Stefano Polesello - CNR

Stefano Polesello

Istituto di Ricerca sulle Acque-CNR

UOS di Brugherio

polesello@irsa. cnr.it

Mario Carere

Istituto Superiore di Sanità

Roma

[email protected]

Nuove frontiere nell’analisi delle acque

Milano 17 aprile 2012

mailto:[email protected]

urban

waste

water

nitrates IPPC &

other

industry

discharges

chemicals

pesticides

biocides

landfills

sewage

sludge

drinking

water

bathing

water

Measures under

Water Framework Directive

Coordination of all other measures

Water Framework Directive

European Parliament and Council Directive 2000/60/EC

of 23 Oct. 2000 establishing a framework for Community

action in the field of water policy

Direttiva Quadro Acque Articolo 8 – Monitoraggio

Il monitoraggio deve comprendere le acque superficiali, le acque sotterranee e le aree protette.

Gli Stati Membri elaborano programmi di monitoraggio per stabilire un coerente e comprensivo quadro dello stato delle acque nell’ambito di ciascun distretto idrografico.

I programmi di monitoraggio devono essere operativi a partire dal 22 Dicembre 2006.

Il monitoraggio deve essere in accordo con gli obblighi dell’allegato V della WFD che prevede per le acque superficiali un monitoraggio di sorveglianza, operativo e di indagine.

Monitoraggio Chimico – Classificazione

Buono Stato Acque superficiali

Buono stato/potenziale ecologico

Buono stato chimico

Sostanze elenco di priorità

Inquinanti specifici di bacino

Elementi di qualità biologica

Elementi di qualità idromorfologica

Parametri chimico-fisici

Le sostanze prioritarie

Si definisce una sostanza “prioritaria” in base a:

Volume di produzione

Volumi d’uso

Concentrazioni ambientali

Una sostanza prioritaria può essere definita “prioritaria pericolosa” in funzione della

Tossicità

Persistenza

Bioaccumulabilità

Cioè in base al “rischio” risultante da una procedura di “risk assessment” secondo criteri prestabiliti (esempio PEC > PNEC)

Existing Priority substances (WFD Annex X)

33 priority substances established in 2001 (Decision 2455/2001) + 8 from Directive 76/464/EEC

Alachlor Di(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP) Nickel and its compounds

Anthracene Diuron* Nonylphenol

Atrazine Endosulfan Octylphenol

Benzene Fluoranthene Pentachlorobenzene

Brominated diphenylether Hexachlorobenzene Pentachlorophenol

Cadmium and its compounds Hexachlorobutadiene Polyaromatic hydrocarbons

Chloroalkanes, C10-13 Hexachlorocyclohexane Simazine

Chlorfenvinphos Isoproturon* Tributyltin compounds

Chlorpyrifos Lead and its compounds Trichlorobenzenes

1,2-dichloroethane Mercury and its compounds Trichloromethane (chloroform)

Dichloromethane Naphthalene Trifluralin

Carbon-tetrachloride Endrin Tetrachloro-ethylene

Aldrin Isodrin Trichloro-ethylene

Dieldrin DDT

Controllo delle emissioni standard di qualità

Per acque superficiali

(interne e costiere),

sedimenti o biota

Stato chimico buono

entro 2015

Sorgenti puntuali (diffuse

e puntuali)

Controllo dei prodotti e

limiti di emissioni (ELV)

Cessazione/bando dei PHS

entro 20 anni

“APPROCCIO COMBINATO”

Classificazione chimica

Non-synthetic pollutants

Synthetic pollutants

Reference to biological quality elements

below EQS as derived in 1.2.6 (but not below background)

Undisturbed conditions, i.e. background levels

Reference to biological quality elements

below EQS as derived in 1.2.6

“close to zero” or, at least, detection limits

Moderate status Good status High status

Annex V –

Obiettivi di qualità in funzione della

classificazione

Standard di Qualità Ambientale (SQA) Environmental Quality Standard (EQS)

stabiliti in

DIRECTIVE 2008/105/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF

THE COUNCIL

of 16 December 2008

on environmental quality standards in the field of water policy,

amending and subsequently repealing Council Directives

82/176/EEC, 83/513/EEC, 84/156/EEC, 84/491/EEC, 86/280/EEC and

amending Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of

the Council

Definizione SQA (WFD)

