Interferens ved bestemmelse af olie i jordprøver

Teknik og Administration Nr. 2 2001

INDHOLDSFORTEGNELSE

1. SAMMENFATNING OG ANBEFALINGER .....................................................................1

2. BAGGRUND ..................................................................................................................2

3. UNDERSØGELSEN........................................................................................................3

4. SPØRGESKEMAUNDERSØGELSE ................................................................................4

5. KILDER TIL BIOLOGISKE KULBRINTER ....................................................................7

6. METODER TIL AT SKELNE MELLEM KULBRINTE- BLANDINGER .............................8 6.1 n-alkaner .......................................................................................................................9 6.2 Isoprenoider ................................................................................................................10 6.3 UCM (Unresolved Complex Matter)............................................................................10 6.4 PAH ............................................................................................................................11 6.5 Biomarkører ................................................................................................................16 6.6 Pyrolyse-gaskromatografi ............................................................................................20 6.7 Oprensning ..................................................................................................................20 6.8 Isotopmåling................................................................................................................21 6.9 Statistik .......................................................................................................................23 7. SAMMENFATNING AF FORSLAG...............................................................................24 8. ANBEFALING AF FREMTIDIG PROCEDURE ..............................................................26 BILAG A Referencer

1. SAMMENFATNING OG ANBEFALINGER

Mulighederne for at skelne mellem kulbrinter af mineralolieoprindelse (petrogen oprindelse) el-ler stammende fra planterester (biogen oprindelse) i forbindelse med jordanalyser er forsøgt af-klaret i denne rapport. Rapporten er baseret på oplysninger indsamlet fra danske miljølaboratori-er og fra gennemgang af den tilgængelige videnskabelige litteratur omhandlende olieforureninger. Mere end 10 metoder til at bestemme kulbrinters oprindelse nævnes i litteratu-ren. 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 systemati-seres 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 klassificerings-grænser. 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 sik-kerhed 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 op-lysninger 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 sammensæt-ning vil tillige kunne benyttes til bedømmelse af eksempelvis nedbrydningsgraden af biologisk renset jord eller fastlæggelse af kilder til kulbrinteforureninger.

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 pro-blem 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 over-fladejord 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 kulbrinter-nes 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 oprindel-se.

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 hydro-carbon*, 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 spørgs-målet om, hvordan der skelnes mellem kulbrinteprodukter af forskellig oprindelse. En del artik-ler har vist sig ikke at være relevante, idet de handler om produkter svarende til naturgas, flygti-ge terpener og luftforurening. De anvendte artikler fremgår af referencelisten.

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 jordprø-

ver? • 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.

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) 20-50 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 olie-

produkter ?) 4 Nej 200-2000 5 Nej * 6 # 7 Nej 5-10 % af prø-

verne Ud fra kromatogrammets udseende og kulbrintefordeling kan rapporten påføres bemærkning om at laboratoriet skønner prø-ven indeholder naturligt forekommende kulbrinter

8 50-100 9 Spagnum kromatogram benyttes til sammenligning med prøven

GC-MS på ionerne 71 og 85, som er karakteristiske for de alifatiske fragmenter C5H11- og C6H13- 10 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 13C/12C isotoperne på enkeltkomponenter-ne, og det vil være velegnet til at skelne mellem kulbrinter af forskellig oprindelse.

11 Ja 4000-5000 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 samti-

dig 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 biolo-

gisk 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, 369-411 (1999)

Ingen laboratorier tilbyder at kvantificere indholdet af en blandingsforurening. Der er dog kom-met 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.

5. KILDER TIL BIOLOGISKE KULBRINTER

Der skelnes normalt mellem tre kilder til kulbrinter i miljøet: jordolie, forbrændingsrester for ek-sempel sod og stenkulstjære og endelig biologiske kilder. De tre kilder omtales ofte som hen-holdsvis 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 nedbryd-ning, for eksempel i nyere marine sedimenter. De biologiske kilder omfatter landplanter, phy-toplankton, dyr, bakterier, makroalger og mikroalger [2].

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 efterla-dende 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 kromato-grammerne ligner delvist nedbrudte, petrogene kulbrinter, og i øvrigt indeholder mange af kom-ponenterne 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 mine-ralolieprodukter 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 omhand-lende det store oliespil i 1989 fra skibet Exxon Valdez i Prince William Sound ud for Alaska. Her er der gennemført mere end 20.000 analyser på forskellige prøvetyper som sediment, olie-produkt, 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 infra-rød spektrofotometri (IR) [3,4] og fluorescens spektrofotometri [5]. For IR bestemmelserne gæl-der, at der skal benyttes fuldt halogenerede opløsningsmidler som freon 113 eller tetrachlor-methan for at kunne gennemføre målingen. Disse stoffer er uønskede enten pga. ozon ned-brydende 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 miljø-laboratorier.

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 typi-ske olieprodukter præget af, at to naboforbindelser i den homologe række, f.eks. n-C20 og n-C21, 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-C20 < n-C21. Landplanterne indeholder de længere alkaner, især C25, C27 og C29, mens det for phytoplankton især er C17. Dette har ført til en karakteriseringsform, hvor fordelingen mellem de lige og de ulige kæde-længder udtrykkes som CPI (Carbon Preference Index) [8,9], som kan beregnes efter følgende formler:

( )( ) ( )2220181620181614

211917152115

*2CCCCCCCC

CCCCCPI

++++++++++

=−

( )

( ) ( )34323028263230282624

33312927253325

*2CCCCCCCCCC

CCCCCCPI

+++++++++++++

=−

hvor eksempelvis C15 her repræsenterer koncentrationen af n-alkan C15. 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 CPI25-33 større end 1 vil indikere et bidrag fra jordlevende planter, mens et CPI15-21 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 ty-piske landplanter [10]. I ukomplicerede tilfælde uden forvitring vil der kunne foretages en identi-fikation 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 fyto-plankton 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-

tografisk uopløste forbindelser. Det vurderes, at bestemmelsen af CPI skal inddrages i vurderin-gen af, om der er tale om kulbrinter af biologisk oprindelse.

