PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH JEZIOR SUWALSZCZYZNY. Trace elements in Suwałki region lakes sediments

Transkrypt

1 Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny 11 Prace i Studia Geograficzne 2012, T. 50, ss Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa izabela.bojakowska@pgi.gov.pl tomasz.gliwicz@pgi.gov.pl PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH JEZIOR SUWALSZCZYZNY Trace elements in Suwałki region lakes sediments Abstract. Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sr, V, Zn and Ca, Fe, Mg, Mn, P, S and Corg. concentrations were determined in sediments taken from the Suwałki region lakes. Average contents were for: arsenic - 8 mg/kg, barium mg/kg, cadmium - 0,9 mg/kg, cobalt - 4 mg/kg, chromium - 12 mg/kg, copper - 12 mg/kg, mercury - 0,09 mg/ kg, nickel - 9 mg/kg, lead - 33 mg/kg, strontium - 81 mg/kg, vanadium - 17 mg/kg and zinc - 82 mg/kg. The regional diversification in concentration of some trace elements in lake sediments was noticed. Increased cobalt, chromium, copper, nickel, vanadium and magnesium concentrations were observed in sediments of lakes situated on boulder clay. Heighten Co, Cr, Cu, Ni, V and Mg contents are caused by lithologic factor weathering postglacial sediments containing erratics of magmatic and metamorphic rocks which are trace metals source. Raise concentration of Cd, Hg, Pb, Zn and S are connected with anthropogenic factor. Słowa kluczowe: wietrzenie, antropopresja, skały magmowe i metamorficzne, analiza czynnikowa Key words: weathering, anthropopressure, igneous and metamorphic rocks, factor analysis WSTĘP W jeziorach osady powstają w wyniku sedymentacji składników allochtonicznych - piasków, mułków i żwirów, będących produktem erozji skał występujących na obszarze zlewni i wnoszonych do jezior wraz ze spływem powierzchniowym i dopływami oraz sedymentacji składników autochtonicznych powstałych w środowisku jeziornym - wytrącających się z wody rozpuszczonych i koloidalnych związków chemicznych np.: krzemionki, węglanu wapnia, wodorotlenków

2 12 Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz żelaza i manganu, uruchomionych w procesie wietrzenia skał występujących na obszarze zlewni oraz sedentacji szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych zasiedlających dane środowisko wodne i akumulacji produktów ich rozkładu. W warunkach naturalnych skład chemiczny osadów jest uzależniony głównie od właściwości skał występujących na obszarze zlewni danego jeziora i warunków klimatycznych (Wetzel 2001). Na stężenie pierwiastków w osadach jezior mają także wpływ jego właściwości morfometryczne, takie jak wielkość zlewni jeziora, powierzchnia i głębokość jeziora, kształt misy jeziornej, które wpływają na przebieg fizycznych, chemicznych i biologicznych zjawisk zachodzących w jeziorze. Osady wodne charakteryzujące się wysokimi zawartościami potencjalnie szkodliwych pierwiastków śladowych mogą negatywnie wpływać na zasoby biologiczne jezior i pośrednio na zdrowie człowieka. Obserwowany wzrost stężenia potencjalnie szkodliwych pierwiastków we współcześnie powstających lub powstałych w niedalekiej przeszłości osadach, w porównaniu do stężeń tych składników obserwowanych w osadach nagromadzonych w okresie przedprzemysłowym, spowodowany jest działalnością gospodarczą na terenie zlewni jeziora, depozycją z atmosfery oraz spływem powierzchniowym z terenów osiedlowych i rolniczych (Birch et al. 2001, Mecray et al. 2001, Lindstrom 2001). W zanieczyszczonych osadach najczęściej odnotowywane są podwyższone stężenia metali i metaloidów mających obecnie lub w niedalekiej przeszłości szerokie zastosowanie w gospodarce oraz uruchamianych i dostarczanych do środowiska podczas przetwarzania kopalin. Do metali i metaloidów najczęściej przyczyniających się do zanieczyszczenia osadów i stanowiących największe zagrożenie dla biosfery należą: srebro, arsen, beryl, cynk, chrom, miedź, rtęć, nikiel, ołów, antymon, selen, tal i cynk (Sparks 2005). Suwalszczyzna jest jednym z nielicznych regionów, zarówno w skali kraju jak i Europy, gdzie udało się zachować prawie nieskażoną przyrodę i piękno naturalnego środowiska. Obszar Suwalszczyzny według podziału fizycznogeograficznego należy do Pojezierza Litewskiego (Kondracki 2002). Suwalszczyzna obejmuje swoim zasięgiem Pojezierze Suwalskie, Równinę Augustowską, Pojezierze Ełckie, Wzgórza Szeskie, Puszczę Romnicką i północną część Kotliny Biebrzańskiej. Obszar Suwalszczyzny pokryty jest osadowymi utworami czwartorzędowymi, przede wszystkim glinami zwałowymi i piaskami fluwioglacjalnymi, utworami geologicznymi charakteryzującymi się niskimi zawartościami potencjalnie szkodliwych pierwiastków śladowych. Obszar ten ma charakter rolniczo-leśny, a nieliczne zakłady przemysłowe zlokalizowane przede wszystkim w Suwałkach i Augustowie oraz eksploatacja występujących tu surowców pospolitych (iły, gliny, piaski, żwiry, torfy) stwarza niewielkie zagrożenie dla jakości środowiska tego obszaru.

