de nuværende udokumenterede rutiner. Principperne skal blot systematiseres og standardiseres: 1. Normal GC-FID analyse med bestemmelse af kulbrintesum 2. Systematisk, supplerende karakterisering af GC-FID-informationer 3. Ny ekstraktion med fjernelse af polære kulbrinter ved oprensning!"gc-fid analyse 4. Analyse af det oprensede ekstrakt ved GC-MS for!"biomarkører og andre mættede forbindelser!"aromatiske forbindelser, herunder PAH og især methylerede PAH-forbindelser Efter hvert trin vurderes, om der er opnået tilstrækkelige informationer til at afgøre, om et målt kulbrinteindhold er primært petrogent eller primært biogent. Den nødvendige udviklingsindsats omfatter, foruden anvendelse/udvikling af standardiserede analysemetoder, udvikling af standardiseret databehandling og standardiserede klassificeringsgrænser. Tilvejebringelse heraf kan sikres ved en målrettet, kortere indsats. Det skal bemærkes, at systemet alene vil give mulighed for en standardiseret kvalitativ vurdering af oprindelsen af kulbrinter som overvejende petrogene eller biogene. Der kan udfra de nu tilgængelige oplysninger ikke peges på én eller flere metoder, der med sikkerhed og indenfor en kortsigtet, målrettet indsats vil kunne udvikles til kvantitativ opdeling imellem petrogene og biogene kulbrinter i blandinger. I forskningssammenhæng og med henblik på mere langsigtet anvendelse anbefales at arbejde for udvikling af kvantitative metoder. Hertil kan flere metoder foreslås, men ingen er fundet dokumenteret og benyttet i de tilgængelige oplysninger på en måde, så de umiddelbart kan betragtes som de eneste oplagte kandidatmetoder for en forskningsindsats. En del af de foreslåede principper til systematisk karakterisering af kulbrinternes sammensætning vil tillige kunne benyttes til bedømmelse af eksempelvis nedbrydningsgraden af biologisk renset jord eller fastlæggelse af kilder til kulbrinteforureninger.

4 2. BAGGRUND I forbindelse med udviklingen af den nuværende metode til bestemmelse af olie i jord baseret på pentan:vandig pyrophosphat-ekstraktion efterfulgt af GC-FID [1] blev det klart, at der er et problem med positiv interferens fra jordprøver med indhold af planterester. I metoden er det anført i indledningen, at dette problem findes, og der er lagt op til, at den erfarne analysekemiker kan skelne mellem mineralolie og planterester. Siden hen har problemet vist sig at være større end oprindeligt antaget. Grunden hertil er, at der nu analyseres på andre jordtyper, eksempelvis overfladejord med meget organisk stof, end de oprindelige, hvor det fortrinsvis var jord stammende fra benzinstationer. DHI har i samarbejde med en kreds af laboratorier, rådgivere og jordrensere med en støttegruppe af entreprenører, Københavns Miljøkontrol og Amternes Videnscenter for Jordforurening ansøgt Miljøstyrelsen om støtte til et projekt, der skal afklare problemstillingens omfang og udarbejde en vejledning i, hvordan problemet håndteres, inklusive kemiske metoder til at skelne kulbrinternes oprindelse. Miljøstyrelsen har ikke indtil nu haft mulighed for at støtte projektet økonomisk trods en positiv indstilling. Derfor har Amternes Videnscenter for Jordforurening bedt DHI om at udføre en første screening af den videnskabelige litteratur for beskrevne teknikker til at skelne mellem kulbrinters oprindelse.

5 3. UNDERSØGELSEN Undersøgelse er foretaget som en litteraturudredning. Der er foretaget omfattende elektroniske søgning i videnskabelige databaser, herunder særligt i Chemical Abstracts samlede base over kemiske stoffer. Den største søgning er foretaget ved hjælp af Dialog, hvor søgeordene hydrocarbon*, petroleum*, oil* er kombineret med interference*, natural hydrocarbon*, biogenic*. Derudover er der foretaget mindre, mere specifikke søgninger ved hjælp af STNeasy, hvor der er søgt specifikt på biomarkers, biogenic, carbon isotope ratio. Af de fremkomne artikler er relevante studeret for at identificere mulige løsninger på spørgsmålet om, hvordan der skelnes mellem kulbrinteprodukter af forskellig oprindelse. En del artikler har vist sig ikke at være relevante, idet de handler om produkter svarende til naturgas, flygtige terpener og luftforurening. De anvendte artikler fremgår af referencelisten.