6.2 Isoprenoider

Blandt isopreoniderne er pristan (C19) og phytan (C20) de mest almindelige. De er til stede i næ-sten 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 mel-lem 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 indice-re et phytoplanktonbidrag. Der er naturlige kilder til både pristan og phytan [2]. Squalene, der er et C30 isoprenoid, som er allestedsnærværende i rigelige mængder i mikroalger, rapporteres fun-det 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 diastereo-merer påvises, er der tale om mineralolie. Når stofferne dannes biologisk, dannes kun en dia-stereomer, men under oliedannelsen omdannes denne til en blanding af de mulige diastereo-merer. 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 sam-menstillinger af forholdet mellem isoprenoiderne og n-alkanerne [13-17]: • pristan/phytan • pristan/n-C17

• phytan/n-C18 Larsen og Christensen [33] har publiceret en undersøgelse, som vurderer forholdet mellem iso-prenoiderne i 12 dieselspild med kendt alder. De opstiller en lineær sammenhæng mellem spil-dets alder og forholdet n-C17/pristan. Jo mere nedbrudt olie, jo lavere forhold. Endvidere foreslår de at aldersdatere andre dieselspild ud fra forholdet mellem nC17/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 mineral-olieforurening, 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 kromato-grammet 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].

I en blandingsforurening vil der kunne være mere end én UCM. I et eksempel anføres en beskri-velse som UCM1, maksimum nC14, med komponenter fra nC10 til nC22, og UCM2, maksimum nC29, med komponenter fra nC17 til nC38 [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 mine-ralolieforureninger.

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 ind-hold af methylerede PAH, mens der i tjæreprodukter og forbrændingsrester næsten udelukkende vil være de umethylerede, rene PAH-forbindelser. Petrogene PAH er karakteriseret ved højt ind-hold 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 fa-milie, 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-dibenzothio-phen-forbindelser. De methylerede PAH bestemmes ikke individuelt, idet summen af hver grup-pe 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 substitu-erede 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 bå-de 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 kro-matografi, 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 ek-sempel herpå med forskellige produkter er gengivet i figur 1, og et eksempel på et nedbryd-ningsforløb er gengivet i figur 2.

Familie Navn på gruppen Kode Antal ringe

Karakteristisk ion m/z

Naphtahlen * Naphthalen Methylnaphthalener Dimethylnaphthalener Trimethylnaphthalener Tetramethylnaphthalener

C0N C1N C2N C3N C4N

2 128 142 156 170 184

Phenantren * Phenanthren Methylphenanthrener Dimethylphenanthrener Trimethylphenanthrener Tetramethylphenanthrener

C0P C1P C2P C3P C4P

3 178 192 206 220 234

Dibenzothiophen Dibenzothiophen Methyldibenzothiophener Dimethyldibenzothiophener Trimethyldibenzothiophener

C0D C1D C2D C3D

3 184 198 212 226

Fluoren * Fluoren Methylfluorener Dimethylfluorener Trimethylfluorener

C0F C1F C2F C3F

3 166 180 194 208

Chrysen * Chrysen Methylchrysener Dimethylchrysener Trimethylchrysener

C0C C1C C2C C3C

4 228 242 256 270

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 *

2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 6 5 6

154 152 153 178 202 202 228 252 252 252 252 252 278 276 276

Tabel 2 Oversigt over de PAH-forbindelser, der kan benyttes til olieidentifikation * : EPA PAH, # : Mst. PAH

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

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-

gen af disse to karakteristiske fordelinger. Endvidere kan en forvitring af en mineralolie vurde-res. Forholdet mellem karakteristiske komponenter angives ofte for at kunne skelne mellem forskel-lige kilder, for eksempel forholdet mellem C2- eller C3-alkylerede dibenzothiopenerne og phe-nantrenerne, C2D/C2P og C3D/C3P [20]. Forholdet C2D/C2P har den fordel at være forholds-vist upåvirket af forvitring [19]. Endelig foreslår Wang [2] at sammenligne summen af de 5 alky-lerede 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 ad-skilles 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 forholds-vis 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, diben-zothiophen 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 (moderforbindel-ser). 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 bereg-ne 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 yderli-gere 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 bio-markørerne 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 mine-raloliebelastning. I andre, nyere sedimenter måles 0,5-0,7, hvilket indicerer belastning fra for-brændingsprocesser. 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 op-rindelse. 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-

produkter bedre kunne følges, og fastlæggelse af kilde til PAH forureninger vil kunne gen-nemføres. Den anførte beregning af koncentrationerne ud fra GC-MS-responset af moderfor-bindelsen [20] vil ifølge DHIs erfaringer ikke give et sandt billede, idet for eksempel 3,6 di-methylphenantren 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 oli-es 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 fremstil-lingsprocessen 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 an-vendt, 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 bio-markørerne, 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 spil-devandsslam 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 forure-ning med mineralolie. I en omfattende undersøgelse af kulbrinterne i San Francisco Bay [8] er der lavet nogle over-bevisende sammenhænge mellem sedimentets alder og forholdene mellem forskellige biomar-

kører, der indicerer stigende petrogen belastning i de nyere sedimentaflejringer. Blandt hopa-nerne 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.

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 forbin-delser. 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.