«Standard di qualità ambientale»: la concentrazione di un particolare inquinante o gruppo di inquinanti nelle acque, nei sedimenti e nel biota che non deve essere superata, per tutelare la salute umana e l'ambiente;

11

SQA: Derivazione-Metodologia Obiettivi di Protezione Metodologia per la Derivazione degli SQA

Organismi Pelagici (inland waters)

Saggi biologici (acuti e cronici)

Fattori di sicurezza

QSAR

Organismi Pelagici ( marine waters)

Saggi biologici (acuti e cronici)

Fattori di sicurezza

QSAR

Organismi Bentonici Dati di tossicità benthos/metodo equilibrio

ripartizione

Top predators (es. mammiferi marini)

Dati Tossicità-NOAEL-uso di BCF e BMF

Salute Umana (consumo prodotti della

pesca)

Principio Dose Tollerabile Giornaliera

Salute Umana (consumo acqua potabile)

Direttiva Acqua Potabile-Criteri OMS

www.forum.europa.eu.int

Art.2 Environmental quality standards

MS (Stati Membri) devono garantire che le loro acque superficiali soddisfino gli EQS per le sostanze prioritarie

MS devono garantire che non vi sia deterioramento di sedimenti e biota

MS devono garantire che il biota soddisfi gli EQS

per

Esaclorobenzene

Esaclorobutadiene

Metil-mercurio

Annex I Parts A &B: EQS per acqua

AA-EQS: media aritmetica annuale (annual average)

MAC-EQS: massima concentrazione ammissibile (maximum allowable concentration)

Acque superficiali interne

Altre acque superficiali (costiere, transizione, ecc..)

Annex I Part C: Compliance with EQS

Inquinanti organici: concentrazione totale nel campione d’acqua («whole water» = disciolto + frazione sul particolato)

Metalli (Cd, Pb, Hg, Ni): solo frazione disciolta (filtrazione a 0,45 μm)

MS devono possono tenere conto delle concentrazioni naturali di fondo

(non è stato accettato il principio di additività)

Monitoraggio Chimico e Frequenze

Sostanze elenco di priorità scaricate nei bacini idrografici

(frequenza mensile in colonna d’acqua).

Inquinanti specifici (rilevanti a livello nazionale) scaricati in

quantità significative (frequenza trimestrale in colonna d’acqua)

Parametri Chimico-Fisici (es. nutrienti) (frequenza trimestrale)

Sedimenti e Biota: Frequenza almeno annuale

Analisi Tendenze (ogni 3 anni in sedimenti o biota)-uso rete

nucleo.

Quali metodi per il monitoraggio?

Direttiva 2000/60/CE

1.3.6. Norme per il monitoraggio degli elementi di qualità I metodi impiegati per il monitoraggio dei parametri tipo devono essere conformi alle norme internazionali sottoelencate (NORME CEN-ISO) ovvero ad altre norme nazionali o internazionali analoghe che assicurino dati comparabili ed equivalenti sotto il profilo della qualità scientifica.

COMMISSION DIRECTIVE 2009/90/EC

of 31 July 2009 laying down, pursuant to Directive 2000/60/EC of the European

Parliament and of the Council, technical specifications for chemical analysis and monitoring of water status

Stabilisce i requisiti minimi di qualità (minimum performance criteria) per i

metodi analitici usati da MS per il monitoraggio chimico

minimum performance criteria

U % (incertezza estesa relativa) = 50% (al livello di

EQS)

LOQ (limite di quantificazione) = 30% EQS

definiti secondo ISO-DIS 13530

Quali metodi?