6 4. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE For at sikre, at tilgængelig viden i Danmark vedrørende problemstillingen ikke blev overset, er der udsendt et spørgeskema til relevante danske miljølaboratorier. Spørgeskemaet er sendt til 21 danske miljølaboratorier, nogle med flere afdelinger, i alt til 27 lokaliteter. Her er laboratorierne blevet udspurgt om tre forhold: tilbyder laboratoriet at skelne mellem mineralolie forurening og andre kulbrinter i jordprøver? hvor mange prøver pr. år anslås det at vedrøre? hvordan skelner laboratoriet imellem biologiske kulbrinter og mineralolie? Der er indkommet svar fra 12 laboratorier. Resultaterne fremgår i bearbejdet og anonymiseret form af tabel 1. Overordnet set tegner der sig et billede af, at der mangler viden/standardisering inden for dette område. En del laboratorier foretager en vurdering af kromatogrammerne og sammenligner eventuelt med kromatogrammer/ekstrakter af prøver med kendte interfererende komponenter som sphagnum. Et laboratorium gennemfører GC-MS-analyse for at identificere karakteristiske mineralolieforbindelser som alkaner kontra karakteristiske biologiske forbindelser som steroid-lignende stoffer, fedtsyrer og vitamin-e. Et laboratorium anvender GC-MS-analyse af PAH og biomarkører for at tilordne produktet.

7 Tabel 1 Bearbejdet fremstilling af laboratoriernes besvarelser af spørgeskemaundersøgelse LAB. NR. SKELNES DER? HVOR MANGE PRØVER INDEHOLDER ANDRE KULBRINTER? HVORDAN SKELNES MELLEM MINERALOLIE OG BIOLOGISKE KULBRINTER? 1 Nej (delvist) Subjektivt 2 Kromatogram fra spagnum ekstrakt sammenlignes med prøven 3 Ja < 30 Vurdering af kromatogram, fordeling af kulbrinter, biomarkører, nedbrydning, sammenligning med kendte standarder (af olieprodukter?) 4 Nej Nej * 6 # 7 Nej 5-10 % af prøverne Ud fra kromatogrammets udseende og kulbrintefordeling kan rapporten påføres bemærkning om at laboratoriet skønner prøven indeholder naturligt forekommende kulbrinter Spagnum kromatogram benyttes til sammenligning med prøven GC-MS på ionerne 71 og 85, som er karakteristiske for de alifatiske fragmenter C 5 H 11 - og C 6 H Nej Enkelte tilfælde GC-MS-fingerprinting af PAH og biomarkører kan med rimelighed tillade skelnen mellem kulbrinter af petrogen, pyrogen eller biogen oprindelse. Ved blandinger af kulbrinter vil en kvantitativ bestemmelse være vanskelig. En nyere teknik er ved at vinde indpas (internationalt): GC-IRMS (isotop ratio), som kan måle fordelingen af 13 C/ 12 C isotoperne på enkeltkomponenterne, og det vil være velegnet til at skelne mellem kulbrinter af forskellig oprindelse. 11 Ja inkl. tjære forurening 1. Kromatogrammer sammenlignes med karakteristiske kromatogrammer af spagnum, træmasse o. lign. 2. GC-MS analyse, hvor spektrene tilordnes steroider, E-vitamin, fedtsyrer eller anden biologisk oprindelse. Hvis der samtidig er fravær af alkaner og andre karakteristiske oliekomponenter, anses oprindelsen for at være naturlig. 12 Ja (delvist) - Ved GC-MS-bestemmelse af typiske oliekomponenter samt typiske komponenter kendt fra den naturlige omdannelse af biologisk materiale * : 20 procent af prøverne indeholder muld eller kompost, og kan derfor indeholde andre kulbrinter end mineralolie # : Personlig erfaring gennem 12 år med adskillelse og bestemmelse af kulbrinter fra nutidig biologisk materiale og kulbrinter fra geologiske oprindelse. Kilder og referencer: DMUs publikationer om olieidentification I-III, marts 1990 Lossepladsprojektet, rapport A2 1991: Nedbrydning af dieselolie i umættet jord Z. Wang, M. Fingas & D.S Page: Oil spill identification. J. Chrom. A 843, (1999)

8 Ingen laboratorier tilbyder at kvantificere indholdet af en blandingsforurening. Der er dog kommet en kommentar fra ét laboratorium, som har personlige erfaringer fra tidligere beskæftigelse med at adskille og bestemme kulbrinter fra nutidig biologisk materiale og kulbrinter af geologisk oprindelse, hvor analyseteknikken var baseret på GC-FID. Trods gentagne henvendelser har det ikke være muligt inden for den snævre tidsramme at få nærmere henvisninger/referencer for denne metode.

