EFEKT WYMYWANIA METALI CIĘZKICH Z POWIERZCHNI ROŚLIN ZA POMOCĄ WODY OPADOWEJ

Transkrypt

1 Krystyna Niesiobędzka * EFEKT WYMYWANIA METALI CIĘZKICH Z POWIERZCHNI ROŚLIN ZA POMOCĄ WODY OPADOWEJ EFFECT OF WASHING OF HEAVY METALS FROM SURFACE OF PLANTS BEHIND HELP OF RAINFALL Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących efektu wymywania metali ciężkich takich, jak: miedź, cynk, ołów z powierzchni roślinności trawiastej za pomocą wody opadowej oraz wpływ procesu wymywania na wybrane wskaźniki fizykochemiczne stanu jakości zastosowanej wody opadowej. Badaniom poddano 6 próbek roślinności, pobranej z obszaru aglomeracji warszawskiej (okolice Jeziorka Czerniakowskiego) o wysokim stopniu zurbanizowania i uprzemysłowienia, z dobrze rozwiniętą siecią komunikacyjną. Dokonano charakterystyki fizykochemicznej wody opadowej przed i po wymywaniu roślinności za pomocą metod ogólnie przyjętych w badaniach wód. Do oznaczenia stężeń metali ciężkich wykorzystano metodę AAS. Słowa kluczowe: metale ciężkie, ołów, cynk, miedź, woda opadowa Summary: In work results of effect of washing of heavy metals (copper, zinc, lead) from surface of grassy vegetation behind of rainfall as well as of influence of process of washing onto choose physicochemical coefficients of state of quality of applied water were introduced. 6 samples of vegetation were taken from area of Varsovian's agglomeration (neighbourhoods of Jeziorko Czerniakowskie) about high degree of urbanisation and industrialisation and well developed of communication net. Physicochemical characteristics of rainfull were executed in front of and after washing of vegetation by standard techniques generally used in investigations of waters. The concentrations of heavy metals in rainfull were determined by AAS. Key wards: heavy metals, lead, zinc, copper, rainfall *Instytut Systemów Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, ul. Nowowiejska 0, 00-6 Warszawa, tel. 0/660, faks 0/6 0, Krystyna.Niesiobedzka@is.pw.edu.pl