Any analytical method selected for the purpose of monitoring under Article 8 and Annex V of the Directive 2000/60/EC shall meet minimum performance criteria

Annex V, paragraph 1.3.6, of Directive 2000/60/EC stipulates that methods used for the monitoring of type parameters shall conform to the international standards listed in that paragraph or such other national or international standards which will ensure the provision of data of an equivalent scientific quality and comparability;

Accordingly, analytical methods that are not standardised but provide data of equivalent or better scientific quality and comparability than standard methods listed in Annex V, paragraph 1.3.6, of the Directive 2000/60/EC may be used for the purpose of the monitoring programmes;

Vantaggi e svantaggi dei metodi standardizzati

Vantaggi

I metodi standard sono validati in prove interlab

Larga accettazione da parte delle istituzioni europee

Possono essere recepiti come standard nazionali

I metodi standard hanno carattere obbligatorio

Vantaggi e svantaggi dei metodi standardizzati

Vantaggi

I metodi standard sono validati in prove interlab

Larga accettazione da parte delle istituzioni europee

Possono essere recepiti come standard nazionali

I metodi standard hanno carattere obbligatorio

Svantaggi

La standardizzazione richiede molto tempo

I metodi standard rappresentano sempre un compromesso

I metodi standard non rappresentano sempre lo stato dell’arte

Mancano standard per biota

Standard per suolo da adattare per i sedimenti

• Esistono metodi standard nazionali e/o internazionali per tutte le sostanze prioritarie?

• I metodi disponibili rispettano i Minimum Performance Criteria?

• I metodi disponibili sono adatti all’analisi delle concentrazioni totali di campioni con elevati livelli di SPM?

Indagine su tutti i metodi standard disponibili

Esistono metodi standard per 32 dei 33 composti o gruppi di composti. Manca per cloroalcani C10-C13

Non tutti i metodi standard rispettano i requisiti di qualità tenendo conto degli EQS proposti

Nessun metodo è applicabile all’analisi di “whole water”

I metodi CEN-ISO

A = LLOA meets target LoQ criterion (VERDE)

B = LLOA does not meet target LoQ criterion but CMA survey indicated

that laboratories are able to meet target LoQ criterion (VERDE)

C = LLOA does not meet target LoQ criterion, only well-equipped

laboratories with highly qualified staff were able to meet target

LoQ criterion, there are certain limitations in applicability of the

standard (GIALLO)

D = Standard not sensitive enough for the analysis of other surface

waters (ROSSO)

Target LOQ (AA-

QS *0,3)

Target LOQ (AA-

QS *0,3)

for inland surface

waters [µg/l]

for other surface

waters [µg/l]inland surface

waters other surface waters

Alachlor1) EN ISO 6468:1996 GC/ECD 0,1 0,1 C C

Anthracene ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,03 0,03 A A

Atrazine EN ISO 11369:1997 HPLC/UV 0,1 0,18 0,18 A A

EN ISO 10695: 2000 GC/NPD (MS for conf.) 0,05 0,18 0,18 A A

Benzene EN ISO 15680:2003 Purge/Trap + Therm. Desorp. 0,01 3 2,4 A A

ISO 11423-1:1997 Headspace-GC/FID 2 A A

Cadmium and its compounds ISO 17294-2:2003 ICP-MS 0,5 0,024-0,075 0,06 B B

Chlorfenvinphos EN 12918:1999 GC 0,01 0,03 0,03 A A

Chlorpyrifos (-ethyl, -methyl) EN 12918:1999 GC 0,01 0,01 0,01 A A

1,2-Dichloroethane EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC 5 3 3 B B

EN ISO 15680:2003 Purge/Trap + Therm. Desorp. 0,01 A A

Dichloromethane EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 50 6 6 A A


Di(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP)2) ISO 18856:2004 GC/MS 0,02 0,390 0,390 C C

Diuron EN ISO 11369:1997 HPLC/UV 0,1 0,06 0,06 A A

Fluoranthene ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,03 0,03 A A

Hexachlorobutadiene1) EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 0,01 0,03 0,03 A A


EN ISO 6468:1996 GC/ECD C C

Hexachlorocyclohexane EN ISO 6468:1996 GC/ECD 0,01 0,006 0,0006 C D

Isoproturon EN ISO 11369:1997 HPLC/UV 0,1 0,1 0,1 A A

Lead and its compounds ISO 17294-2:2003 ICP-MS 0,1 2,2 2,2 A A

ISO 15586:2003 ET-AAS 10 B B

Mercury and its compounds EN 12338:1998 CV-AAS with Amalgamation 0,01 0,015 0,015 A A