9 5. KILDER TIL BIOLOGISKE KULBRINTER Der skelnes normalt mellem tre kilder til kulbrinter i miljøet: jordolie, forbrændingsrester for eksempel sod og stenkulstjære og endelig biologiske kilder. De tre kilder omtales ofte som henholdsvis petrogen, pyrogen og biogen oprindelse. De biogene kulbrinter genereres enten direkte ved biologiske processer eller i det første trin af de primært dannede organiske stoffers nedbrydning, for eksempel i nyere marine sedimenter. De biologiske kilder omfatter landplanter, phytoplankton, dyr, bakterier, makroalger og mikroalger [2].

10 6. METODER TIL AT SKELNE MELLEM KULBRINTE- BLANDINGER Princippet i bestemmelsen af olie i jord er normalt følgende: ekstraktion af organiske stoffer fra jorden med et opløsningsmiddel efterfulgt af analyse af ekstraktet ved gaskromatografi (GC). Der benyttes enten en flammeionisationsdetektor (FID), som blot viser mængden af organisk stof efter kromatograferingen, eller massespektrometrisk detektion (MS), som udover mængden af organisk stof i kromatogrammet kan give oplysninger om de enkelte stoffers identitet. En mineralolieforurenet jord vil typisk indeholde alifater (mættede kulbrinter), PAH forbindelser (aromater) og andre umættede kulbrinter, mere polære forbindelser med indhold af ilt, svovl eller kvælstof, samt en blanding af oprindelige biogene rester. Når olieforurenet jord har ligget længe, og mineralolien defor er delvist nedbrudt, vil de dominerende alkaner være forsvundet efterladende en mængde oliekomponenter i lavere koncentration. I denne situation lader de petrogene og de biogene kulbrinter sig vanskeligt skelne. Dette skyldes, at de biogene kulbrinter i kromatogrammerne ligner delvist nedbrudte, petrogene kulbrinter, og i øvrigt indeholder mange af komponenterne af samme type. Der er i den udvalgte litteratur ikke fremkommet meget, der decideret omhandler den aktuelle problemstilling. Fortrinsvis omhandler undersøgelserne, hvordan man skelner forskellige mineralolieprodukter fra hinanden, altså hvordan man med sikkerhed kan vide, at et målt indhold kan henføres til en aktuel/kendt forurening. Eksempelvis er der publiceret mange artikler omhandlende det store oliespil i 1989 fra skibet Exxon Valdez i Prince William Sound ud for Alaska. Her er der gennemført mere end analyser på forskellige prøvetyper som sediment, olieprodukt, vand og biologiske prøver. Derfra er der mulighed for at uddrage sikre informationer om olieprodukternes identitet, idet der i denne sag var en kendt, velbeskrevet kilde, som skulle skelnes fra andre mere diffuse kilder. Karakteristisk for hovedparten af de øvrige undersøgelser er, at de benytter flere teknikker, der hver især alene giver en indikation af kulbrinternes oprindelse. Foruden selve kulbrintekarakteriseringen er inddraget andre parametre som prøvernes indhold af organisk stof (bestemt ved andre teknikker, som glødetab, TOC eller total ekstraherbart stof, gravimetrisk analyse) eller en datering af sedimenterne ud fra radioaktive isotoper. Derudover er der typisk gennemført et større antal bestemmelser, f.eks. i en profil ned gennem en sediment kerne, for at kunne se en trend gennem profilen til at understøtte de målte forskelle. Der er beskrevet principper til at skelne mellem biogene og petrogene kulbrinter, som ikke anses for at være tidssvarende og relevante i forbindelse med danske forhold. Det drejer sig om infrarød spektrofotometri (IR) [3,4] og fluorescens spektrofotometri [5]. For IR bestemmelserne gælder, at der skal benyttes fuldt halogenerede opløsningsmidler som freon 113 eller tetrachlormethan for at kunne gennemføre målingen. Disse stoffer er uønskede enten pga. ozon nedbrydende egenskaber eller pga. sundhedsrisici. For fluorescensmålingerne gælder, at ukendte produkter vanskeligt kan kvantificeres, idet respons er stærkt afhængigt af hvilke forbindelserne, som er tilstede. Endvidere er fluorescens spektrofotometre ikke almindelige på danske miljølaboratorier.