I en undersøgelse af sedimenter fra Australien [11] lykkes det at detektere ganske små mængder mineralolie (0,01 mg/kg) på trods af tilstedeværelsen af betydelige mængder af biogene forbin-delser. Her benyttes en sammenkædning af teknikker, hvor der blandt biomarkørerne fremhæves hopaner, hopener, steraner og diasteraner. Der nævnes et eksempel, hvor fragmentet med ion m/z 191 kun giver to hopaner, der begge markerer biologisk oprindelse og er til stede i betydelige mængder. Det er C30 hopen, diploten, hop-22(29)-en og C27 hopen, 22,29,30-trisnorhop-17(21)-en. Den første er tilstede i næsten alle sedimenter, mens den anden kun sjældent ses. En konkret procedure for beregningen af indholdet mineralolie fremgår ikke af artiklen. Tre plantebiomarkører er nævnt af Wang [2]. Det er 12-oleanene, 12-ursene og 3-fridelene, som alle er oleanforbindelser med en 6-ledet-ring som E-ringen, C30H50, se figur 4. Oleanerne og derivaterne heraf er den største gruppe af triterpenoider og findes i planteriget fortrinsvis i høje-restående planter. De kan identificeres som de øvrige hopaner ved 191 m/z. [2].

Figur 4 Strukturformel for de 3 oleaner, der er karakteristiske plantebiomarkører [2]. Da der blandt biomarkørene er nogle med en særlig stabilitet, ingen nedbrydning eller dannelse under biologisk behandling af jorden, er der blandt disse udpeget mulige interne massebalance-indikatorer. Eksempelvis foreslås [17,19] at bruge 17α(H), 21β(H)-hopan (C30). Wang [13] går videre og foreslår, at denne forbindelse benyttes til at bestemme den procentvise nedbrydning af olie ved at sammenholde koncentrationen af C30 i olien fra starten med koncentrationen af C30 i olien i den nedbrudte prøve. I lettere raffinerede olieprodukter, som dieselolie, hvor de forholds-vis tunge biomarkører ikke er til stede, kan C3- eller C4-alkyl-phenantren benyttes som alterna-tive ”interne standarder”. I begge beregninger kræves det dog, at koncentrationen af den interne standard er kendt i det oprindelige produkt, før den procentiske nedbrydning kan beregnes. End-videre vil der være en vis nedbrydning af selv disse stabile forbindelser, hvorved ned-brydningsgraden vil blive beregnet konservativt [19]. Ved en nedbrydning af en forurening med kun ét produkt vil dette forhold fastslå nedbrydnings-graden uafhængigt af koncentrationen i jorden. Ved en sammenblanding af mineralolie og andre kulbrinter vil forholdet ændre sig, så prøven vil fremtræde som mere nedbrudt end mineralolien reelt er. Det vurderes, at bestemmelse af biomarkørerne hopaner og steraner er en vigtig metode til af-grænsning af petrogene kulbrinter. Endvidere vil de kunne anvendes bredere i vurdering af ned-brydning af olieprodukter. Der er dog kun få rapporter om påvisningen af de markører, som skal benyttes til at påvise indhold af biogene kulbrinter. Den nødvendige viden forventes dog at være mulig at tilvejebringe ved nogle praktiske målinger på jordprøver med kendte indhold af naturli-ge kulbrinter.

6.6 Pyrolyse-gaskromatografi

Der foreligger en undersøgelse, som anfører, at pyrolyse-GC-FID direkte på jord kan differen-tiere mellem biogene kulbrinter og mineralolie [29]. Undersøgelsen er baseret på jordprøver fra 22 boreprofiler fra 12 lokaliteter i det nordlige Alaska. Her er der ikke kendskab til nogen mine-ralolieforurening, men prøverne udviser alligevel et positivt indhold ved almindelig gaskromato-grafisk analyse. Dette skyldes prøvernes naturlige indhold af organisk stof. Pyrolyse gennemføres ved at opvarme ca. 10 mg prøve ved 280 °C i ti minutter i en kvælstof-strøm for at fjerne kulbrinter fra prøven. Herefter opvarmes prøven til 700 °C, og dannede for-bindelser overføres til en GC-FID. De ved opvarmning dannede forbindelser er fortrinsvis alka-ner og alkener, der danner et karakteristisk parvist mønster. 34 forbindelser er mulige korrektører for biogen interferens. En tilsvarende metode med anvendelse af pyrolyse-GC-MS er beskrevet af en gruppe fra samme universitet [30]. Her måles der på tre dannede 1-alkener. Det er karakteristisk for begge pyrolysemetoderne, at de opvarmer prøven i nogle minutter, så de kulbrinter, der er i det organiske stof, og som giver anledning til interferens, dampes af inden py-rolysen. Derfor kan de kulbrinter, som dannes ved pyrolysen, bestemmes som ”oliekomponen-ter”. Interferensen måles således ved en indirekte teknik, som baseres på, at koncentrationen af interfererende stoffer er proportional med mængden af ”olie-komponenter”, som kan dannes ved pyrolyse. Det vurderes, at pyrolyse-gaskromatografi kræver ensartede jordprøver, altså ens type biogent materiale, for at opnå de overbevisende resultater, som forfatterne fremlægger.