2 Atmosfera jako jeden z naturalnych komponentów środowiska jest nośnikiem wielu substancji naturalnych, w tym również antropogennych przedostających się do niej w wyniku gospodarczej działalności człowieka. Zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego mają na ogół charakter globalny, wynikający najczęściej z emisji gazów lub cząstek o bardzo małych rozmiarach, utrzymujących się stosunkowo długo w powietrzu w postaci pyłu zawieszonego i docierających do różnych rejonów kuli ziemskiej, a nawet do stratosfery. W powietrzu występują obok lotnych związków typu: S0, N0 x, C0, CO, węglowodory (zwłaszcza WWA), a także połączenia fotochemiczne powstające w atmosferze w wyniku fotoreakcji substancji zanieczyszczających. Ilościowy udział poszczególnych składników jest lokalnie znacznie zróżnicowany w zależności od rodzaju źródeł wywołujących zapylenie atmosfery. Wymienionym zanieczyszczeniom towarzyszą pierwiastki śladowe (między in. Zn, Pb, Cu) stanowiące obecnie jedno z podstawowych i bardziej niebezpiecznych antropogennych zanieczyszczeń [-]. Największe ilości cynku występują w powietrzu regionów przemysłowych i aglomeracji miejskich, osiągając wartości do 6000 ng/m. Jego główne źródło stanowią emisje przemysłowe i skażenia motoryzacyjne. Skażeniu motoryzacyjnemu podlegają głównie tereny występujące w bezpośrednim sąsiedztwie dróg i ulic o dużym natężeniu ruchu samochodowego. Stężenie Pb w powietrzu atmosferycznym jest bardzo zróżnicowane, od ok. ng/m do ponad 0000 ng/m nad aglomeracjami miejskimi. Zakres naturalnej zawartości Pb w powietrzu przyjęto na poziomie 0, ng/m, a zakres najczęściej występujących zanieczyszczeń wynosi ng/m. Dopuszczalne średnie roczne stężenie ołowiu proponuje się na 00 ng/m. Miedź w powietrzu związana jest najczęściej z cząstkami pyłu, przy czym znaczna jej część występuje w postaci łatwo rozpuszczalnej w wodzie oraz w formach związanych z tlenkami Fe i Mn, a także ze związkami organicznymi. Ponad 90% miedzi z atmosfery dostaje się na powierzchnię gleb i roślin wraz z opadami atmosferycznymi []. W latach prowadzono badania dotyczące metali ciężkich i ich form występowania w pyłach ulicznych na terenie aglomeracji warszawskiej, z których wynika, że zawartości cynku, ołowiu i miedzi były zróżnicowane. Uszeregowano je według wzrastających stężeń w następującej kolejności: Cu < Pb < Zn. Udział procentowy tych pierwiastków w poszczególnych formach wykazywał również duże zróżnicowanie, przy czym dominującą formą w przypadku cynku była forma związana z węglanami, miedź zdecydowanie najsilniej wiązała się z materią organiczną, natomiast ołów pozostawał na podobnym poziomie zarówno we frakcji redukcyjnej jak i węglanowej. Z uwagi na udział procentowy powyższych metali w formie wymiennej, za najbardziej mobilny uznano cynk []. Wody opadowe są jednym z głównych źródeł różnego rodzaju zanieczyszczeń, przedostających się do gleby i wód powierzchniowych. Skład wody opadowej może ulegać radykalnej zmianie po zetknięciu się jej zarówno z powierzchnią gleby, jak i roślinności. Celem niniejszych badań było oszacowanie zmian składu chemicznego wody opadowej po jej kontakcie z roślinnością ze szczególnym zwróceniem uwagi na możliwość uruchamiania rozpuszczalnych form metali ciężkich, takich, jak: ołów, miedź i cynk, z powierzchniowych zanieczyszczeń pyłowych roślin, będących efektem suchej depozycji. Materiał i metody Za obiekt badań przyjęto obszar rozpościerający się wokół Jeziorka Czerniakowskiego w Warszawie, gdzie dominowała głównie roślinność szuwarowo-trzcinowa i łąkowa. W pracy [6] dostępne są bardziej szczegółowe dane dotyczące stężeń miedzi, cynku i ołowiu w próbkach gleb i roślinności pochodzących z tego rejonu. Próbki roślinności łąkowej pobrano z 6

