I 2018 etablerede to undervisere fra KU og en fra industrien, 12 MSc-studerende og tre ph.d.-studerende undervisningsinitiativet Advanced Analytical Chemistry – Arctic Pollution Research.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2019 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Nikoline J. Nielsen1, Nemanja Milosevic2, Thorsten K.O. Gravert3, Tomás Diera1, Mathias B. Jørgensen1, Arianna Tartara1, Klara C. Gunnarsen1, Kristina Dicová1, Dorottya Hogye1, Octavian A. Istrate1, Nikolaos Krokidas1, Marios Statiou1, Allan K. Ohlsson1, Henriette K. Bensen1, Rikke Poulsen1, Egle Pakalnyté1, Yuelun Wang1 og Jan H. Christensen1
1 Analytisk Kemi Gruppen, Sektion for Miljøkemi og -Fysik, Institut for Plante og Miljøvidenskab, Københavns Universitet
2 MOE I Seacon
3 Institut for Miljøvidenskab, Aarhus Universitet
Københavns Universitet råder over en fantastisk forskningsstation tæt ved Qeqertarsuaq på Diskoøen ud for Ilulissat på det grønlandske hovedland. Forskningsstationen kan huse op til 26 personer og for nuværende besøges den hovedsageligt af forskere, men også af to faste KU-kurser med rod på hhv. Geologi og Biologi. Stationen har fast tilknyttet personale, som pt. er stationsleder Morten Rasch og stationsforvalter Kjeld Akaraaq Mølgaard, og desuden findes laboratoriefaciliteter og for eksempel kølecontainer og bibliotek. Det var en mulighed, vi ikke kunne lade os gå forbi.
I Analytisk Kemi Gruppen underviser vi i basal analytisk kemi for studerende fra for eksempel Fødevarevidenskab, Bioteknologi, Kemi og Miljøvidenskab. Derudover underviser vi i obligatoriske og valgfrie fag på specialiseringen i Analytisk Kemi, som ligger på kandidatstudiet i Kemi, herunder blandt andet i Prøveudtagning og Prøveforberedelse, Kromatografi og Massespektrometri og i det projektbaserede Eksperimentel Analytisk Kemi. Vi havde længe tænkt, at det næste skud på stammen skulle være et kursus, hvor de studerende for alvor lærte at mestre, ikke kun det videnskabelige, men også det helt lav-praktiske ifm. at udføre et feltstudie.
Det forholdsvis uberørte Qeqertarsuaq-område var en oplagt destination. Dels pga. de eksisterende KU-faciliteter, dels fordi de uberørte omgivelser giver mulighed for relativt let at identificere forureningskilder og -spredning, selvom vi ofte arbejder tæt på detektionsgrænserne, når forureningsniveauerne er lave, og når målingerne skal foretages på stedet og alt analytisk instrumentel derfor skal være relativt let transporterbart.
Finansiering af kurset
Der findes ingen direkte finansiering møntet på rejse til og ophold på Arktisk Station. Så selvom vi lancerede initiativet som et blok 4 kursus, mødtes vi allesammen allerede i januar 2018 for at komme i gang med at skrive fonds-ansøgninger. Vi kom afsted med en engangsbevilling fra instituttet, en bevilling fra Dansk Kemisk Forening og en myriade af mindre bevillinger til de studerende fra Sigurd Tovborg Jensens legat, fra Selskab for Arktisk Forskning og Teknologi, fra Fonden til støtte af studerende ved det Naturvidenskabelige Fakultet og fra North2North-initiativet under University of the Arctic, men der er stadig et stykke vej, før initiativet går i nul.
Måling af PAH’er og OPAH’er
Kurset kørte i blok-struktur. Fra start inddeltes de studerende i vertikale grupper med tanke på at måle polycykliske aromatiske hydrokarboner (PAH’er) eller deres primære metabolitter/omsætningsprodukter, oxiderede PAH’er (OPAH’er), i forskellige matricer såsom jord, sediment, fisk, muslinger og mos. En enkelt gruppe arbejdede med foto-oxidering af olie eller modelstoffer i olie under de ekstreme arktiske lysbetingelser med 24 timers dagslys. I samme ombæring etableredes horisontale grupper, som var ansvarlige for hhv. prøvetagning, prøveforberedelse, kemisk analyse og madplan.
