VIII Krajowa Konferencja Bioindykacyjna Praktyczne wykorzystanie systemów bioindykacyjnych do oceny jakości i toksyczności środowiska i substancji chemicznych Kraków, 18-20.04.2018 Zawartość węgla organicznego a toksyczność osadów dennych Agnieszka Baran 1, Monika Mierzwa-Hersztek 1, Krzysztof Gondek 1, Magdalena Szara 1, Marek Tarnawski 2 1 Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, 2 Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja w Krakowie
Cel badań 1. MO jednym z najistotniejszych związków wchodzących w skład osadów dennych. 2. MO determinuje fizyczne, chemiczne oraz biologiczne właściwości osadów: magazyn węgla, żródło składników pokarmowych dla mikroganizmów i zwierząt żerujących w osadach, zdolności sorpcyjne MO są kluczowe w zapobieganiu migracji zanieczyszczeń w środowisku, a także wpływają na detoksykację zanieczyszczeń. 3. Pod względem ekologicznym istotną częścią MO osadów dennych są substancje humusowe (60-90% MO): Kwasy fulwowe (rozpuszczalne w kwasach i wodorotlenkach) Kwasy humusowe (rozpuszczalne w wodorotlenkach) Huminy (nierozpuszczalne w kwasach i wodorotlenkach) Czy ilość i skład frakcyjny MO ma wpływ na toksyczność osadów?
Zbiornik Rybnik 1. Lokalizacja: Śląsk, Rybnicki Region Węglowy zlewnia przemysłowa Materiał i metody 1. Lokalizacja: Małopolska zlewnia rolnicza Zbiornik Rożnów
Zbiornik Rybnik 2. Źródła zanieczyszczeń: Górnictwo Energetyka Transport Drobny przemysł Emisje gazowe Emisje pyłowe Zrzuty ścieków Odpady 3. Funkcje zbiornika: Technologiczna (źródło wody dla elektrowni) Przeciwpowodziowa Rekreacyjna Wędkarska Zbiornik Rożnów 2. Źródła zanieczyszczeń: Rolnictwo: spływy z pól Zrzuty ścieków bytowo-komunalnych Drobny przemysł (np. garbarnie) 3. Funkcje zbiornika: Energetyczna (EW o mocy 56 MW) Przeciwpowodziowa Rekreacyjna Wędkarska Charakterystyka zbiornika Rok powstania 1972 r Pojemność 24 (cał.), 4,3 (użyt.) mln m 3 Pow. zalewu 444 ha Głębokość 4,5 (średnia) / 10 (max) m Rzeka Ruda, Niacyna Dł. zbiornika 4,5 km Charakterystyka zbiornika Rok powstania 1941 r Pojemność 228 (cał.), 139 (użyt.) mln m 3 Pow. zalewu 1600 ha Głębokość 4,5 (średnia) / 30 (max) m Rzeka Dunajec Dł. zbiornika 16-22 km Jeden z najszybciej zamulanych zbiorników!!
Zbiornik Rybnik Zbiornik Rożnów
Zbiornik Rybnik 33 próbki Zbiornik Rożnów 53 próbki zapora zapora wlot wlot próbnik Ekman, prace podwodne nurków, próbki powierzchniowe: 0-15 cm
Analiza MO w osadach dennych Parametr C ogólny C organiczny Ckh (C kwasów huminowych), Ckf (C kwasów fulwowych), Cnh (C niehydrolizujący, humin) Metoda Analizator CNS Vario MAX Cube Ekstrakcja: metodą Schnitzera Oznaczenie: metoda oksydacyjnomiareczkowa Ekotoksyczność osadów dennych Poziom troficzny Producenci Konsumenci Reducenci Biotest Phytotoxkit Ostracodtoxkit Microtox Organizm S. alba H. incongruens V. fischeri Reakcja testowa Inhibicja wzrostu korzeni Inhibicja wzrostu Inhibicja luminescencji Typ i czas Chroniczny, 72h Chroniczny, 6 dni Ostry, 15 min Testy skriningowe. Próbka nietoksyczna PE < 20%, niskotoksyczna 20% PE <50%, toksyczna 50% PE < 100%, bardzo toksyczna = 100 % (Persoone i in. 2003)
Wyniki Węgiel g/kg Zawartość C całkowitego i organicznego w osadach Osady zbiornika Rożnów Osady zbiornika Rybnik średnia zakres CV% średnia zakres CV% C cał. 28,3 5,3-44,5 28 53,1 1,7-170 99 C. org. 15,6 2,3-24,6 30 51,6 1,9-166 101 Rozkład zawartości C. org. w osadów dennych Liczba obserwacji 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Liczba obserwacji 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Corg. (g. kg -1 s.m.) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Corg. (g. kg -1 s.m.) Rozkład przestrzenny zawartości C. org.
