Study of organic and inorganic pollutants in former industry areas in Ny-Ålesund, Svalbard, and potential effects on drinking water reservoir Tvillingvatnet

Abstract

Denne masteroppgaven er en studie av utvalgte grunnstoffer og per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS) i sediment-, jord- og vannprøver tatt i Ny-Ålesund på Svalbard i august 2022. Oppgaven er en videreføring av fordypningsprosjektet skrevet som en del av emnet TKJ4540 ved NTNU i 2022. Deler av dette prosjektet er derfor gjengitt i dette arbeidet, inkludert noe teoretisk bakgrunn, eksperimentelle metoder og resultater.

Hensikten med dette prosjektet var å vurdere grunnstoffkonsentrasjoner, inkludert tungmetaller, og PFAS i det relativt isolerte forskningssenteret i Ny-Ålesund, og eventuelt relatere disse resultatene til lokale kilder, spesielt tidligere gruvevirksomhet i området. Denne studien er en del av viktig forskning på den kjemiske situasjonen i Arktis, og spesielt på Svalbard.

Det ble samlet inn 36 sediment- og jordprøver og 13 vannprøver i området rundt Ny-Ålesund. 54 grunnstoffer ble kvantifisert, med spesielt fokus på tungmetaller og grunnstoffer knyttet til gruveaktivitet, i totalt 34 sediment- og jordprøver og 15 vannprøver. Elementanalyse ble utført ved ICP-MS-analyse.I tillegg til elementanalysen ble totalt 36 sediment- og jordprøver, og to vannprøver, analysert for 35 typer PFAS. PFAS-analyse ble utført ved bruk av LC-MS/MS-instrument. Totalt organisk karbon (TOC) og totalt uorganisk karbon (TIC) ble også bestemt i to vannprøver og alle 36 sediment/jordprøver. I tillegg til dette ble pH og ledningsevne målt direkte på 6 steder i Tvillingvatnet. Prinsipalkomponentanalyse (PCA) ble utført for dimensjonsreduksjon og for videre evaluering av resultatene, og eventuelt identifisering av mønstre og sammenhenger.

I sediment- og jordprøver varierte TOC-resultatene fra 0,2% til 26%, og TIC-resultatene varierte fra 0,05% til 2,79%. I Tvillingvatnet hadde pH et gjennomsnitt på 8,14 og konduktivitet hadde et gjennomsnitt på 315 µS/cm. PFAS påvist i prøvene inkluderer PFOS, PFOA, PFNA, PFHxA, PFDA, FOSAA, PFUnA, PFHxDA, PFHpA og 6:2 FTS. De høyeste konsentrasjonene ble funnet for PFOS og PFUnA med konsentrasjoner så høye som 12,8 ng/g jord (tørrvekt). Grunnstoffanalysen viste høyere konsentrasjoner av flere elementer i bakkeområdet øst for Tvillingvatnet, som ligger like ved det tidligere gruveindustriområdet. Spesielt høye nivåer av Ni, Cd, Cu og Zn ble funnet i en sølepytt i bakken. De samme resultatene ble ikke funnet for prøver tatt på den andre siden av gruveområdet, like ved Smithelva.

Studien viste høyere nivåer av både PFAS og enkelte tungmetaller i bakkeområdet nærmere tidligere gruveområde enn ved Tvillingvatnet. Nivåene var ikke så høye som man kunne forvente ved Smithelva, som også ligger like ved gruveområdet, og det er altså ingen direkte indikasjon på forurensningsbidrag fra gruveområdet.

This master's thesis is a study of selected elements and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in sediment, soil, and water samples collected in Ny-Ålesund at Svalbard in August 2022. The thesis is a continuation of the specialization project written as a part of the course TKJ4540 at NTNU in 2022. Parts of this project is therefore reproduced in this work, including some theoretical background, experimental methods and results.

The purpose of this project was to assess element concentrations, including heavy metals, and PFAS in the relatively isolated research center of Ny-Ålesund, and possibly relate these results to local sources, especially former mining activity in the area. This study is a part of important research on the chemical situation in the Arctic, and on Svalbard specifically.

36 sediment and soil samples and 13 water samples were collected in the area around Ny-Ålesund. Concentrations of 54 elements were determined, with a special focus on heavy metals and elements related to mining activity, in a total of 34 sediment and soil samples and 15 water samples. Element analysis was performed by ICP-MS analysis. In addition to the element analysis, a total of 36 sediment and soil samples, and two water samples, were analyzed for 35 types of PFAS. PFAS analysis was performed using LC-MS/MS instrument. Total organic carbon (TOC) and total inorganic carbon (TIC) were also determined in two water samples and all 36 sediment/soil samples. In addition to this, pH and conductivity were measured directly at 6 locations in Tvillingvatnet. Principal component analysis (PCA) was performed for dimension reduction and for further evaluation of the results, and possibly identification of patterns and relationships. In sediment and soil samples, the TOC results ranged from 0.2% to 26%, and the TIC results ranged from 0.05% to 2.79%. In Tvillingvatnet, the pH had an average of 8.14 and conductivity had an average of 315 µS/cm.

PFAS detected in the samples include PFOS, PFOA, PFNA, PFHxA, PFDA, FOSAA, PFUnA, PFHxDA, PFHpA and 6:2 FTS. The highest concentrations were found for PFOS and PFUnA with concentrations as high as 12.8 ng/g of soil (dry weight). The elemental analysis showed higher concentrations of several elements in the hill area east of Tvillingvatnet, which is located close to the former mining industry area. Especially high levels of Ni, Cd, Cu and Zn were found in a puddle in the hill. The same results were not found for samples collected on the other side of the mining area, close to Smithelva.

The study showed higher levels of both PFAS and some heavy metals in the hill area closer to former mining area than at Tvillingvatnet. The levels were not as high as could be expected at Smithelva, which is also close to the mining area. Therefore, the results do not directly indicate pollution contribution from the mining area.