6.7 Oprensning

De interferenser, der ses ved de almindelige olieanalyser, afhænger af den analysemetode, der er anvendt. I den i Danmark anvendte metode med pentanekstraktion og GC-FID er der ingen op-rensning af ekstraktet inden bestemmelsen. Dog er pentan et meget apolært opløsningsmiddel, så mere polære stoffer ekstraheres og bestemmes ikke. I andre metoder anvendes mere polære eks-traktionsmidler, som vil medføre et højere udbytte også af mere polære forbindelser i prøven. I en konkret undersøgelse [31] udnævnes pentan til at være det opløsningsmiddel, som ekstaherer flest kulbrinter og færrest ikke-kulbrinter fra vandprøver. Endvidere anbefales oprensning med Florisil til alkaner, mens der er et tab af alkyl-naphthalen, når der efterfølgende elueres udeluk-kende med pentan. Med en oprensning af ekstraktet ved hjælp af silica, alumina eller Florisil kan de polære for-bindelser fjernes selektivt. Da de biogene interferenser består af polære, semipolære og apolære forbindelser, vil ingen oprensning alene fjerne alle de biogene interferenser, idet et universelt op-rensningsmateriale ikke findes. Endvidere indeholder råolie 10-20 % semipolære forbindelser [29]. Derfor er en oprensning ikke alene vejen til elimination af biogene interferenser. En analysemetode til bestemmelse af kulbrinter i jord med oprensning med Florisil til fjernelse af polære kulbrinter er udarbejdet af ISO [34], og denne metode anbefales i en rapport fra Miljø-styrelsens Referencelaboratorium for Kemiske Miljøanalyser som kandidatmetode til fremtidig analyse for tunge kulbrinter i jord [35].

I hovedparten af de rapporterede undersøgelser er der foretaget en fraktionering af indholdet af det ekstraherbare stof i 3 fraktioner: Mættede kulbrinter, typisk n-alkanerne, men også isoprenoiderne, hopaner og steraraner Aromatiske kulbrinter, typisk PAH Polære organiske forbindelser, typisk fedt, phenoler og organiske syrer. Selve fraktioneringen foretages typisk ved hjælp af en lille kolonne med et oprensningsmateriale som eksempelvis Florisil. Her ledes f.eks. et hexanekstrakt igennem, og der skylles med yder-ligere hexan. De mættede kulbrinter vil befinde sig i denne upolære fraktion, som passerer ko-lonnen med hexanen. Herefter skylles kolonnen med en mere polær opløsning, f.eks. 20 % tolu-en i hexan, og de svagt polære aromatiske kulbrinter elueres. Resten på kolonnen er så de polære forbindelser, der vil kunne elueres ud med en polært solvent som metanol. Kun de to første frak-tioner analyseres normalt ved GC. Fordelene ved sådan en oprensning er flere: Reelt er det kun de to første fraktioner, som er kulbrinter, og som skal omfattes af en bestemmel-se af indhold af kulbrinter. Dette er en tilnærmelse, idet råolie også indeholder et mindre indhold af polære forbindelser, men i miljøprøver er der ofte mange andre polære forbindelser, der ikke skal omfattes af bestemmelsen af olie. Oprensede fraktioner, der skal analyseres ved gaskromatografi, udviser et renere, mere tydeligt billede, når polære komponenter er fjernet, hvilket letter tolkningen. Jo bedre separation af toppene i et kromatogram, jo bedre bliver bestemmelsen og dermed detek-tonsgrænsen. Gaskromatografen arbejder mere stabilt, når de mest polære forbindelser ikke bliver injiceret i instrumentet, idet aflejringen af urenheder i injektionssystemet reduceres og der forekommer mindre overførsel fra én injektion til den næste. Det er en klar konklusion, at der skal beskrives en standardiseret oprensningsprocedure til brug i forbindelse med karakterisering af kulbrinteindhold i jord. En del af de forbindelser, der be-stemmes med den i Danmark anvendte metode, vil hidrøre fra polære forbindelser, hvis de er til stede i jorden.

6.8 Isotopmåling

Målingen af fordelingen mellem de stabile kulstofisotoper 13C og 12C er benyttet til at karakte-risere oprindelsen af olieprodukter. Princippet er baseret på en forbrænding af prøven til CO2 fulgt af massespektrometrisk bestemmelse af det relative forhold af dannet 44CO2, 45CO2 og 46CO2. Der korrigeres herefter for indholdet af 17O, og forholdet 13C/12C beregnes forholds-vist til en standard Cretaceous peedee belimnite (PDB), udtrykkes som ‰ δ13C. Olie vil normalt være af marin oprindelse og har derfor et andet kulstofisotopforhold end terre-strisk materiale. For organisk materiale associeres δ13C-værdier på fra -22‰ til -24‰ normalt med marint materiale, mens terrestrisk materiale sædvanligvis har δ13C-værdier fra -24‰ til -28‰. I en undersøgelse af sedimentet i en Mexicansk flod er der bestemt flere sammenhænge, og her blev bulk δ13C-bestemmelsen også inddraget. Her sås der ingen variation mellem stationerne for