3 Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny 13 ZAKRES I METODYKA BADAŃ Badania osadów dennych rzek i jezior w Polsce wykonywane w ramach programu Państwowego Monitoringu Środowiska (PMŚ) mają na celu obserwację zawartości potencjalnie szkodliwych pierwiastków (srebro, arsen, bar, cynk, chrom, kadm, kobalt, miedź, nikiel, ołów, rtęć, srebro, stront i wanad) oraz trwałych zanieczyszczeń organicznych (wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, polichlorowanych bifenyli i pestycydów chloroorganicznych) w osadach powstających współcześnie w rzekach i jeziorach, a także obserwację ich zmian w czasie. Podczas realizacji zadań wykonywanych dla PMŚ w latach zbadano osady 67 jezior z obszaru Suwalszczyzny. W próbkach osadów pobranych z 5 cm powierzchniowej warstwy z głęboczków jezior oznaczono zawartość Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, V i Zn oraz Ca, Fe, Mg, Mn, P i S za pomocą spektrometru emisyjnego ze wzbudzeniem plazmowym ICP JY70 Plus Geoplasma firmy Jobin-Yvon, po roztworzeniu próbek w wodzie królewskiej oraz oznaczono z próbki stałej zawartość Hg przy zastosowaniu analizatora AMA 254 firmy Altec techniką absorpcji atomowej oraz węgla organicznego - metodą kulometryczną aparatem COULOMAT. WYNIKI I DYSKUSJA Uzyskane wyniki wykazały, że średnie zawartości zbadanych pierwiastków śladowych są nieznacznie wyższe od średniej zawartości tych pierwiastków w osadach wodnych Polski. Zawierają one średnio 8 ppm arsenu, 107 ppm baru, 0,9 ppm kadmu, 4 ppm kobaltu, 12 ppm chromu, 12 ppm miedzi, 0,09 ppm rtęci, 9 ppm niklu, 33 ppm ołowiu, 81 ppm strontu, 17 ppm wanadu i 82 ppm cynku (tabela 1). W żadnym ze zbadanych osadów nie stwierdzono zawartości srebra powyżej limitu detekcji zastosowanej metody (0,5 mg/kg). Podwyższone zawartości arsenu, powyżej 13 mg/kg (średnia + odchylenie standardowe), stwierdzono w osadach jezior: Kalety (Długie Augustowskie), Jaczno, Białego Wigierskiego, Perty, Rozpudy Augustowskiej, Busznicy, Studzienicznego i Brożanego. Stężenie baru wyższe od 150 mg/kg stwierdzono w osadach jezior: Jaczno, Garbaś, Szejpiszki, Sejny, Krejwelek, Okrągłego, a także Szurpiły i Pomorze. Podwyższoną zawartość kadmu, powyżej 1,6 mg/kg charakteryzują się osady jezior: Tobolinka, Białego Wigierskiego, Botonie, Kalety i Szejpiszki, Sejwy, Boksze, Dunajewo i Białego Augustowskiego. Nieznacznie podwyższoną zawartość kobaltu (9 mg/kg) zawierają osady jeziora Szelment Mały. Zawartość chromu, powyżej 20 mg/kg odnotowano m.in. w osadach w jezior: Szelment Mały, Wiżajny, Gaładuś, Sejwy, Okmin, Berżniki, a podwyższoną zawartość miedzi, powyżej 17 mg/kg stwierdzono w osadach jeziora Wiżajny, Mieruńskim Wielkim, Punia, Białym Kleszczowieckim, Gaładuś i Szelment Mały. Stężenie rtęci, powyżej 1,4 mg/kg odnotowano w jeziorach: Bia-