3 wytypowanych miejsc, ścinając ją tuż przy powierzchni gruntu (powierzchnia x m ). Na tym samym obszarze zebrano wodę opadową, którą wykorzystano do badań. Przed zastosowaniem wody do elucji zanieczyszczeń powierzchniowych roślin, poddano ją analizie fizykochemicznej, obejmującej podstawowe wskaźniki takie, jak: ph, przewodność właściwa, zasadowość, Ca +, Mg +, NH +, NO -, SO -, Cl - oraz metale ciężkie (ołów, miedź i cynk). Dokładnie tej samej procedurze analitycznej poddane zostały wszystkie próbki wody opadowej po przepłukaniu 6 próbek roślinności. Symulację desorpcji zanieczyszczeń powierzchniowych prowadzono, stosując 00-mililitrowe porcje wody opadowej, którą zadawano -ciomiligramowe próbki roślinności, całość wytrząsano ok. min., a następnie sączono. Wyniki badań i analiza Charakter i skład wód opadowych pozostaje w ścisłym związku ze stanem jakości atmosfery, na który mają wpływ obecne w nim różnego rodzaju substancje naturalne i zanieczyszczające. Nie można wykluczyć również innych czynników takich, jak: wielkość opadów, kierunek wiatrów, wysokość chmur. Podstawowe parametry fizykochemiczne analizowanej wody opadowej przed i po elucji przedstawiono w sposób graficzny (rys., ) a odpowiadające im dane liczbowe w tab.. Zasolenie wód opadowych mieści się na ogół w granicach od kilku do kilkunastu mg/dm. Zawartość substancji rozpuszczonych i nie rozpuszczonych w wodach jest niewielka. Sucha pozostałość zawiera się w granicach -0 mg/dm, na którą składa się obecność takich jonów, jak: Ca +, Mg +, Na +, K +, NH +, NO -, SO -, Cl - -, HCO [7]. Skład badanej wody opadowej (ph=6,) nie wskazuje na jej znaczne zanieczyszczenie i nie odbiega od składu przeciętnej wody opadowej [8]. Symulacja wypłukiwania zanieczyszczeń powierzchniowych roślinności za pomocą tejże wody diametralnie zmienia jej skład. Z porównania parametrów charakteryzujących świeżo zebraną wodę opadową z wartościami średnimi analogicznych wskaźników wody po elucji wynika, że przy niewielkiej zmianie ph (wzrost zaledwie o 0, jednostki), wszystkie pozostałe wskaźniki chemiczne uległy znacznemu podwyższeniu: wzrosła ponad -krotnie zasadowość i zawartość siarczanów, prawie -krotnie - zawartość wapnia, 7-krotnie zawartość magnezu, wzrost stężeń pozostałych jonów (Cl -, NH +, NO -, NO - ) był jeszcze bardziej wyrazisty, co w konsekwencji spowodowało, że przewodność właściwa prawie -krotnie zwielokrotniła swoją wartość. Powyższe wyniki dają obraz wody opadowej, która po kontakcie z zanieczyszczoną powierzchniowo roślinnością, zmieniając swój skład fizykochemiczny, trafia do gleb (zwiększając w znaczący sposób ładunek zanieczyszczeń). Stężenia metali ciężkich w wodzie opadowej przed i po elucji zanieczyszczeń powierzchniowych roślinności przedstawia tab. (w sposób graficzny rys..) Spośród trzech badanych metali ciężkich, w żadnej z próbek nie stwierdzono obecności ołowiu zarówno w wodzie opadowej przed jak i po kontakcie z roślinnością. W wodzie opadowej nie odnotowano również obecności cynku. W latach średnie stężenie cynku, miedzi i ołowiu w wodach opadowych, analizowanych w stacjach monitoringowych IMGW wynosiły odpowiednio: 0, 007 mg/dm, 0,0069 mg/dm i 0,00 mg/dm z wartością minimalną 0,00 mg/dm, 0,000 mg/dm i 0,000 mg/dm [9]. Cynk zarejestrowano w próbkach wody po elucji, przy czym jego stężenia wahały się w granicach od 0,0 mg/dm (próbka ) do 0, mg/dm (próbka ), wyjątek stanowiła próbka, w której stężenie cynku było poniżej poziomu oznaczalności metodą AAS. Stężenie miedzi w naturalnej wodzie opadowej wynosiło 0,09 mg/dm i wzrastało wielokrotnie po elucji, średnio,-krotnie, co może świadczyć o przechodzeniu rozpuszczalnych form miedzi z pyłowych zanieczyszczeń powierzchniowych

4 roślinności do wody. Największe stężenie osiągnęło wartość 0,08 mg/dm (próbka ), najmniejsze 0,0 mg/dm (próbka ). Przebieg zależności stężeń cynku od ph pozwala dopasować odpowiednie równanie o istotnych współczynnikach korelacji (R=-0,7), które przedstawia rys.. W przypadku miedzi zaobserwowano dosyć istotną współzależność ze stężeniem siarczanów, dla której współczynnik korelacji osiągnął wartość 0, (rys. ). Nie stwierdzono obecności ołowiu w wodzie opadowej przed i po eksperymencie, co może sugerować, że ołów jest najmniej ruchliwym pierwiastkiem spośród badanych, rzadko występuje w postaci kationu Pb +, znacznie częściej jest wiązany w jony kompleksowe, jak np.: PbOH + i Pb(OH) -, które w znacznym stopniu regulują procesy sorpcji i desorpcji. Wnioski. Zanieczyszczenia atmosferyczne wprowadzane wraz wodą opadową na powierzchnię ziemi stanowią znaczące źródło zanieczyszczeń obszarowych i nie mogą być pomijane w ocenie udziału opadów w ogólnym bilansie ładunków zanieczyszczeń.. W przypadku metali ciężkich wnoszone ładunki wraz z wodą opadową wzrastają nawet kilkakrotnie po jej kontakcie z roślinnością (Zn, Cu), co świadczy o możliwości wypłukiwania rozpuszczalnych form metali z zanieczyszczeń pyłowych zdeponowanych na ich powierzchni.. Cynk jest jednym z bardziej ruchliwych pierwiastków, na co wpływają prawdopodobnie jego formy wymienne i rozpuszczalne, w postaci których występuje w powierzchniowych zanieczyszczeniach roślinności. Literatura []. Malczyk P., Kędzia W., Nowak M.: Metale ciężkie w glebach miasta Bydgoszczy, Rocz, Glebozn., 7 (/), 996, 9. []. Kukier U.: Arch. Ochr. Środow., 99, (), 7. [].Monografia tom I.: Obieg pierwiastków w przyrodzie, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 00. []. Kabata Pendias A. Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN, Warszawa 999. []. Krajewska E.: Praca doktorska, PW, Warszawa 997. [6].Niesiobędzka K: Stężenia metali ciężkich w roślinności i glebach narażonych na antropopresję, Chem. Inż. Ekol., (w druku). [7]. Gomółka E., Szaynok A.: Chemia wody i powietrza, Wrocław 997. [8]. Dojlido J.R.: Chemia wód powierzchniowych, Białystok 99. [9].Twarowski R., Błachuta J., Liana E., Kaczmarski S.: Depozycja metali ciężkich z opadem atmosferycznym, Mikrozanieczyszczenia w środowisku człowieka, Częstochowa 00. Tab.. Parametry fizykochemiczne wody opadowej przed i po elucji roślinności. Nr stanowiska ph Zasadowość [mmol/dm ] SO - Cl - [mg/ dm ] Przewodność [ s/cm] Mg + Ca + NO - NO - NH + Woda