denne parameter Resultaterne ved bestemmelse af steraner og hopaner viste i overensstemmelse hermed, at der var tale om samme petrogene kilder [16]. Sauer [20] referer en undersøgelse, hvor 621 råolieprøver blev undersøgt som bulk-målinger og opdelt i 3 intervaller: δ13C > -23,5 ‰ marin skifferolie af miocen oprindelse -23,5 til -28,0 ‰ mexozoic karbonat olie eller deltaolie af delvist terrestrisk oprindelse -28,0 til -32,0 ‰ præ-oligocen marin skifferolie Wang [2] fremhæver en undersøgelse i forbindelse med Exxon Valdez, hvor kilderne fordeles i forskellige intervaller: Katalla seep oil (baggrund) -25,7 ‰ Exxon Valdez -29,4+0,4 ‰ North Slope oil -29,2 til -29,5 ‰ Monterey type -23,7+0,2 ‰ På grund af den brede spredning af δ13C-værdierne i det samlede olieprodukt, hvor målinger dækker både det marine og det terrestrisk interval for organisk materiale, er δ13C- bestemmelse direkte på olieproduktet ikke anvendelig til at skelne imellem petrogene kulbrinter og jords bio-gene kulbrinter med primært terrestrisk oprindelse. I flere nyere undersøgelser anvendes en mere sofistikeret analyseteknik, gaskromatografi med isotopforholds massespektrometri, GC-IRMS. Her kan forholdet mellem de stabile kulstofiso-toper bestemmes i forbindelse med den gaskromatografiske separation, og de enkelte for-bindelser kan hermed karakteriseres med hensyn til kulstofisotopsammensætningen. Mansuy [7] foreslår, at GC-IRMS anvendes til at supplere de etablerede GC- og GC-MS- under-søgelser. Han konstaterer, at isotop sammensætningen for forvitret olie ikke ændrer sig, når der vurderes på de enkelte forbindelser, mens en bulk-måling af prøvens samlede δ13C viser æn-dringer, idet udvaskning af lette aromater og nedbrydning af alifater vil kunne påvirke bulk-resultatet. Han påviser, at de specifikke forbindelser ikke ændrer isotopsammensætning afhæn-gigt af udvaskning og nedbrydning. Bestemmelsen af δ13C generes, hvis komponenterne befin-der sig i UCM, hvor der ikke vil kunne separeres ordentligt fra baggrunden. I en review artikel om oliekildeidentifikation og –teknikker hertil som opfølgning af Exxon Val-dez- ulykken i 1989 er der nævnt nogle lovende teknikker, som vil kunne give yderligere oplys-ninger. Her nævnes GC-IRMS-bestemmelse af isotopforskellene mellem de alkylerede aromati-ske forbindelser, og disse forskelle er stabile over for forvitring. Sammenligning af individuelle forbindelsers δ13C og alkyl/PAH isomere foreslås som den næste generations fingerprinting [23]. Whitaker [17] referer en enkelt undersøgelse, hvor søsedimenter og blade fra de omkringstående træer har kunnet sammenkædes ved målinger af δ13C på alifaterne, idet bladene havde δ13C-værdier fra –30,1 til – 38,7 ‰ og sedimentet fra –30,1 til –35,9 ‰. Generelt er de fleste resulta-ter knyttet til oliens hovedkomponenter, n-alkanerne, [32]. Ved bestemmelse af δ13C i biomar-kørerne, terpenoider er der langt større forskelle afhængigt af modenhed sammenlignet med de mættede kulbrinter. Det gør bestemmelser mindre anvendelige som diagnostiske indikatorer

[17]. I en australsk undersøgelse af forskellige rå-olier lå n-alkanerne for forskellige typer fra –20 til –30 ‰ mens de tricykliske biomarkører lå fra – 6 til –12 ‰ [14]. En af problemerne med anvendelsen af isotop-ratio-gaskromatografi er analyseusikkerheden. Specielt ved måling på prøver med et stort indhold af UCM, kromatografisk uopløselige forbin-delser, vil der være større usikkerhed på bestemmelserne, rapporteret til 2-4 ‰ point. Det er så nødvendigt med sofistikerede baggrundskorrektioner, oprensninger eller andre teknikker. Sauer [20] ser frem til, at en kombination af GC-IRMS og –traditionel-MS kan forene isotopsammen-sætningen med bestemmelsen af komponent klasser og biomarkører. Det vil være et brugbart til belysningen af kildeoprindelse og nedbrydning af oliespild i jordmiljøet. Sammenfattende for isotop-ratio-gaskromatografi til at identificere forskellige kulbrinters oprin-delse til petrogen eller biogene kilder kan anføres: at der ikke er fremkommet særlige oplysninger om nutidigt plantemateriale at de mest omfattende data er på n-alkaner, som hurtigt nedbrydes at de målte biomarkører afviger i δ13 fra n-alkanerne i samme olie, hvormed resultaterne er van-skeligere at benytte, når δ13 ikke er ensartet inden for produktet at der er ikke tilstrækkelig forskel mellem δ13C-intervallerne for biogene og petrogene kulbrin-ter. Der er ikke fremkommet resultater, der dokumenterer, at teknikken er klar til kvantifikation af biologisk materiale i forhold til petrogene kulbrinter.

6.9 Statistik

Flere forfattere anfører sofistikeret statistisk analyse som et ny og dynamisk element i oliespilds-identifikationen [2]. Der nævnes Principal Component Analysis (PCA), som er en multivariat statistisk analyse på alle de målte data [2,22]. Det anføres, at det er vigtigt, at alle informationer er til stede, inden den statistiske beregning gennemføres, for ikke at drage misledende konklu-sioner. Q-faktor-analyse og Linear Programming Technique (LPT) anvendes til at beskrive multivariate datasæt i nogle få faktorer, som bidrager til variation inden for hvert datasæt [15]. Kemometriske metoder er teknikker til at systematisere et stort datamateriale og til at udlede kvantitativ angivelse af for eksempel forholdet imellem petrogen og biogen oprindelse af et målt kulbrinteindhold. Styrken af et resulterende kvantitativt udsagn afhænger af indikatorværdien af de data, som behandles statistisk, samt af kvaliteten af data. Dette er i overensstemmelse med én af kommentarerne fra de danske laboratorier, hvor der foreslås kemometriske metoder til håndte-ring af de mange data på hver prøve. De tilgængelige oplysninger på nuværende tidspunkt tilla-der ikke en klar identifikation af de datatyper, som vil kunne give en tilstrækkelig holdbar kvan-tificering.