Udstyr
Laboratoriet på Arktisk Station ligger med den mest fantastiske udsigt, men råder ikke over det mest avancerede analytisk kemiske instrumentel. Derfor sendte vi en container fyldt med instrumentel, kemikalier og udstyr fra Danmark. Heriblandt en gaskromatograf (GC) med flamme-ioniseringsdetektor (FID) og en væskekromatograf (UHPLC) med UV diode-array- og fluorescens-detektion (DAD-FLR), og med solventer, gasflasker, pipetter, glasudstyr etc. Containeren blev pakket og sendt allerede efter to ugers kursusaktivitet, da den skulle nå at stå klar ved Arktisk Station. Dvs. de studerende skulle hurtigt identificere en god analytisk metode og estimere, hvad der skulle bruge af instrumentel, kemikalier og udstyr.
Forberedelse i København
Fra dag ét blev der udvalgt metoder fra litteraturen, som delvist blev implementeret og valideret i laboratoriet hjemme i København på tvillingeinstrumentel, mens vores tiltænkte analyse-apparater gjorde rejsen nordpå på et containerskib. Herhjemme blev der prøvetaget sediment fra Københavns havn, jord og mos fra byen, fisk og muslinger fra by-strande eller fra fiskehandleren. Der blev udført foto-oxideringseksperimenter på taget af Frederiksberg Campus. I laboratoriet etableredes kalibreringskurver, dynamiske områder, detektions- og kvantifikationsgrænser, genfinding i de forskellige matricer og for de forskellige analytter, samtidig med at de analytiske processer rettedes til: ekstraktion, prøveforberedelse, separation og detektion.
Inden vi fløj til Grønland, afleverede alle grupper et udkast til en videnskabelig artikel, som på dette tidspunkt opsummerede litteraturen på området, præliminære resultater for metode-implementeringen og en plan for prøvetagning og -forberedelse, kemisk analyse, databehandling og i resultatafsnittet fiktive figurer og tabeller som et eksempel på, hvorledes forventede resultater ville blive behandlet og præsenteret. Nemanja underviste i visualisering ved brug af Geographical Information System (GIS), mens Jan og Nikoline vejledte på analytisk kemi-siden.
Turen går til Grønland
Rejsen fra Danmark til Grønland gik med fly: først fra København til Kangerlussuaq i indlandet, og derefter videre med fly til Ilulissat på vestkysten. På grund af dårligt vejr fik vi en ekstra overnatning på en tidligere militærbase i Kangerlussuaq. Tiden der blev dog brugt flittigt på at få de sidste detaljer på plads, inden prøvetagningen påbegyndtes. Fra Ilulissat sejlede vi med hyrebåd to timer mod Qeqertarsuaq på Diskoøen, figur 2. Isen var lang tid om at bryde op i 2018 og vores ene styrmand, Karl Ole, lå konstant på taget af båden for at vurdere, hvilke isflager der var “sorte”, dvs. stenhårde og kunne gøre skade på båden og hvilke, der var mere porøse og derfor ufarlige at påsejle.
Prøvetagning
I Qeqertarsuaq tog vi prøver omkring den lille bugt, hvor havnen ligger, og hvor vi forventede den største PAH-påvirkning fra brændstof. Og vi tog prøver længere væk langs begge kyster for at få referencepunkter. Blåmuslingen føder på sediment, er stationær og en ofte anvendt bioindikator for forurening, da hydrofobe stoffer akkumuleres i dens væv [1-6]. Ulken er ligeledes en fisk, som er meget lokal og sediment-hvilende, men som effektivt metaboliserer hydrofobe stoffer, hvorefter de op-koncentreres i galden i oxideret eller konjugeret form. Ulken er nem at fange og dissekere, hvorefter galden kan ekstraheres med en sprøjte og skydes direkte på UHPLC-systemet [7-11], figur 3.
Resultater
Muslingeprojektet var stærkt, da det allerede på stationen lykkedes at etablere en korrelation mellem muslingernes konditions-index (et udtryk for velbefindende baseret på ratioen mellem massen af muslingens væv og skallens størrelse) og PAH-koncentrationen i muslingens væv – statistikken godt hjulpet på vej af et højt antal af indsamlede og analyserede muslinger (n>300, figur 4).