11 I det følgende vil de principper blive gennemgået hver for sig, som er vurderet anvendelige. Det skal holdes for øje, at hver metode oftest bliver anvendt i sammenhæng med andre metoder. Afhængigt af de anvendte analysemetoder vil andre forbindelser end kulbrinter interferere. Det drejer sig om mere polære forbindelser, her kan nævnes eksempelvis phenoler, carboxylsyrer, naphthensyre, alkoholer og lipider [6,7]. 6.1 n-alkaner I råolie er n-alkanerne de karakteristiske forbindelser. Derfor er de også karakteristiske i de fleste olieprodukter, bortset fra i de mest flygtige produkter som benzin. n-alkan fordelingen er i typiske olieprodukter præget af, at to naboforbindelser i den homologe række, f.eks. n-c 20 og n-c 21, forekommer i næsten lige stor koncentration, og at en ændring er jævnt fordelt, således at der fremkommer en karakteristisk klokkeformet fordeling. I biologisk materiale er der også n-alkaner til stede. Karakteristisk for de biogene n-alkaner er, at der er en kraftig overrepræsentation af de ulige kædelængder, altså n-c 20 < n-c 21. Landplanterne indeholder de længere alkaner, især C 25, C 27 og C 29, mens det for phytoplankton især er C 17. Dette har ført til en karakteriseringsform, hvor fordelingen mellem de lige og de ulige kædelængder udtrykkes som CPI (Carbon Preference Index) [8,9], som kan beregnes efter følgende formler: CPI CPI = = 2 *( C15 + C17 + C19 + C21) ( C + C + C + C ) + ( C + C + C + C ) *( C25 + C27 + C29 + C31 + C33 ) ( C + C + C + C + C ) + ( C + C + C + C + C ) hvor eksempelvis C 15 her repræsenterer koncentrationen af n-alkan C 15. Ved GC-FID og GC-MS vil responset (areal eller tophøjde) være et tilfredsstillende mål til gennemførelse af beregningen, og en egentlig bestemmelse af koncentrationen (kalibrering) er ikke nødvendig. Ved at summere over et intervallerne 15 til 21 henholdsvis 25 til 33 opnås, at en stigende eller faldende tendens på grund af kogepunktsfordelingen i et givet produkt ikke påvirker resultatet nævneværdigt. Det samme opnås ved, at der divideres med både de lige alkaner n-1 og n+1. I et mineralolieprodukt vil CPI være 1. Et CPI større end 1 vil indikere et bidrag fra jordlevende planter, mens et CPI større end 1 vil indikere et bidrag af mikroalger [8,9]. Tilbage i 1970 er der publiceret en undersøgelse, som viser n-alkanfordelingen i voks fra 17 typiske landplanter [10]. I ukomplicerede tilfælde uden forvitring vil der kunne foretages en identifikation af planten på grundlag af dette mønster. I kraftigt forvitrede olieprodukter vil n-alkanerne ikke være identificerbare ved GC-FID, da de er blandt de forbindelser, der nedbrydes hurtigst [9]. n-alkanerne stammende fra alger eller fytoplankton vil være mere udsatte for nedbrydning end n-alkanerne fra plantevoks [8].Der forventes dog at være mulighed for at bestemme n-alkanerne i spormængder ved GC-MS blandt de kroma-