7. SAMMENFATNING AF FORSLAG

De forslag til at skelne mellem kulbrinter af biogen og petrogen oprindelse, som vil være rea-listiske at implementere i de danske miljølaboratorier ud fra tilgængelige teknikker, rutiner og udstyr, kan sammenfattes som følger. Sammenligning af en muligt forurenet prøves indhold af kulbrinter med indholdet i en bag-grundsprøve fra samme lokalitet med samme indhold af naturligt organisk stof (NOM) og ma-trix, men uden indhold af mineralolie. Yderligere information kan opnås, hvis en prøve af det olieprodukt, der udgør forureningen, kan analyseres. Rutinemæssig GC-FID analyse: Ud fra alkanerne beregnes CPI15-21 og CPI25-33, idet overvægt af ulige n-alkaner skyldes plan-temateriale Ud fra isoprenoiderne beregnes forholdene Pr/Ph, Pr/C17 og Ph/C18, idet pristan og phytan pri-mært skyldes mineralolie Ud fra UCM, Unresolved Chromatographic Matter, beregnes forholdet mellem kromatografisk opløste toppe og den kromatografisk uopløste bule, idet UCM kan henføres til mineralolie Ud fra visuel bedømmelse af kromatogrammet udpeges om muligt karakteristiske ikke-petrogene forbindelser Polære forbindelser af primært biogen oprindelse kan fjernes med oprensning, for eksempel med Florisil. Supplerende GC-MS analyse for PAH: Indholdet af tungere PAH-forbindelser, som kun i begrænset omfang vil forekomme i mineral-olie, men enten være pyrogene eller biogene, bestemmes. Indholdet kan udtrykkes relativt til summen af PAH Forholdet mellem de 5 alkylerede PAH familier og de 3-6 ringede usubstituerede PAH bestem-mes. Et højt indhold af de 5 alkylerede PAH vil indikere mineralolie Forholdet mellem de 3-5 ringede usubstituerede PAH og summen af alle PAH bestemmes. Et højt indhold af de 3-5 ringede usubstituerede PAH vil indikere pyrogen oprindelse, inklusive stenkulstjære Forholdet mellem summen af methyl-phenanthrenerne og phenantren benyttes til at fastlægge nedbrydningsgraden af mineralolie, idet phenantren nedbrydes hurtigst. Til at følge nedbrydningsgraden kan koncentrationen af C3 + C4-phenantrener i olien bestemt i en given prøve og sammenholdes med den tilsvarende koncentration i det oprindelige produkt. Supplerende GC-MS analyse for biomarkører: De petrogene biomarkører hopaner (m/z 191) og steraner (m/z 217) bestemmes. Forholdet mellem de isomere homohopaner S/(S+R) og mellem C29 steraner S/(S+R) bestem-mes og vil være højere ved petrogen belastning, op til 0,5 ved udelukkende petrogene kulbrinter De biogene biomarkører: de 3 oleaner: 12-oleanene, 12-ursene og 3-fridelene, C30H50 samt diploten bestemmes Forholdet mellem hopanerne Tm/Ts bestemmes og vil være højere for biogene kulbrinter Forholdet mellem hopanerne Te/(Ts + Tm) bestemmes og vil være højere for biogene kulbrinter Til at følge nedbrydningsgraden kan koncentrationen af hopan C30 i olien bestemt i en given prøve sammenholdes med den tilsvarende koncentration i det oprindelige produkt.

Som en teknik, der med fordel kan udvikles i forskningssammenhæng med henblik på anven-delse på længere sigt, kan nævnes bestemmelse udfra GC-IRMS af isotopforholdet δ13, det mel-lem kulstofisotoperne C12 og C13, i det samlede olieindhold eller i de enkelte forbindelser i oli-en. Tillige kan en udvikling af kemometrisk teknik til behandling af de komplekse datasæt for indikatorparametre for biogen/petrogen oprindelse på længere sigt operationalisere egentlig kvantitativ tolkning af de kemiske målinger.