4 14 Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz Tabela 1. Zawartość pierwiastków śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny. Table 1. Concentrations of trace elements in Suwałki region lakes sediments. a b c d e f g mg/kg Arsen < ,8 12,6 Bar ,0 150,3 Kadm 0,5 3,5 0,9 0,7 0,8 0,70 1,63 Kobalt ,3 5,8 Chrom ,5 19,7 Miedź ,6 16,5 Rtęć 0,023 0,239 0,094 0,083 0,092 0,046 0,140 Mangan Nikiel ,3 14,5 Ołów ,7 56,7 Stront ,8 119,4 Wanad < ,3 25,6 Cynk ,5 122,9 % Żelazo 0,07 5,54 1,91 1,42 1,72 1,29 3,19 Wapń 0,46 28,39 12,19 8,89 12,73 7,10 19,29 Magnez 0,08 1,23 0,42 0,36 0,36 0,23 0,66 Fosfor 0,035 0,291 0,101 0,092 0,093 0,045 0,145 Siarka 0,108 1,534 0,694 0,603 0,620 0,343 1,037 TOC 3,69 45,30 13,58 11,40 10,60 8,92 22,50 a minimum, b maksimum, c średnia, d - średnia geometryczna, e mediana, f odchylenie standardowe, g średnia+odchylenie standardowe łym Augustowskim, Tobolinka, Kalety, Wiżajny, Białym Wigierskim, Jegłóweczek, Sejwy, Mieruńskim Wielkim. Podwyższoną zawartością niklu charakteryzują się osady jezior: Wiżajny, Szelment Mały, Mieruńskiego Wielkiego, Puni, Gaładuś, Sejwy i Berniki. Zawartość ołowiu wyższą niż 60 mg/kg wykryto w osadach jeziora Tobolinka i Białego Wigierskiego, a także w osadach jezior Białym Wigierskim, Kalety, Białym Augustowskim, Pieruńskim Wielkim i Białym Filipowskim. Podwyższoną zawartość strontu, wyższą niż 120 mg/kg zaob serwowano w osadach jezior Rospuda Filipowska, Sajno, Sajenko, Gieret, Dręstwo, Pierty, Wigry i Długie Wigierskim. Wanad w stężeniu wyższym od 26 mg/kg stwierdzono w osadach jezior Szelment Mały, Wiżajny, Sejwy, Gaładuś, Białym Filipowskim, Berżniki, Hołny, Punia, Szelment Wielki. Wysoką zawartością cynku, powyżej 123 mg/kg, charakteryzują się m.in. osady pobrane z jezior Tobolinka, Białego Augustowskiego, Białego Wigierskiego, Pieruńskiego, Białego Filipowskiego i Sejwy. Zaobserwowano przestrzenne zróżnicowanie w występowaniu pierwiastków śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny (ryc. 1). Podwyższone zawartości chromu, miedzi, niklu i wanadu odnotowano w osadach jezior znajdujących się