EN 13506:2001 Atomic fluor. spectrometry 0,01 A A

Naphthalene ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,72 0,36 A A


Nickel and its compounds ISO 17294-2:2003 ICP-MS 1 6 6 A A

EN ISO 11885:2007 ICP-AES 2-5* A A

ISO 15586:2003 ET-AAS 7 B B

Nonylphenols3) ISO 18857-1:2005 GC/MS 0,005 0,090 0,090 C C

Octylphenol (4-(1,1,3,3)- Tetramethylbutylphenol ISO 18857-1:2005 GC/MS 0,005 0,03 0,003 A D

Pentachlorophenol EN 12673:1998 GC/ECD/MS after Deriv. 0,1 0,12 0,12 A A

Benzo(a)pyrene ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,015 0,015 C C

Benzo(b)fluoranthene4) ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,005 0,005 C C

Benzo(k)fluoranthene4) ISO 17993: 2002 HPLC/Fluo 0,01 0,005 0,005 C C

Simazine EN ISO 11369:1997 HPLC/UV 0,1 0,3 0,3 A A

EN ISO 10695: 2000 GC/MS or GC/NPD 0,05 A A

Trichlorobenzenes EN ISO 6468:1996 GC/ECD 0,01 0,12 0,12 A A


Trichloromethane EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 0,05 0,75 0,75 A A


Trifluralin EN ISO 10695: 2000 GC/MS or GC/ECD or GC/NPD 0,05 0,01 0,01 C C

DDT (4 Isomers)5) EN ISO 6468:1996 GC/ECD 0,01 0,008 0,008 C C

Tetrachloroethene EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 0,1 3 3 A A


Trichloroethene EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 0,05 3 3 A A


Trichloromethane EN ISO 10301:1997 GC or Headspace-GC-ECD or other 0,05 3 3 A A


Status

Priority Substance Standard Principle

LLOA

Standard

[µg/l]

Standard mancanti per PS

No. 5: Polibromodifenileteri (ISO!)

No. 7: C10-C13-chloroalkanes

No. 12: Di(2-etilesil)ftalato, DEHP (ISO non rispetta LOQ)

No. 24: Nonilfenoli (ISO non rispetta LOQ)

No. 25: Ottilfenoli (ISO non rispetta LOQ)

- Data 2000-2008

- Surface water

- 26 Member States + CH and NO

- 19 613 stations

- 5 water body types

- 545 387 sampling

- 14 567 816 analysis

- 1 168 substances

Revisione Sostanze Prioritarie

Source: GIS layer : Official WFD Districts

Matrici e frazioni (14 567 816 analysis)

14 567 816 analysis

Biota

0,4%

Sediment

6,3%

Water

93,3%


13 597 560 analysis

Whole water with no

separation of liquid and

SPM phases

30%

dissolved phase of water

sample

2%

Whole water with

determination on each

separate phase (sum of

al

68%


912 821 analysis

Fraction <63um

1,03%

Fraction <50um

0,20%

Fraction <2mm

(whole)

85,04%

Fraction <20um

13,72%


57 435 analysis

Fish Roe

0,01%

Molluscs Whole

7,98%

Fish Muscle

5,67%

Fish Liver

16,15%

Benthos Whole

17,52%

Macro Invertebrate

Whole

0,06%

Fish Whole

5,97%

Mussel Whole

46,64%

COM(2011) 876 final

Proposal for a

DIRECTIVE OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF

THE COUNCIL

amending Directives 2000/60/EC and 2008/105/EC

as regards priority substances in the field of

water policy

Nuove Sostanze Prioritarie Candidate

Bifenox (Herbicide)

Terbutryn (Triazine herbicide = algicide)

Cybutryne = Irgarol (Triazine herbicide = algicide)

Cypermethrin (Pyrethroide Insecticide)

Dichlorvos (Phospho-ester Insecticide)

Heptachlor (epoxide) (Insecticide)