8. ANBEFALING AF FREMTIDIG PROCEDURE

En mulig trinvis procedure til fremtidig anvendelse baseret på de principper og eksempler, der er anført i de studerede artikler, kan foreslås. I udarbejdelsen af forslaget er inddraget de oplysnin-ger, der er kommet frem i spørgeundersøgelsen blandt danske miljølaboratorier, samt den prakti-ske anvendelighed i danske miljølaboratorier. Der forventes at være flere niveauer i en sådan bedømmelse startende med det mest simple og sluttende med en mere specialiseret undersøgelse. Behovet for at gå til et mere avanceret under-søgelsestrin vil blandt andet afhænge af mængden af forurenet jord, samt bortskaffelsesmulig-hederne i den given situation. I forbindelse med hvert niveau besluttes, om der er tilstrækkelig dokumentation til at afklare den enkelte situation, eller om der skal gås videre med næste niveau. Endvidere skal det inddrages, om det er rimeligt at benytte det næste niveau, eksempelvis om kulbrinteproduktets kogepunktsinterval er foreneligt med en undersøgelse for hopaner og stera-ner. Generelt gælder, at det vil styrke beslutningsprocessen på hvert trin, hvis der kan medanalyseres uforurenet baggrundsmateriale og det forurenende produkt, ligesom flere prøver fra samme loka-litet vil medvirke til at bestyrke validiteten af de målte resultater. I de fleste tilfælde vil den almindelige GC-FID-undersøgelse afsluttes med en kommentar som ”produktet svarer til dieselolie”. Hvis konklusionen er ”produktet har ikke en sammensætning, der svarer til almindeligt forekommende olieprodukter” overvejes overgang til trin 2. I en efterfølgende vurdering besluttes udfra tilgængelige oplysninger om prøvens oprindelse, geologiske beskrivelse og kemiske mål for indhold af organisk stof (total ekstraherbart stof, glø-detab og TOC) om en biogen oprindelse er sandsynlig. Derefter bestemmes udfra den oprindeli-ge GC-FID-analyse CPI i de to intervaller 15-21 og 25-33 svarende til marint og terrestrisk plan-temateriale, isoprenoidforholdene Pr/C17 Ph/C18 og Pr/Ph bestemmes, og endelig bestemmes forholdet mellem kromatografisk opløste toppe mod kromatografisk uopløst materiale (UCM). Andre forhold inddrages her, hvis det er muligt, for eksempel synlige tegn på PAH eller tydelig lighed med kendte biogene eller petrogene prøver. Hvis der ikke foreligger tilstrækkelige infor-mationer til at afgøre petrogen/biogen oprindelse af målte kulbrinter, kan der gås videre til trin 3. Yderligere undersøgelser vil kræve en ny prøve, som ekstraheres med oprensning af ekstraktet, hvorved polære, primært biogene kulbrinter fjernes. Her skal der analyseres for kulbrinter ved GC-FID i det oprensede ekstrakt. Hvis indholdet af kulbrinter i det oprensede ekstrakt fortsat øn-skes vurderet som biogent eller petrogent, fortsættes i trin 4 Det oprensede ekstrakt analyseres ved GC-MS: Der analyseres for n-alkaner, isoprenoider, hopaner og steraner. På baggrund heraf bestemmes CPI i de to intervaller 15-21 og 25-33, samt isoprenoidforholdene Pr/C17 Ph/C18 og Pr/Ph, så-fremt forbindelserne ikke har været tydelige nok ved GC-FID. Endvidere bestemmes, om hopa-nerne og steranerne kan tilordnes mineralolie eller biologisk materiale udtrykt ved forholdene mellem karakteristiske biomarkører. Der analyseres for PAH inklusive de alkylerede PAH og perylen. De forskellige forhold mellem de alkylerede PAH og de usubstituerede PAH bestemmes og tolkes i forhold til biogen/petrogen oprindelse af målte kulbrinter.

Med den beskrevne undersøgelsesstrategi vil det ikke være muligt på baggrund af én jordprøve kvantitativt at opdele en kompleks forurening i en petrogen og en biogen del. Derudover vil de anførte parametre til vurdering kunne beskrive fordelingen kvalitativt udfra afvigelser fra en kendt referenceværdi, men stadig må det forventes, at der skal bestemmes flere forskellige para-metre, før de tilsammen vil kunne give et anvendeligt svar på spørgsmålet: overvejende biogene eller overvejende petrogene kulbrinter i denne prøve. Forudsætningen for at kunne bruge undersøgelsesstrategien rutinemæssigt er gennemførelse af følgende udviklingskomponenter: standardisering af kvantificering af CPI, UCM og isoprenoidforhold fra rutine GC-FID kørsler standardisering og afprøvning af oprensningsmetode til fjernelse af polære kulbrinter udvikling af standardiseret metode til GC-MS-bestemmelse af PAH gruppen (bredere end stan-dard PAH analyse) og af biomarkører opstilling af klassificeringsgrænser for beregnede indikatorforhold udfra måling på et større antal jordprøver med bred repræsentativitet afprøvning af samlet undersøgelsesstrategi på repræsentative jordprøver. I forskningssammenhæng og med henblik på mere langsigtet anvendelse anbefales at arbejde for udvikling af egentlige kvantitative metoder.

Bilag A

Referencer

1. DHI. Bestemmelse af olie i jord, gaskromatografisk metode. 1998.

2. Zhendi Wang, Merv Fingas, David S.Page: Oil spill identification. Journal of Chromatog-raphy A 1999;843:369-411.

3. Hubert Hellmann: Advances in Hydrocarbon Analysis: What is of Recent Biogenic Origin and what is Mineral Oil DGM 36 1992;31-32.

4. Hubert Hellmann: Kohlenwassserstoffe in Luftstaub und Niederschlag - Mineralöle oder Naturstoffe. Staub, Reinhaltung der Luft 1992;52:157-161.

5. Hubert Hellmann: Zur Unterscheidung von biogenen und mineralöbürtigen Aromaten durch Fluorescenzspektroskopie. Z.Anal.Chem.Band 1974;272.

6. Dawn A.Zano, Karen A.Synowiec: TPH Detections in groundwater: Identification and elimination of positive interferences. 2001, pp 257-271.

7. Paul T.Sun, Cheerie L.Price, Joseph C.Raia, et al: Anomalies in Oil and Grease Analyses of Petroleum Wastewaters and Their Implications 19 A.D., pp 151-?

8. Frances D.Hostettler, Wilfred E.Pereira, Keith A.Kvenvolden, et al: A record of hydrocar-bon input to San Francisco Bay as traced by biomarker profiles in surface sediment and sediment cores. Marine Chemistry 1999;64:115-127.

9. James S.Latimer, James G.Quinn: Aliphatic Petroleum and Biogenic Hydrocarbons Enter-ing Narragansett Bay from Tributaries Under Dry Weather Conditions. Estuaries 1998;21:91-107.

10. Chr.Rübelt: Differenzierung zwischen Mineralölprodukten und Kohlenwasserstoffen bio-genen Ursprungs bei Mineralölschadensfällen. Haus der Technik Vortragsveröffentlichun-gen 1970;231:65-78.

11. John K.Volkman, Daniel G.Holdsworth, Glen P.Neill, et al: Identification of natural, an-thropogenic and petroleum hydrocarbons in aquatic sediments. The Science of the Total Environment 1992;112:203-219.