C. ekstrahowany C. ekstrahowany Zawartość C we frakcjach materii organicznej w osadach dennych C g/kg Osady zbiornika Rożnów Osady zbiornika Rybnik średnia zakres średnia zakres Ckh 0,48 0,09-1,32 0,87 0,09-2,3 Ckf 8,50 0,87-15,1 11,5 1,0-33,6 Cnh 6,59 0,03-15,2 39,2 0,04-144 Ckh kw. humusowych huminowych Ckf kw. fulwowych Cnh niehydrolizujacy 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 58% 42% 55% 3% zbiornik Rożnów 24% 76% 22% 2% zbiornik Rybnik Udział Ckh, Ckf i Cnh [%] w stosunku do zawartość C.org.
Zbiornik Rożnów Ckh g/kg Ckf g/kg CV %=51 r = 0,32 CV %=41 r = 0,42 Cnh g/kg 40 20 0 y = -7,494 + 0,81587x r = 0,74959 p < 0,05 CV %=61 r = 0,75 CNH (g. kg -1 s.m.) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 20 40 Corg. (g. kg -1 s.m.) Zależność pomiędzy Cnh i Corg. w osadach dennych
Zbiornik Rybnik Ckh g/kg Ckf g/kg CV %=67 r = 0,75 CV %=87 r = 0,90 Cnh g/kg 40 20 0 y = -2,614 + 0,81145x r = 0,99577 p < 0,05 CV% = 107 r = 0,99 CNH (g. kg -1 s.m.) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0-20 -40-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 20 40 Corg. (g. kg -1 s.m.) Zależność pomiędzy Cnh i Corg. w osadach dennych
Zbiornik Rożnów Inhibicja wzrostu korzeni S. alba [%] Inhibicja wzrostu H. incongruens [%] Inhibicja luminescencji V. fischeri [%] 27 % niskotoksyczna 38 % toksyczna 18 % toksyczna 22 % 51 % rodzaj próbki nietoksyczna stymulacja 51 % 11 % rodzaj próbki niskotoksyczna nietoksyczna 76 % 7 % rodzaj próbki niskotoksyczna nietoksyczna PE % średnia zakres CV% S. alba 3-47- 45 92 H. incongruens 43 11-100 40 V. fischeri 37 8-70 51
Zbiornik Rybnik Inhibicja wzrostu korzeni S. alba [%] Inhibicja wzrostu H. incongruens [%] Inhibicja luminescencji V. fischeri [%] 12 % bardzo toksyczna 9 % bardzo toksyczna 21 % toksyczna niskotoksyczna 39 % toksyczna 85 % toksyczna 55 % 6 % nietoksyczna stymulacja 39 % 12 % niskotoksyczna nietoksyczna 15 % niskotoksyczna rodzaj próbki rodzaj próbki rodzaj próbki PE % średnia zakres CV% S. alba 24-17 - 100 101 H. incongruens 54 4-100 54 V. fischeri 62 15 96 26
V. fischeri S. alba S. alba Zależność pomiędzy badanymi parametrami w osadach dennych, przy p 0,05 Współczynnik korelacji C org. Ckh Ckf Cnh H. incongruens 0,40-0,12 0,24 0,18 V. fischeri -0,12-0,17 0,13-0,19 S. alba 0,30 0,06 0,27 0,11 H.incongruens V. fischeri Zbiornik Rożnów H.incongruens
V. fischeri S.alba S.alba Zależność pomiędzy badanymi parametrami w osadach dennych, przy p 0,05 Współczynnik korelacji C org. Ckh Ckf Cnh H. incongruens 0,12 0,16 0,14 0,13 V. fischeri 0,20 0,17 0,18 0,21 S. alba 0,12 0,09 0,13 0,11 V. fischeri H.incongruens Zbiornik Rybnik H.incongruens
Podsumowanie 1. Zawartości C org. w osadach dennych była zróżnicowana nie tylko ze względu na zbiornik, z którego próbki zostały pobrane (Rożnów, Rybnik), ale również w obrębie zbiornika. Większą zawartość C. org. wykazano w osadach zb. Rybnik. 2. W osadach dennych zb. Rożnów dominowała forma mobilna węgla łatwo ekstrachowalna Cex ( Ckf +Ckh), natomiast w osadach zb. Rybnik stabilna frakcja - Cnh. 3. Zawartość węgla we frakcji kwasów huminowych Ckh była znacząco mniejszą niż zawartość węgla we frakcji kwasów fulwowych Ckf, niezależnie od zbiornika. 4. Większą toksyczność dla organizmów testowych wykazały osady zb. Rybnik, jednak nie stwierdzono istotnych zależności pomiędzy zawartością różnych from węgla a odpowiedzią organizmów testowych w osadach tego zbiornika. 5. Osady zb. Rożnów były nietoksyczne lub niskotoksyczne dla organizmów, ponadto wykazano istotną zależności pomiędzy zawartością C org. i Ckf a odpowiedzią H. incongruens oraz S. alba.
Dziękuję za uwagę Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, grant badawczy 2016/21/B/ST10/02127 (2017-2020) Ocena wpływu materii organicznej osadów dennych na biodostępność i toksyczność związków chemicznych