Quinoxyfen (Fungicide)

Dicofol (Miticide)

Aclonifen (Herbicide)

Pesticidi

Hexabromocyclododecane (HBCDD) Brominated flame retardant

2,3,7,8-Tetrachlorodibenzodioxin

PCBs

PFOS Fluorosurfactant

POP

Diclofenac,

NSAID

17β-estradiol

Estradiol is the predominant sex hormone present in females 17a-ethinyl-estradiol

Contraceptive baby pill

Composti farmaceutici

AA-EQS per PS Candidati

Substance AA-EQS Substance AA-EQS

Aclonifen 0.12 mg/L (salt: 0.012) 17-alpha-ethinylestradiol 35 pg/L (salt: 3.5)

Bifenox 12.5 ng/L (salt: 1.25 ng/L) 17-beta-estradiol 0.4 ng/L (s: 40 pg/L)

Cyanides (free) 0.1 mg/L (salt: 0.01) Heptachlor / heptachlor epoxide 0.21 pg/L (s: 0.01)

Cybutryne (Irgarol) 2.5 ng/L HBCDD (Hexabromocyclododecane)1.6 ng/L (s: 0.8)

Cypermethrin 82 pg/L (salt: 8.2) Ibuprofen 10 ng/L

Dichlorvos 0.6 ng/L (salt: 60 pg/L) PFOS 0.65 ng/L (s:0.13)

Diclofenac 0.1 mg/L (salt: 0.01) Quinoxyfen 0.15 mg/L (s: 0.015)

Dicofol 0.15 ng/L (salt: 15 pg/L) Terbutryn 65 ng/L (s: 6.5)

Dioxin

Dioxin-like PCBs

PCBs (non-dioxin like)

Sostanza 2008/105/EC

(g/L)

Proposta COM(2011)

876

(g/L)

R

Acque

dolci

Acque

di mare

Acque

dolci

Acque

di mare

Difenileteri bromurati 5x10-4 2x10-4 4,9x10-8 2,4x10-9 10204 (83333)**

fluorantene 1x10-1 1x10-1 6,3x10-3 6,3x10-3 16

piombo 7,2 7,2 1,2* 1,3* 6 (5,5)**

naftalene 2,4 1,2 2 2 1,2 (0,6)**

nichel 20 20 4,0* 8,6* 5 (2,3)**

benzo(a)pirene 5x10-2 5x10-2 1,7x10-4 1,7x10-4 294

benzo(b)fluorantene = 3x10-2 = 3x10-2 1,7x10-4 1,7x10-4 176

benzo(k)fluorantene 1,7x10-4 1,7x10-4 176

benzo(g,h,i)-perilene = 2x10-3 = 2x10-3 1,7x10-4 1,7x10-4 12

Indeno(1,2,3-cd)-

pirene

1,7x10-4 1,7x10-4 12

Revisione EQS per sostanze prioritarie

Metodi Standard per i PS Candidati

Substance Standard Method Principle Matrix MQL

Aclonifen

Bifenox

Cyanides (free) ISO 14403:2009 Flow injection

Cybutryne = Irgarol

Cypermethrin EPA 1699 (2007) HRGC/HRMS Water, Solids, Tissue 66 pg/L; 2.4 ng/kg

Dichlorvos EPA 622 GC/FPD Water 0.1 g/L

Diclofenac

Dicofol

Dioxin EPA 1613; ISO 18073 HRGC/HRMS Water, Soil, Sediment, Sludge 10-50 pg/L; 1-5 ng/kg

17-alpha-ethinylestradiol EPA 1698 (2007) HRGC/HRMS Water, Soil, Sediment 0.1 ng/L; 10 ng/kg

17-beta-estradiol EPA 1698 (2007) HRGC/HRMS Water, Soil, Sediment 0.1 ng/L; 10 ng/kg

Heptachlor / heptachlor epoxide EPA 1699 (2007); 525-1 HRGC/HRMS Water, Solids, Tissue 7 pg/L; 0.3 ng/kg

HBCDD (Hexabromocyclododecane)

PFOS ISO 25101 (2009) LC-MS-MS Water 0.05 g/L

Quinoxyfen

Terbutryn EPA 619 GC/N detector Water 0.05 g/L

Ibuprofen EPA 1694 (2007) LC-MS-MS Water, Soil, Sediment 6 ng/L; 11 ng/g

Dioxin-like PCBs ISO 17858 (2007) HRGC/HRMS Waters and Wastewaters

PCBs (non-dioxin like) EPA 525-1, 608 GC/MS (ECD) Water 0.1 g/L

Novità Proposta Direttiva

SQA biota PS/PHS esistenti: Fluoranthene, PAHs, PBDEs.