12. B.P.Tissot, D.H.Welte: Petroleum Formation and Occurence. 1984.

13. Zhendi Wang, Merv Fingas: Developments in the analysis of petroleum hydrocarbons in oils, petroleum products and oil-spill-related environmental samples by gas chromatogra-phy. Review. Journal of Chromatography A 1997;774:51-78.

14. A.T.Revill, J.K.Volkman, T.O'Leary, et al: Hydrocarbon biomarkers, thermal maturity, and deposital setting of tasmanite oil shales from Tasmania, Australia. Geochimica et Cosmo-chimica Acta 1994;58:3803-3822.

15. Tarek A.T.Aboul-Kassim, Bernd R.T.Simonett: Petroleum Hydrocarbon Fingerprinting and Sediment Transport Assessed by Molecular Biomarkers and Multivariate Statistical Analy-ses in the Eastern Harbour of Alexandria, Egypt. Marine Pollution Bulletin 1995;30:63-73.

16. A.Farrán, J.Grimalt, J.Albaigés, et al: Assessment of Petroleum Pollution in a Mexicn River by Molecular Markers and Carbon Isotope Ratios. Marine Pollution Bulletin 1987;18:284-289.

17. Martin Whitaaker, Simon J.T.Pollard, Tony E.Vallick: Characterization of Refractory Wastes at Heavy Oil-Contaminated Sites: A Review of Conventional and Novel Analytical Methods. Environment Technology 1995;16:1009-1033.

18. Zhendi Wang, Merv Fingas, Gary Sergy: Study of 22-Year-Old Arrow Oil Samples Using Biomarker Compounds by GC/MS. Environ.Sci.Technol. 1994;28:1733-1746.

19. A.E.Bence, K.A.Kvenvolden, M.C.Kennicutt I: Organic geochemistry applied to environ-mental assessments of Prince William Sound, Alaska, after the Exxon Valdez oil spill - a review. Org.Geochem. 1996;24:7-42.

20. Theodor C.Sauer, John S.Brown, Paul D.Boehm, et al: Hydrocarbon Source Identification and Weathering Characterization of Intertidal and Subdidal Sediments Along the Saudi Arabian Coast after the Gulf Wat Oil Spil. Marine Pollution Bulletin 1993;27:117-134.

21. Zhendi Wang, Merv Fingas: Use of Methyldibenzothiophenes as Markers for Differentia-tion and Source Identification of Crude and Weathered Oils. Environ.Sci.Technol. 1995;29:2842-2849.

22. Paul D.Boehm, Gregory S.Douglas, William A.Burns, et al: Application of Petroleum Hy-drocarbon Chemical Fingerprinting and Allocation Techniques after the Exxon Valdez Oil Spill. Marine Pollution Bulletin 1997;34:599-613.

23. D.S.Page, Paul D.Boehm, G.S.Douglas, et al: Identification og hydrocarbon Sources in the Benthic Sediments of Prince William Sound and the Gulf of Alaska Following the Exxon Valdez Oil Spill; in Peter G.Wells, James N.Butler, Jane S.Huges (eds): Exxon Valdez Oil Spill: Fate and Effects in Alaskan Waters. ASTM, 1995, pp 41-83.

24. Wilfred E.Pereira, Frances D.Hostettler, Samuel N.Luoma, et al: Sedimentary record of anthropogenic and biogenic polycyclic aromatic hydrocarbons in San Francisco Bay, Cali-fornia. Marine Chemistry 1999;64:99-113.

25. Euripides G.Stephanou, Nicolaos E.Stratigakis: Determination of anthropogenic and bio-genic organic compounds on airborne particles: flash chromatographic fraction and capil-lary gas chromatographic analysis. Journal of Chromatography 1993;644:141-151.

26. H.Hellmann: Zur Herkunft von Kohlenwasserstoffen in Sedimenten19 A.D.

27. Nordtest. Oil Spill Identification. Nordtest. Nordtest Method, NT CHEM 001, 1-Slut. 1991. Ref Type: Report.

28. C.Payet, C.Bryselbout, J.-L.Morel, et al: Fossil Fuel Biomarkers in Sewage Sludge: Envi-ronmental Significance. Naturwissenschaften 1999;86:484-488.

29. D.Sarah Garland, Daniel M.White, Craig R.Woolard: Pyrolysis-GC/FID Test for Biogenic Interference in Contaminated Soil. Journal of Cold Regions Engineering 2000;14:1-12.

30. Daniel M.White, Juan Luong, Robert L.Irvine: Pyrolysis-GC/MS Analysis of Contami-nated Soils in Alaska. Journal of Cold Regions Engineering 1998;12:1-10.

31. Laurence Mansuy, R.Paul Philip, Jon Allen: Source Identification of Oil Spills Based on the Isotopic Composition of Individual Components In Weathered Oil Samples. Envi-ron.Sci.Technol. 1997;31:3417-3425.

32. R.Paul Philip, Jon Allen: Development of gas chromatography-isotope ratio mass spec-trometry (GCIRMS) as an ancillary technique for tracking, monitoring and determination of the origin of hydrocarbon spills in the environment; A.D., pp 85-100.

33. Christensen L. B., Larsen T. H. Method for determining the age of diesel oil spills in the soil. Ground Water Monitoring Review. 1993; 13(4) 142-149.

34. ISO/CD 16703 Soil Quality – Determination of Mineral Oil Content by Gas Chromatogra-phy – 2000-03-14 (FORSLAG).

35. DHI, Miljøstyrelsens Referencelaboratorium for Miljøanalyser. Bestemmelse af tungtflyg-tige kulbrinter i jord - Muligheder og begrænsninger ved nuværende metode og alternati-ver. Notat til Miljøstyrelsen, december 2000.