5 Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny 15 na utworach morenowych, podczas gdy niższe zawartości stwierdzono w osadach jezior położonych na utworach fluwioglacjalnych. Na niektórych histogramach zawartości pierwiastków śladowych w osadach zaznacza się obecność dwóch populacji. W przypadku baru, chromu, strontu i kobaltu związane jest to ze zróżnicowanym występowaniem pierwiastków śladowych w utworach czwartorzędowych (gliny i piaski), zaś w przypadku ołowiu i rtęci obecnością populacji osadów zanieczyszczonych na skutek działalności gospodarczej i turystycznej. Stwierdzono korelację między zawartością Ca, Mg, Fe, Mn, P, S i Corg w osadach a zawartością w nich niektórych pierwiastków śladowych, m. in. zaobserwowano wysoką dodatnią korelację zawartości węgla organicznego z zawartością As, Cd, Hg, Pb i Zn, zawartości siarki z zawartością As, Cd, Pb i Zn, zawartości fosforu - z zawartością As, Ba, Cu i Zn, zawartości żelaza - z zawartością Ba, Co, Cr, Cu, Ni i V, zawartości magnezu z zawartością Ba, Co, Cr, Cu, Ni i V, zawartości manganu z zawartością Ba, Co, Sr i V, zawartości wapnia z zawartością Sr oraz stwierdzono ujemną korelację stężenia wapnia z stężeniem Co, Cr i Cu. Analiza czynnikowa zgrupowała badane pierwiastki w trzy czynniki. Czynnik pierwszy, którego udział wynosi 0,32, łączący kobalt, chrom, miedź, nikiel, wanad i magnez określić można jako czynnik litologiczny, związany jest on z wietrzeniem utworów pochodzenia polodowcowego, zawierających okruchy skał magmowych i meta- Tabela 2. Wyniki analizy czynnikowej. Table 2. Results of factor analysis. Czynnik 1 Czynnik 2 Czynnik 3 Arsen -0,16 0,62 0,22 Bar 0,36-0,16 0,82 Kadm 0,11 0,77-0,19 Kobalt 0,91-0,07 0,31 Chrom 0,96-0,02 0,12 Miedź 0,77 0,35 0,14 Rtęć 0,27 0,83 0,05 Nikiel 0,96 0,09 0,17 Ołów 0,14 0,83-0,22 Stront -0,46-0,38 0,51 Wanad 0,94 0,09 0,26 Cynk 0,36 0,81-0,13 Żelazo 0,36 0,07 0,80 Mangan 0,21-0,01 0,77 Wapń -0,62-0,40 0,40 Magnez 0,81-0,27 0,35 Fosfor 0,04 0,54 0,63 Siarka -0,23 0,70 0,09 Węgiel org. -0,20 0,55-0,53 Udział 0,32 0,25 0,18

6 16 Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz morficznych, które są źródłem metali ciężkich. Czynnik drugi, którego udział wynosi 0,25, łączący kadm, rtęć, ołów, cynk i siarkę określić można jako czynnik antropogeniczny, podwyższona zawartość tych pierwiastków w środowisku związana jest z działalnością gospodarczą człowieka. Na obszarze Suwalszczyzny pierwiastki te były i są wprowadzane do środowiska przede wszystkim w następstwie

7 Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny 17 Ryc. 1. Pierwiastki śladowe w osadach jezior. Fig. 1. Trace elements in lake sediments. spalania węgli (rtęć, cynk, siarka) i etylin (ołów, cynk, siarka) oraz korozji ocynkowanych rur wodociągowych, niszczenia materiałów budowlanych, jak również

8 18 Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz sprzętu pływającego (cynk, kadm, rtęć). Czynnik trzeci, którego udział wynosi 0,18, grupujący żelazo, mangan i fosfor jest czynnikiem związanym z warunkami sedymentacji osadów w głęboczkach jezior. WNIOSKI 1. Zaobserwowano przestrzenne zróżnicowanie w występowaniu pierwiastków śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny. Osady jezior, których obszar zlewni zbudowany jest z utworów morenowych, charakteryzują się podwyższonymi zawartościami chromu, miedzi, niklu i wanadu w porównaniu do osadów jezior znajdujących się na terenach, na których występują głównie piaski. 2. Podwyższone zawartości kobaltu, chromu, miedzi, niklu, wanadu i magnezu w osadach jezior Suwalszczyzny uwarunkowane są czynnikiem geogenicznym - wietrzeniem utworów pochodzenia polodowcowego, zawierających okruchy skał magmowych i metamorficznych, które są źródłem metali ciężkich. 3. Wzrost zawartości kadmu, rtęci, ołowiu, cynku i siarki obserwowany w osadach niektórych jezior spowodowany jest czynnikiem antropogenicznym. Podwyższone zawartości tych pierwiastków w środowisku są charakterystyczne dla obszarów miejskich oraz terenów rekreacyjnych. Literatura Kondracki J., 1998, Geografia regionalna Polski, Wyd. Naukowe PWN. Lindström M., 2001, Urban land use influences on heavy metal fluxes and surface sediment concentrations of small lakes, Water, Air, Soil Poll. 126 (3-4), Mecray E. L., King J. W., Appleby P. G., Hunt A. S., 2001, Historical trace metal accumulation in the sediments of an urbanized region of the Lake Champlain Watershed, Burlington, Vermont, Water, Air, Soil Poll. 125 (1-4), Sparks D., 2005, Toxic metals in the environment: the role of surfaces, Elements 1 (4), Wetzel R., 2001, Limnology, Academic Press.