12 tografisk uopløste forbindelser. Det vurderes, at bestemmelsen af CPI skal inddrages i vurderingen af, om der er tale om kulbrinter af biologisk oprindelse. 6.2 Isoprenoider Blandt isopreoniderne er pristan (C 19 ) og phytan (C 20 ) de mest almindelige. De er til stede i næsten alle råolieprodukter som de mest betydende af et langt større antal isoprenoide kulbrinter. De anses for at være en god indikator for mineralolieforurening [6,11] og har den fordel frem for n-alkanerne, at de nedbrydes langsommere og derfor kan indicere mineralolie også i en kraftigt forvitret prøve, som ellers har mistet de mere karakteristiske alkan-forbindelser. Forholdet mellem pristan og phytane varierer afhængigt af oliens oprindelse og kan i visse tilfælde benyttes til fingerprint og dermed til at fastslå kilden til et oliespild [6,11]. Pristan og phytan dannes udfra phytol indholdet i klorofyl. Under iltrige forhold vil der dannes pristan, mens der under reduktive forhold (iltfrie) vil der dannes phytan [12]. Et unormalt højt pristan-/ phytan-indhold kan indicere et phytoplanktonbidrag. Der er naturlige kilder til både pristan og phytan [2]. Squalene, der er et C 30 isoprenoid, som er allestedsnærværende i rigelige mængder i mikroalger, rapporteres fundet i koncentrationer på 8-35 µg/kg i sediment fra en ubelastet flod [11]. Isoprenoiderne som pristan og phytan findes som diastereomerer i olie, og hvis alle diastereomerer påvises, er der tale om mineralolie. Når stofferne dannes biologisk, dannes kun en diastereomer, men under oliedannelsen omdannes denne til en blanding af de mulige diastereomerer. Teknikken vil dog ikke kunne bruges som rutine, da separationen vil være så vanskelig, at den ikke kan gennemføres under normale rutinebetingelser. Hvis der er er betydelige mængder af biogen pristan eller phytan, til stede, vil bestemmelsen af fordelingen ikke være praktisk mulig [11]. Til at karakterisere sammensætningen af kulbrinteblandingerne benyttes ofte forskellige sammenstillinger af forholdet mellem isoprenoiderne og n-alkanerne [13-17]: pristan/phytan pristan/n-c 17 phytan/n-c 18 Larsen og Christensen [33] har publiceret en undersøgelse, som vurderer forholdet mellem isoprenoiderne i 12 dieselspild med kendt alder. De opstiller en lineær sammenhæng mellem spildets alder og forholdet n-c 17 /pristan. Jo mere nedbrudt olie, jo lavere forhold. Endvidere foreslår de at aldersdatere andre dieselspild ud fra forholdet mellem nc 17 /pristan med en usikkerhed på to år. Det vurderes, at bestemmelsen af indholdet af isoprenoider (pristan og phytan), samt forholdet mellem isoprenoider og n-alkaner skal inddrages i vurderingen af, om der er tale om en mineralolieforurening, idet der herved opnås informationer om mineraloliens nedbrydningsgrad. 6.3 UCM (Unresolved Complex Matter) Ved analyse af forvitrede olieprodukter vil de karakteristiske alkaner ikke altid være synlige i et GC-FID-kromatogram. Her anfører flere forfattere, at en kromatografisk uopløst bule i kromatogrammet vil være karakteristisk for mineralolieforureninger, mens biologiske rester i højere grad vil forekomme som kromatografisk separerede enkeltforbindelser. Den kromatografisk uopløste del af olieindholdet benævnes UCM [2,9,15,17].