5 opadowa przed elucją 6, 9,0 0,8,,0 0, 0,00 0, Woda opadowa po elucji,8 7,0,67 86,87 6,07 0,8 0,007,6 6,6 9,0, 76 9, 6,07 0,9 0,0, 6,6 9 0,0, ,0,06, 0,0,0 6, 7,0,8 6,8 0,08,0 0,008,6 6, 6,0, 6,,08 0,6 0,0, 6 6,9,0,69 8,87,09,0 0,008, 7 6,7 7 6,0,69 6, 8,06 0, 0,07,9 8 7, 8,0, 67, 8,06,9 0,0, 9 6,6 7,0, , 8,06 0, 0,0, 6,6,0,6 69 7,0,09,0 0,0,6 7, 7,,67 7,8 8,06 8, 0, 0, 7,0,0,9 78 7,0 6,07 0,8 0,00, 7, 9,0,9 89 7,0 6,07,0 0,00, 6,6 6,0,6 9 7,9 0,0 0, 0,008,6 7,6 7,,67 6,8 0,08 8,8 0,08 0, 6 7, 7,,67 0 7,0 0,08 6,0 0,00 0, min,8, 0 7,9 0,0 0, 0,00 0, max 7,6 9,9 89,,09 8,8 0,,0 średnia 6,79 7,9,97,8 60,9 6,6,07,9 0,06,8 Tab.. Stężenie metali ciężkich w wodzie opadowej przed i po elucji roślinności. Pb Zn Cu Nr stanowiska Woda opadowa Przed elucją Nw Nw 0,09 Woda opadowa po elucji Nw 0, 0,078 Nw 0,0 0,07 Nw 0,078 0,08 Nw 0,06 0,07 Nw 0,07 0,00 6 Nw 0,0 0,07 7 Nw 0,89 0,06 8 Nw 0,06 0,066 9 Nw 0,8 0,066 Nw 0,07 0,0 Nw 0,000 0,09 Nw 0,088 0,0 Nw 0,0 0,08 Nw 0,086 0,0 Nw 0,090 0,07 6 Nw 0,0 0,066

6 min - 0,000 0,0 max - 0, 0,08 średnia - 0, Nw nie wykryto Rys.. Przebieg zmienności ph, zasadowości, jonów chlorkowych i amonowych w wodzie opadowej po elucji 0 0,,,,, woda op ,0,0 8,0 6,0,0,0 0,0 ph Zasad. [mmol/dm] NH [mg/dm] Cl [mg/dm] Rys.. Przebieg zmienności jonów wapnia i magnezu w wodzie opadowej po elucji woda op Ca [mg/dm] Mg [md/dm]

7 Rys.. Przebieg zmienności stężeń cynku i miedzi w wodzie opadowej po elucji. 0,0 0,00 0,0 0,0 0,00 0,000 0,090 0,080 0,070 0,060 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0 0,000 Cu [mg/dm] Zn [mg/dm] woda op