SQA biota PS/PHS nuove prioritarie: Dicofol, PFOS, Dioxins and

dioxin-like PCBs, HBCDD, Heptachlor/heptachlor epoxide

La scelta della matrice è legata alla possibilità di ottemperare i criteri

QA/QC della Direttiva 2009/9/EC

Nuovi limiti piu restrittivi per alcune sostanze prioritarie esistenti (es.

PolyBDE).

SQA acque interne basato sulla frazione biodisponibile per nichel e

piombo.

Criticità Nuova Proposta

Disponibilità di strumentazione nelle agenzie regionali

Disponibilità di metodi validati (in conformità con i requisiti normativi)

anche per inquinanti emergenti

Analisi Biota-Indicatori per acque interne (fauna ittica?)

Il problema dell’analisi del “whole water”

Valutazione Biodisponibilità metalli

Le sostanze emergenti e la «Watch List»

Sostanze emergenti:

Sostanze che non sono regolate

….quindi non sono monitorate

….quindi non ci sono dati disponibili

….quindi non ci sono i dati per proporre la

prioritizzazione

Art 8b propone il meccanismo della «watch list»

Una lista dinamica di circa 25 sostanze da monitorare in 250

siti europei

Decisione collegiale tra gli Stati Membri

Il processo di prioritizzazione

Come scegliere gli INQUINANTI SPECIFICI DI

BACINO?

Oltre ai dati di produzione, usi ed emissione sono

necessari dati di monitoraggio

Necessità di metodi di screening

Metodi di screening

Target screening

Alta specificità

Alta sensibilità

Elevata produttività preparazione on-line – metodi multiresiduali

Non-target screening

Nessuna specificità

Alta probabilità di identificazione (nessun falso positivo) Spettrometria di massa ad alta risoluzione

Sensibilità sufficiente

INQUINANTI

EFFETTI

BIOLOGICI

MONITORAGGIO AMBIENTALE

monitoraggio

chimico,

bioassay

INQUINANTI

EFFETTI

BIOLOGICI

MONITORAGGIO AMBIENTALE

monitoraggio

chimico,

bioassay

TIE EDA

Toxicity

Identification

Evaluation

Effect Directed

Analysis

Complex

mixture

Fractionation Biological

analysis

Chemical

analysis Biological

analysis

Responsible

toxicant

EDA effect directed analysis

Complex

mixture

Fractionation Biological

analysis

Chemical

analysis Biological

analysis

Responsible

toxicant

EDA effect directed analysis

BIOMARKER

COMPORTAMENTO

MOLECOLA

BATTERIE DI TEST

Bioassays in vitro: sensibili,

specifici e rapidi, possono

essere di vari tipi (i.e.: Yeast

Estrogen Screen YES, Yeast

Androgen Screen YAS, Fish

hepatocyte assays)

BATTERIE DI COLONNE

Separazione delle sostanze in

base alle loro diverse

caratteristiche chimico-fisiche

TECNICHE DI RIVELAZIONE

MS AD ALTA RISOLUZIONE

per l’identificazione di

sostanze incognite

CONCLUSIONI

La nuova direttiva sulle PS pone delle richieste di

sensibilità molto elevate

Solo l’alta risoluzione in GC-MS e LC-MS permette

di rispondere ai requisitivi normativi

La spettrometria di massa ad alta risoluzione

permette anche il non-target screening

Il riconoscimento delle sostanze incognite è alla

base anche del monitoraggio «effect based»

Grazie per l’attenzione!

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