13 I en blandingsforurening vil der kunne være mere end én UCM. I et eksempel anføres en beskrivelse som UCM 1, maksimum nc 14, med komponenter fra nc 10 til nc 22, og UCM 2, maksimum nc 29, med komponenter fra nc 17 til nc 38 [9]. UCM kan udtrykkes forholdsvist til de øvrige forbindelser, f.eks. ved U/R som er Unresolved Complex mixture/resolved n-alkanes [15] eller indirekte RES/Σ PHC, hvor det er de opløste toppe, der sammenholdes med det samlede indhold af kulbrinter [9,15]. Det vurderes, at bestemmelsen af UCM skal inddrages i vurderingen af, om der er tale om mineralolieforureninger. 6.4 PAH Til at karakterisere mineralolie fra øvrige kulbrinter er benyttet det faktum, at sammensætningen af PAH-forbindelser varierer med oprindelsen af kulbrinter. I mineralolie er der et betydeligt indhold af methylerede PAH, mens der i tjæreprodukter og forbrændingsrester næsten udelukkende vil være de umethylerede, rene PAH-forbindelser. Petrogene PAH er karakteriseret ved højt indhold af methylerede forbindelser, mens pyrogen PAH er domineret af umethylerede PAH. I de refererede undersøgelser er der 5 methylerede PAH-familier, der fremgår af tabel 2. Det er karakteristisk for mineralolie, at indholdet af forbindelserne er stigende inden for hver familie, altså C0 < C1 < C2 < C3. Det skal også bemærkes, at antallet af mulige isomerer stiger med stigende antal methylgrupper, eksempelvis er der mere end 20 isomere C3-dibenzothiophen-forbindelser. De methylerede PAH bestemmes ikke individuelt, idet summen af hver gruppe bestemmes ud fra en karakteristisk ion for hver gruppe. For en forvitret forurening vil det gælde, at naphthalenerne mistes næsten fuldstændigt, mens det relative indhold af de substituerede phenantrener (C2, C3 og C4), dibenzothiophener (C2 og C3) og chrysener (C1, C2 og C3) øges, idet de lettere og mere opløselige forbindelser forsvinder. Især chrysener er meget stabile på grund af deres lave opløselighed i vand og modstandsdygtighed over for bionedbrydning [18]. Tilsvarende bestemmelser af de methylerede PAH-forbindelser foreslås af andre [19,20], hvor det dog er valgt at inddrage nogle yderligere forbindelser i samme gruppe: methylphenantrener omfattende både phenantren og antracen (eksempelvis C1P+A), methylchrysener omfattende både chrysen og benzantracen (eksempelvis C1C+B), og pyren/fluoranthen (med grupperne C1P+Fl, C2P+Fl og C3P+Fl). Dette skyldes, at hovedionerne ved massespektrometri vil være de samme, og at de methylerede forbindelser ikke kan skelnes på simpel vis ved den udførte kromatografi, idet de isomere ikke identificeres specifikt. Det anføres, at koncentrationen af de methylerede forbindelser bestemmes ud fra responset af moderforbindelsen. Endvidere vil der ikke nødvendigvis være tale om udelukkende methylforbindelser. Strengt taget bestemmes ved metoden alkylerede PAH-forbindelser med ukendt sammensætning, men med kendt samlet antal kulstof alkyleret til det aromatiske skelet. Fordelingen mellem de forskellige PAH fremstilles grafisk ved hjælp af søjlediagrammer. Et eksempel herpå med forskellige produkter er gengivet i figur 1, og et eksempel på et nedbrydningsforløb er gengivet i figur 2.

14 Familie Navn på gruppen Kode Antal ringe Naphtahlen * Naphthalen C 0 N Methylnaphthalener C 1 N Dimethylnaphthalener C 2 N Trimethylnaphthalener C 3 N Tetramethylnaphthalener C 4 N Phenantren * Dibenzothiophen Fluoren * Chrysen * Biphenyl Acenaphthylen * Acenaphthen * Antracen * Fluoranthen *# Pyren * Benz(a)antracen * Benzo(b)fluoranthen *# Benzo(k)fluoranthen *# Benzo(e)pyren Benzo(a)pyren *# Perylen Indeno(1,2,3-cd)pyren *# Dibenz(a,h)antracen *# Benzo(ghi)perylen * Phenanthren Methylphenanthrener Dimethylphenanthrener Trimethylphenanthrener Tetramethylphenanthrener Dibenzothiophen Methyldibenzothiophener Dimethyldibenzothiophener Trimethyldibenzothiophener Fluoren Methylfluorener Dimethylfluorener Trimethylfluorener Chrysen Methylchrysener Dimethylchrysener Trimethylchrysener C 0 P C 1 P C 2 P C 3 P C 4 P C 0 D C 1 D C 2 D C 3 D C 0 F C 1 F C 2 F C 3 F C 0 C C 1 C C 2 C C 3 C Karakteristisk ion m/z Tabel 2 Oversigt over de PAH-forbindelser, der kan benyttes til olieidentifikation * : EPA PAH, # : Mst. PAH

15 Figur 1 Eksempler på PAH fordeling i forskellige mineralolieprodukter [2].

16 Figur 2 Eksempel på PAH fordelingen i prøver fra oliespildet fra Exxon Valdez udtaget på forskellige tidspunkter. Her kan ændringen i sammensætningen af de methylerede PAH forbindelser i forbindelse med nedbrydningen følges [19]. Udfra bestemmelserne og den grafiske fremstilling fås et hurtigt overblik over fordelingen af de knap 40 PAH forbindelser, hvorved der kan uddrages, om der er tale om en typiske mineralolie. Udvides afbildningen til at omfatte de tungere, umethylerede PAH, vil en pyrogen kilde vise sig med PAH primært blandt disse tungere forbindelser, mens en biologisk oprindelse ikke vise no-

