Development, Evaluation and Application of a Nested Exposure Assessment Model for Organic Contaminants in the Nordic and Arctic Region

Rasjonelle kontrolltiltak for å beskytte økosystemer i nordområdene våre mot skadelige effekter av persistente organiske miljøgifter krever kunnskap om sammenhenger mellom utslipp (kilder) og nivåer (eksponering). Gjennom dette prosjektet har vi oppnådd en bedre forståelse av hvordan ulike tilførsler, så som historiske utslipp, langtransport og nasjonale kilder, påvirker miljøgifteksponering i nordisk og Arktisk miljø. Dette har blitt studert ved å utvikle, evaluere og anvende en matematisk modell (NEM) for å beskrive spredning og akkumulering av miljøgifter, både for det fysiske og biotiske miljø. Prosjektet har blitt gjennomført i tett samarbeid mellom norske forskere og ledende fagmiljøer i Sverige, England og Canada. For det fysiske (abiotiske) miljø har vi utviklet en "nøstet" modell: Siden miljøgifter potensielt kan spres over hele kloden, så starter en simulering med å beregne spredning og fordeling av miljøgifter på global skala - men med grov oppløsning. Deretter simuleres stadig mindre regioner med stadig høyere oppløsning jo nærmere man kommer prosjektets interesseområde (Nordisk/Arktisk miljø), samtidig som videre simuleringer hele tiden tar hensyn til langtransporterte tilførsler av miljøgifter utenfra. NEM kan nå simulere domener helt ned mot 0.5°x0.5°. Underveis ble det klart at modellen vil få en langt større verdi om NEM ble utviklet slik at ikke bare Nordisk/Arktisk miljø kan simuleres med høyeste oppløsning, men hvilket som helst avgrenset område på kloden. Dette gir NEM et langt større potensiale med hensyn til framtidige anvendelsesområder, herunder videre internasjonalt forskningssamarbeid utover dette prosjektet som allerede er igangsatt. Vi har også gjennomført målinger og analyser av miljøgifter i luft fra både Europa og Norge, tilpasset modellstrategien. For Norges del utgjør dette den mest omfattende romlige kartlegging av organiske miljøgifter i luft hittil gjennomført. Det at vi har konsistente måledata fra både Europa og Norge er svært nyttig for (i) en empirisk evaluering av om langtransport kontra nasjonale kilder kontrollerer konsentrasjoner av miljøgifter i Norge, og (ii) en kritisk evaluering om modellen som utvikles i prosjektet gir en tilfredsstillende beskrivelse av observerte nivåer, romlig variabilitet, dominerende tilførsler og utvikling over tid. For den biotiske delen av modellen, har fokus vært rettet mot videreutvikling av den akvatiske næringskjeden som tidligere besto av en enkel pelagisk næringskjede. Denne inkluderer nå også en bentisk komponent. En evaluering av den nye bentopelagiske modellen tilsier at den er bedre til å reprodusere observasjoner av utvalgte polyklorerte bifenyler (PCB) enn den opprinnelige pelagiske modellen. Den nye modellen har blitt evaluert og anvendt for å få en forbedret forståelse av hvordan siloksaner (D4,D5,D6) oppfører seg i en akvatisk næringskjede i nordområdene. I tillegg har en Arktisk bioakkumuleringsmodell blitt videreutviklet spesielt for norsk-arktiske marine økosystemer. Den marine delen av modellen inkluderer nå tre typer zooplankton (copepoder, krill og amfipoder), fire fiskearter (sild, atlantisk torsk, lodde, og polartorsk), to marine pattedyr (ringsel og hvithval), og en migrerende sjøfugl (krykkje). I tillegg har modellen en terrestrisk modul bestående av lav og reinsdyr, samt en modul for human eksponering gjennom mat fra både marint og terrestrisk miljø. En selvstendig evaluering av bioakkumulerings-modellen på tvers av trofiske nivå har vist at modellen evner å reprodusere målte konsentrasjoner av PCB for de fleste organismer hittil inkludert. Vi har også koblet NEM-modulen for det fysiske miljøet sammen med bioakkumuleringsmodellen for å evaluere om den integrerte modellen reproduserer miljøgiftmålinger på tvers av både tid og rom. Evaluering av modellberegninger for den integrerte modellen viser at den reproduserer målte konsentrasjoner av PCB på tvers av tid, rom og arter. Dette innebærer at modellen gir en tilfredsstillende beskrivelse fra globale historiske utslipp, gjennom det fysiske miljø og gjennom næringskjeden i Kongsfjorden på Svalbard. NEM gir også en tilfredstillende beskrivelse av målinger for PCB-153 i sild og torsk fra norske marine områder i rom og i tid. Resultatene fra prosjektet demonstrerer at det er mulig å realistisk modellere sammenhenger mellom globale historiske utslipp og økosystemeksponering i norske og Arktiske områder. Det har vært betydelig populærvitenskapelig formidling fra prosjektet. Feltarbeidet og forskningen rundt dette vært presentert på ulike nettsteder som forskning.no, nilu.no, framsenteret.no samt i sosiale medier. Det har også vært reportasjer i ulike lokalaviser samt riksdekkende medier (Dagsavisen, nrk.no). Den flerfaglige modelltilnærmingen i dette prosjektet vært en katalysator for økt samarbeid og nye prosjekter innad ved Framsenteret i Tromsø, herunder basis for et større NFR-prosjekt (NFR #287114).

Prosjektet har ledet til økt tverrfaglig forskningssamarbeid, både nasjonalt og internasjonalt. Prosjektresultatene har også vært en forutsetning for flere nye forskningsprosjekter som allerede har startet. Resultatene vil kunne ha potensielle effekter på videreutvikling av rasjonelle kjemikaliestratagier for å beskytte mennesker og miljø mot helseskadelig stoffer.

It is well established Nordic and Arctic environments may be significantly exposed by long range transport (LRT) of various organic contaminants, e.g. Persistent Organic Pollutants (POPs). At the same time, several areas in our region are experiencing elevated levels of such contaminants, mainly attributed to local emissions (LE). Key examples are some coastal environments / lakes with consumption advisories on seafood / fish. To complicate matters, organic contaminants measured in the environment today may in part be due to primary emissions (PE) amenable to further control strategies, and in part be due to secondary emissions (SE) from contaminated reservoirs as polluted in the past. So far, no devoted and comprehensive study has been carried out to assess the relative significance of both LRT, LE, SE and PE in controlling exposure of both the physical and biotic environment, including potential shifts in burdens due to changes environmental and climatic conditions. This makes it difficult to provide decision makers with scientific advice concerning rational control strategies. In this project, we aim to elucidate how these factors affect environmental exposure in northern Europe by using a combination of modelling and measuring techniques. Specific, we aim to develop, apply and evaluate a nested exposure model for both the physical and biotic environment to confront, complement and expand on the insights obtained from observations alone. Passive air samplers will be used to map the influence of LRT vs LNE for a wide range of substances across Norway and we will also expand on the world's longest time trends of POPs in air and use data from environmental surface media to assess SE vs PE in controlling air trends within Norway and the UK. Our vision is to establish an operational exposure modelling tool for organic contaminants which could support both future research and chemical management strategies under changing climatic and environmental conditions.