Ulke-projektet var udfordret på prøvens kompleksitet i forhold til peak-kapacitet på den kromatografiske separation, FLR-detektorens begrænsede selektivitet og generel metodefølsomhed. Derudover er ulke-galde ekstremt varierende i total metabolit-koncentration, i kemisk sammensætning og med hensyn til hvor stort et volumen, der kan ekstraheres fra hvert individ.
Jord og mos blev samlet ved samme lokaliteter. Vi forudså, at disse to matricer primært ville være påvirket af luftbårne PAH’er. Mos filtrerer luften og kan potentielt bruges som bioindikator for luftbåren forurening, da hydrofobe stoffer ophobes i plantevævet. Vi regnede således med at finde en korrelation mellem PAH-koncentration i mos og jord, med højere koncentrationer i mos. Vi regnede desuden med at finde faldende koncentrationer jo længe væk fra affaldsforbrændingen prøverne blev tager, og i modsat retning af den dominerende vindretning i forhold til affaldsforbrændingen og at det primære PAH-bidrag således ville være pyrogent [12-15]. I store træk blev alle hypoteser bekræftet af de kemiske analyser, selvom få jord- og mos-prøver også havde et petrogent PAH-bidrag. Sediment-gruppen havde deres primære udfordring i forhold til at finde sediment, da det meste havbund omkring Qeqertarsuaq er klippebund. Godt hjulpet på vej af stationsforvalter Akaraaq, som vi virkelig kunne trække på i forhold til lokalkendskab og praktisk assistance, lykkedes det dog til sidst at få en pæn prøvesamling med hjem.
Gen-analyser
Her fik vi brug for at gen-analysere prøverne med mere følsomt og selektivt instrumentel, og det blev påbegyndt straks efter landing i Københavns Lufthavn. Her, et halvt år efter, er sediment-, muslinge-, jord- og mos-prøver gen-analyseret på GC med massespektometrisk detektion (MS) som en del af Ariannas specialeprojekt, og de bidragende grupper arbejder på at færdiggøre og publicere deres arbejde i en fælles videnskabelig artikel. Ulke-projektet fortsætter også med Dorottyas specialeprojekt, hvor tungere skyts bliver taget i brug: enzymatisk dekonjugering og identifikation ved hjælp af GC-MS og NIST-biblioteket og mere selektiv og følsom analyse af de primære metabolitter ved hjælp af UHPLC-electrospray-MS.
Nye studerende i 2019
Efter seks gode dage med høj motivation, hårdt arbejde og 24 timers dagslys, et par glimt af hvaler, isbjerge, moskusokser og sæler, sejlede vi mod Ilulissat for at nyde UNESCO verdensarven som turister, inden turen gik hjemover. I forhold til læring fik vi alle en ordentlig portion. To ph.d.-studerende regner med at kunne bruge arbejdet direkte som en del af deres ph.d.-projekt, og to specialestuderende arbejder videre med Grønlandsprøverne. Vi har besluttet at tage endnu en gruppe studerende med igen i 2019, så nu skal der søges fonde igen. Initiativet skal udvides; med en prøvetagningskampagne i Ilulissat, som alt andet lige må antages at være mere belastet af human aktivitet; med en prøvetagningskampagne ved en forladt og begravet losseplads ved Qeqertarsuaq; og i det hele taget med justeringer i forhold til de erfaringer, vi allerede har gjort os. Og så har vi aftalt med Akaraaq, at KU skal have fodboldbank af Qeqertarsuaq Old Boys.
Referencer
1. Balcioğlu, E.B. et al. Polycyclic Aromatic Compunds Origin and Distribution of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Mediterranean Mussels (Mytilus Galloprovincialis, Lamarck, 1819) of the Turkish Straits System Origin and Distribution of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Polycycl. Aromat. Compd. 6638, 1-11 (2017).
2. Larsson, j. et al. Multi biomarker analysis of pollution effect on resident populations of blue mussels from the Baltic Sea. Aquat. Toxicol. (2018). doi:10.1016/j.aquatox.2018.02.024.