17 gen af disse to karakteristiske fordelinger. Endvidere kan en forvitring af en mineralolie vurderes. Forholdet mellem karakteristiske komponenter angives ofte for at kunne skelne mellem forskellige kilder, for eksempel forholdet mellem C2- eller C3-alkylerede dibenzothiopenerne og phenantrenerne, C2D/C2P og C3D/C3P [20]. Forholdet C2D/C2P har den fordel at være forholdsvist upåvirket af forvitring [19]. Endelig foreslår Wang [2] at sammenligne summen af de 5 alkylerede PAH-familier med summen af de øvrige 3-6 ringede PAH. Forholdet mellem de 2 sumtal vil være langt mindre påvirket af tilfældig analyseusikkerhed, end hvis det alene var forholdet mellem 2 enkelte grupper eller enkelte forbindelser. Endelig er forholdet meget robust over for interferenser og forvitring, idet kun forbrænding ændrer billedet fra oprindelsen. C1-dibenzothiophen, methyldibenzothiophen består af 4 isomerer, der kromatografisk kan adskilles i 3 toppe. Dibenzothiophen er ikke en af de 16 EPA PAH, men en 3-ringet svovlholdig forbindelse. Fordelingen af de isomere er karakteristisk for forskellige olieprodukter og forholdsvis stabil over for nedbrydning [21]. Wang [2] har udviklet en sammenligning mellem de tre methylbenzothiophentoppe, hvor flere hundrede olieprodukter er karakteriseret. Page [23] anfører nogle principper til at skelne mellem forskellige kulbrintetyper: I mineralolie dominerer alkyl-pah over moder-pah for naphthalen, fluoren, phenantren, dibenzothiophen og chrysen. Ved nedbrydning vil di-, tri- og tetra-methylphenantren og - dibenzothiophen øges relativt til moderforbindelsen. Forholdet mellem de forskellige familier kan benyttes til at skelne mellem oliekilder. Pyrogen PAH, der her omfatter forbrændingsprodukter og stenkulstjære, er karakteriseret ved et stort forhold af 3-, 4- og 5-ringede PAH og højt indhold af usubstituerede PAH (moderforbindelser). Der findes endvidere PAH, som er forbundet med nyere biologisk materiale. I tidevandssediment dannes der eksempelvis perylen ved tidlig diagenese. Ud fra disse principper og baseret på et stort datamateriale opstillede [23] en formel for at beregne fordelingen af TPAH, total PAH, i den konkrete sag fra Exxon Valdez. Det totale indhold af PAH fratrækkes biogen PAH (perylen) og 4-og 5-ringede PAH (pyrogen baggrund). Ved yderligere at fratrække PAH indholdet fra den kendte kilde kan den petrogne baggrund bestemmes. I forbindelse med Exxon Valdez-sagen [22] viste bestemmelsen af PAH-homologe sig at være et bedre værktøj til at skelne mineralolie fra ikke petrogene kulbrinter end bestemmelsen af biomarkørerne hopaner og steraner, se nærmere i afsnit 5.6. Forholdet mellem methylphenantren og phenantren, MP/P afhænger af kilden, i smøreolie er det 4, i støv og snavs 1 og i atmosfærisk nedfald 0,5 [24]. Dette stemmer med undersøgelser af ældre marine sedimenter ( > 100 år), hvor MP/P er 0,5-1 og 2-6 i sedimenter domineret af mineraloliebelastning. I andre, nyere sedimenter måles 0,5-0,7, hvilket indicerer belastning fra forbrændingsprocesser. Tilsvarende anføres i [25], at hvis værdien af MP/P er mindre end 1, er der tale om forbrændingsrester, mens fossile PAH-blandinger typisk ligge i et område mellem 2-8. Det vurderes, at bestemmelsen af de mange PAH forbindelser, inklusive de alkylerede PAH, vil være et afgørende middel til at fastslå oprindelsen af kulbrinterne. De to afgørende elementer er tilstedeværelsen af de petrogene alkyl-pah, som er meget stabile, contra perylen af biogen oprindelse. Bestemmelserne af PAH forbindelserne vil kunne anvendes i andre sammenhænge end alene til at skelne mellem biogen og petrogen oprindelse. Eksempelvis vil nedbrydning af olie-

