Occurrence of emerging pollutants in waste electrical and electronic equipment (WEEE) and sewage sludge from Norway

Abstract

Benzotriazoles (BTRs) and benzothiazoles (BTHs) are emerging pollutants ubiquitous in the environment due to their high production and wide use in industries and households. However, little information about their occurrence in the environment is available. In this project, the occurrence of 7 benzotriazoles, in particular, 1H-benzotriazole (BTR), xyliltriazole (XTR), 5-amino-benzotriazole (5-ABTR), 5-chlorobenzotriazole (5-Cl-BTR), 1-hydroxybenzotriazole (1-OH-BTR), benzotriazole-5-carboxylic acid (BTR-COOH) and tolyltriazole (TTR); and 9 benzothiazoles, i.e., benzothiazole (BTH), 2-amino-benzothiazole (2-ABTH), 2-mercaptobenzothiazole (2-S-BTH), 2-methylthio-benzothiazole (2-MeS-BTH), 2-hydroxy-benzothiazole (2-OH-BTH), 2-morpholin-4-yl-benzothiazole (2-M-BTH), 2-chlorobenzothiazole (2-Cl-BTH), 2-thiocyanomethylthio-benzothiazole (2-SCNMeS-BTH) and 2-methylbenzothiazole (2-Me-BTH) were studied in two different matrices, waste electrical and electronic equipment (WEEE) and sewage sludge, collected in different waste facilities in Norway. The proposed sample preparation included a liquid-solid extraction (LSE) assisted by ultrasound followed by a solid phase extraction (SPE) cleanup. Finally, the resulting extracts underwent an instrumental analysis based on ultra-high performance liquid chromatography coupled to a triple quadrupole mass spectrometer (UHPLC-ESI-QqQ). Out of the 16 initially proposed compounds, 11 were successfully validated in both matrices, which confirmed its high versatility. The limits of detection ranged between 0.02 and 1.67 ng L-1, and the linearity was satisfactory with R2 in the ranging between 0.9905 and 0.9971 for the selected 11 compounds. Precision was satisfactory with a RSD% intra-day below 22%, in all cases. The total concentration of BTRs in WEEE ranged between 3.8 and 496 ng g-1, being BTR the pollutant displaying the highest concentrations, followed by TTR. Regarding BTHs, the concentrations measured in WEEE presented values between 102 and 9,695 ng g-1, with the predominance of BTH. In sewage sludge samples, the occurrence and evolution of BTRs and BTHs during the treatment in the sewage treatment plants (STPs) showed a high persistence of TTR, XTR, BTR, 2-MeS-BTH and BTH. The evolution of some compounds as TTR or BTR differed between STPs, showing the differences between the treatments. Others like BTH and XTR were clearly degraded (or transformed). In contrast, 2-MeS-BTH showed to be very recalcitrant. The presence of high concentrations of BTRs and BTHs in the final sludge combined with its disposal in landfills or agricultural application as fertilizer, constitutes a serious environmental problem. Hence, using the data provided in this study, e.g., STP-3 would contribute with more than 2,300 and 5,000 kg y-1 of BTRs and BTHs, respectively, which could reach the environment affecting the wildlife and the crops. More research about the occurrence and behaviour of BTRs and BTHs in sewage sludge is still needed in order to find out the extension of human and environment exposition to these compounds, and its consequences in the ecosystem health. This study provided more light about the issue, and presented a multi-residue methodology which concomitantly analyses a high number of BTRs and BTHs. To the best of our knowledge, the occurrence of BTRs and BTHs in WEEE was assessed for the first time in this work.

Benzotriazoles (BTRs) y benzothiazoles (BTHs) son contaminantes emergentes presentes en el medio ambiente debido a su alta producción y su amplio uso en industrias y hogares. Sin embargo, aún existe poca información acerca de su presencia en el medio ambiente. En este trabajo, la presencia de 7 benzotriazoles, entre los que se encuentran 1H-benzotriazole (BTR), xyliltriazole (XTR), 5-amino-benzotriazole (5-ABTR), 5-chlorobenzotriazole (5-Cl-BTR), 1-hydroxybenzotriazole (1-OH-BTR), benzotriazole-5-carboxylic acid (BTR-COOH) and tolyltriazole (TTR); y 9 benzothiazoles, incluyendo benzothiazole (BTH), 2-amino-benzothiazole (2-ABTH), 2-mercaptobenzothiazole (2-S-BTH), 2-methylthio-benzothiazole (2-MeS-BTH), 2-hydroxy-benzothiazole (2-OH-BTH), 2-morpholin-4-yl-benzothiazole (2-M-BTH), 2-chlorobenzothiazole (2-Cl-BTH), 2-thiocyanomethylthio-benzothiazole (2-SCNMeS-BTH) and 2-methylbenzothiazole (2-Me-BTH) fueron estudiados en dos matrices diferentes, en particular, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (WEEE) y lodos de depuradoras de aguas residuales, muestreadas en distintas instalaciones de residuos en Noruega. La preparación de muestra propuesta incluyó una extracción líquido-sólido (LSE) asistida por ultrasonidos, seguida por una etapa de limpieza basada en una extracción en fase sólida (SPE). Finalmente, los extractos se sometieron a un análisis instrumental por cromatografía de líquidos de ultra-alta resolución acoplada a un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo (UHPLC-ESI-QqQ). De los 16 compuestos inicialmente propuestos, 11 fueron validados con éxito en ambas matrices, lo que pone de manifiesto la alta versatilidad de la metodología. Los límites de detección se encontraron en el intervalo de 0.02 a 1.67 ng L-1 y la linealidad presentó valores de R2 en el rango 0.9905 y 0.9971 para los 11 compuestos. La precisión observada fue satisfactoria, con RSD% intra-day inferiores a 22% en todos los casos. Las concentraciones totales de BTRs en WEEE se encontraron entre 3.8 y 496 ng g-1 siendo BTR el contaminante que mostró mayores concentraciones, seguido de TTR. En cuanto a los BTHs, las concentraciones medidas en WEEE presentaron valores entre 102 y 9,695 ng g-1 con predominio de BTH. En los lodos residuales, la presencia y evolución de BTRs y BTHs durante el tratamiento en las plantas de tratamientos de residuos (STPs) mostraron la predominancia de TTR, XTR, BTR, 2-MeS-BTH y BTH. La presencia de compuestos como TTR o BTR varió en función de las diferencias técnicas de cada STP. Mientras que analitos como BTH y XTR fueron consistentemente degradados (o transformados) en todos los casos. Por contra, 2-MeS-BTH demostró ser altamente recalcitrante. La presencia de altas concentraciones de BTRs y BTHs en el lodo resultante después de su tratamiento en las STPs, junto con su descarga en vertederos o uso como fertilizante agrícola, constituye un serio problema medioambiental. Con los datos presentados en este estudio, el lodo tratado en la STP-3 contribuiría con más de 2,300 y 5,000 Kg y-1 de BTRs y BTHs, respectivamente, lo que podría afectar a la fauna salvaje y a los cultivos. Más investigación sobre la presencia y evolución de BTRs y BTHs en lodos residuales es necesaria para conocer la extensión de la exposición humana y ambiental a estos compuestos y sus consecuencias en la salud de los ecosistemas. Este estudio arroja luz al problema, presentando un método capaz de analizar simultáneamente un elevado número de BTRs y BTHs. Hasta donde hemos podidos saber, este trabajo constituye la primera vez que los BTRs y BTHs son analizados en WEEE.