3. Webster, L. et al. Long term monitoring of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in blue mussels (Mytilus edulis) from a remote Scottish location. Polycycl. Aromat. Compd. 26, 283-298 (2006).
4. Ruczyńska, W. et al. Assessment of PAH pollution in the southern Baltic Sea through the analysis of sediment, mussels and fish bile. J. Environ. monit. 13, 2535-2542 (2011).
5. Jörundsdóttir. H.Ó. et al. Pristine Arctic: Background mapping of PAHs, PAH metabolites and inorganic trace elements in the North-Atlantic Arctic and sub-Arctic coastal environment. Sci. Total Environ. 493, 719-728 (2014).
6. Beyer, J. et al. Blue mussels (Mytilus edulis spp.) as sentinel organisms in coastal pollution monitoring: A review. Mar. Environ. Res (2017). doi.org/10.1016/j.marenvres.2017.07.024.
7. Beyer, J. et al. Analytical methods for determining metabolites of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) pollutants in fish bile: A review. Environ. Toxicol. Pharmacol. 30, 224-244 (2010).
8. Kammann, U et al. PAH metabolites in fish bile: From the Seine estuary to Iceland. Marine Environmental Research, 124, 41-45 (2017).
9. Pampanina, D.M. et al. Investigation of fixed wavelength florescence results for biliary metabolites of polycyclic aromatic hydrocarbons formed in Atlantic cod (Gadus morhua). Chemosphere, 144, 1371-1376 (2016).
10. Kammann, U. PAH Metabolites in Bile Fluids of Dab (Limanda limanda) and Flounder (Platichthys flesus): Spatial Distribution and Seasonal Changes. Environmental Science and Pollution Research – International, 148(2), 102-108 (2007). doi.org/10.1065/espr2006.05.308.
11. Vuontisjärvi, H. et al. A comparison of HPLC with fluorescencedetection and fixed wavelength fluorescence methods for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbon metabolites in fish bile. Polycyclic Aromatic Compounds, 24, 333-342 (2004). doi:10.1080/10406630490468478).
12. Wang, Z. et al. Correlations between physicochemical properties of PAHs and their distribution in soil, moss and reindeer dung at Ny-Ålesund of the Arctic. Environmental Pollution, 157(11), 3132-3136 (2009).
13. Colabuono, F. et al. Persistent organic pollutants and polycyclic aromatic hydrocarbons in mosses after fire at the Brazilian Antarctic Station. Marine Pollution Bulletin, 93(1-2), 266-269 (2015).
14. Marquès, M. et al. Concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons and trace elements in Arctic soils: A case-study in Svalbard. Environmental Research, 159, 202-211 (2017).
15. Wegener, J. et al. Active biomonitoring of polycyclic aromatic hydrocarbons by means of mosses. Environmental Pollution, 76(1), 15-18 (1992).
Figur 1. Fællesbillede taget umiddelbart inden afsked og foran KU’s Arktiske Station. Tidligere stationsleder Regin Rønn nederst mod venstre, nuværende stationsleder Morten Rasch nederst midtfor med blå såler, og stationsforvalter Kjeld Akaraaq Mølgaard nederst midtfor på Mortens højre side.
Figur 2. Grønland, Diskoøen, Qeqertarsuaq og den lille bugt, hvor havnen ligger. Tal og sorte cirkler angiver prøveudtagningslokaliteter, hvor 1 og 6 er referencelokaliteter og 2-5 er i indsejling og i havnen.
Figur 3. En blåmusling til venstre, hvor vægten af det lysebrune væv uden den hvide lukkemuskel i forhold til skallens længde er en indikator for muslingens velbefindende. En ulk til højre, hvor en fyldt galdeblære træder frem lige ved spidsen af tommelfingeren.
Figur 4. Et eksempel på foreløbige resultater opnået allerede på stationen, dvs. alle trin: prøvetagning, 24 timers depurering af muslingerne, prøveforberedelse, kemisk analyse og databehandling udført inden for fem dage på mere end 300 muslinger. Et større prøvesæt blev analyseret efter hjemkomst på mere selektivt og følsomt udstyr.