18 produkter bedre kunne følges, og fastlæggelse af kilde til PAH forureninger vil kunne gennemføres. Den anførte beregning af koncentrationerne ud fra GC-MS-responset af moderforbindelsen [20] vil ifølge DHIs erfaringer ikke give et sandt billede, idet for eksempel 3,6 dimethylphenantren giver mindre end det halve i respons sammenlignet med phenantren. 6.5 Biomarkører Biomarkør fingerprinting har traditionelt være benyttet af i oliegeokemien til at karakterisere olies oprindelse, modenhed, transport mm. Bestemmelse af kildekarakteristiske og unedbrydelige biomarkørere danner baggrund for vigtig information, når kilden til et oliespild skal identificeres. Mange undersøgelser har benyttet biomarkører i forbindelse med identifikation af oliespild [2,26]. Nedbrydningen af biomarkørerne ved biologisk behandling og forvitring er studeret grundigt, og det viser sig, at forholdet mellem udvalgte biomarkører er uforandret. Biomarkører kan derfor benyttes som bevarede interne referencer, selv i stærkt nedbrudte oliespild [2]. De biomarkører, som er identificeret som værende karakteristiske for råolie og olieprodukter, er Hopanerne hopaner m/z 191 methyl hopaner m/z 205 Steranerne steraner m/z 217 og 218 methylsteraner m/z 217/231 disteraner m/z 217/259 Strukturformler for eksempler på hopaner og steraner er angivet i figur 3. Biomarkørerne vil altid være til stede i råolien, men i oliespild vil indholdet på grund af fremstillingsprocessen for olieprodukterne (destillation) afhænge af, olieproduktets kogepunktsinterval. I lette produkter som petroleum og benzin vil der ikke være biomarkører, og i dieselolie vil der kun være de lettere biomarkører til stede. De karakteristiske biomarkører, som rapporteres anvendt, har kulstof skeletter på mellem 23 og 33 kulstofatomer. Kogepunktet/retentionstiden for disse forbindelser er dog lavere end for n-alkaner med samme antal kulstofatomer. I NORDTEST-metoden Oil Spill Identification [27] anføres betingelser for bestemmelsen af biomarkørerne, herunder hvilke gaskromatografiske vinduer, der skal benyttes til at bestemme de enkelte komponenter. Vinduerne fastsættes ud fra n-alkanernes retentionstider, hvorved der er gode muligheder for at reproducere identifikationsdata mellem laboratorierne. Pristan og phytan omfattes også af begrebet biomarkører [28]. Stofferne dannes ved omdannelse af biologiske stoffer, men bevarelsen af specifikke steroid skeletter tillader korrelationen mellem fossile forbindelser og de biologiske forbindelser. Payet fastslår [28], at tilstedeværelsen i spildevandsslam af et tydeligt indhold af hopaner og tristeraner sammen med kortkædede n-alkaner, pristan/phytan, som er typiske indholdsstoffer fra mineralolie, er et sikkert bevis for en forurening med mineralolie. I en omfattende undersøgelse af kulbrinterne i San Francisco Bay [8] er der lavet nogle overbevisende sammenhænge mellem sedimentets alder og forholdene mellem forskellige biomar-

19 kører, der indicerer stigende petrogen belastning i de nyere sedimentaflejringer. Blandt hopanerne nævnes nogle, der karakteriserer biogene kulbrinter: 17β(H)trisnorhopane (C27, Tβ) og ββ-hopan (C31), 17β(H)-trisnorhopen (C27, Te) og adskillige C30 hopener inklusive diploten. Plottes forholdet mellem nogle af disse biogene markører mod de petrogene markører fås nogle overbevisende plots, der viser tydelige ændringer i kilderne til aflejringerne. Blandt steranerne kan det tilsvarende ses, at de biogene 20R epimerer af ααα-c27, -C28 og C29 steraner dominerer over de petrogene 20S epimere.

20 Figur 3 Eksempler på strukturformel for 3 stearaner og 2 tricykliske terpaner og 4 hopaner [28]. Til identifikation af olieproduktet anvendes det indbyrdes forhold mellem karakteristiske forbindelser. Her nævner Wang [2] 8 forskellige diagnostiske grupper og konkluderer ud fra en konkret sag, at forholdet mellem de to hopaner C29/C30 : 17α(H),21β(H)-norhopane/17α(H), 21β(H)- hopane er det tydeligste og mest modstandsdygtige over for nedbrydning. I denne sag blev 32 terpaner og 15 steraner identificeret. I en undersøgelse af sedimenterne ud for havnen i Alexandria [15] er bestemt adskillige hopaner og steraner, og forholdene mellem udvalgte forbindelser er anvendt i vurderingen af kilderne til indholdet af olie sammen med de øvrige bestemmelser af alkaner, isoprenoider og UCM.