podatność magnetyczna, kasztanowiec, biomonitoring Sylwia K. DYTŁOW*,1Beata GÓRKA-KOSTRUBIEC*, Ksenia BONDAR** ZASTOSOWANIE POMIARU PODATNOŚCI MAGNETYCZNEJ W MONITORINGU ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA Praca prezentuje rezultaty badań zanieczyszczeń powietrza akumulowanych na powierzchni liści drzew w zurbanizowanym środowisku miejskim. Do badań zastosowano metodę magnetyczną, która opiera się na pomiarach podatności magnetycznej zanieczyszczeń przemysłowych i komunikacyjnych.w skład zanieczyszczeń, wchodzą silnie magnetyczne związki (np.tlenki żelaza) skorelowane z metalami ciężkimi. Materiałem badań były liście pobrane z drzew kasztanowa i lipy w kilku miejscach, zlokalizowanych w centrum Warszawy (Polska) i Kijowa (Ukraina) wzdłuż głównych ciągów komunikacyjnych o zróżnicowanym natężeniu ruchu samochodowego. Wyniki badań wskazują, że podatność magnetyczna próbek liści pobranych z drzew rosnących wzdłuż dróg jest dobrym wskaźnikiem poziomu zanieczyszczeń powietrza na danym obszarze miasta. Z badań środowiskowych zanieczyszczeń powietrza i gleb wiadomo, że elektrociepłownie, zakłady produkcyjne, paleniska domowe emitują do atmosfery duże ilości zanieczyszczeń. Drugim głównym źródłem zanieczyszczeń w miastach są procesy związane z ruchem samochodowym, takie jak: spalanie benzyny, oleju napędowego, ścieranie nawierzchni asfaltowej, opon, klocków hamulcowych. W środowisku miejskim oba źródła (proporcjonalnie do ich intensywności) przyczyniają się do zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. Należy podkreślić, że motoryzacja generuje cząstki, które ze względu na małe rozmiary są bardzo niebezpieczne dla zdrowia człowieka. Mikrocząstki zanieczyszczeń wraz z wdychanym powietrzem przedostają się do płuc wywołując choroby układu oddechowego. * Instytut Geofizyki, Polska Akademia Nauk, ul.księcia Janusza 64, 1-452 Warszawa, skdytlow@igf.edu.pl, ** Narodowy Uniwersytet Kijowski im. Tarasa Szewczenki, Wydział Geologiczny, ul. Vasylkivska 9, Kijów
122 S. DYTŁOW i in. Obecnie coraz częściej stosuje się bio-monitoring [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8] do śledzenia poziomu zanieczyszczenia powietrza w środowisku miejskim. Biomonitoring wykorzystuje naturalne właściwości roślin do akumulowania cząstek zanieczyszczeń, np. na powierzchni liści, w szpilkach i korze drzew. Drzewa powszechnie występują w środowisku naturalnym, dlatego można je wykorzystać do badania zanieczyszczeń lokalnych na małych obszarach miasta np. w parkach, wzdłuż ruchliwych ulic itp., a także do porównania poziomu zanieczyszczeń w różnych miastach. Metoda magnetyczna stosowana jest w badaniach środowiskowych do określenia poziomu zanieczyszczeń akumulowanych w glebach, na liściach i w kurzu domowym [9], [1], [11] Podatność, jako jeden z głównych parametrów magnetycznych jest czuły na stężenie magnetycznych cząstek zanieczyszczeń takich, jak związki żelaza, które generuje zarówno przemysł, jak i ruch samochodów. Celem naszej pracy było zbadanie związku pomiędzy poziomem zanieczyszczenia powietrza, a natężeniem ruchu samochodowego przy zastosowaniu pomiarów podatności magnetycznej. W celu realizacji założonego celu wykonano pomiary dla dwóch dużych aglomeracji miejskich Warszawy i Kijowa, w których pobrano próbki liści z drzew rosnących wzdłuż ulic o różnym natężeniu ruchu samochodowego. OPIS METODY BADAŃ I POBIERANIA PRÓBEK Do badań próbki liści pobrano z drzew rosnących wzdłuż dróg o różnym natężeniu ruchu samochodowego w dwóch różnych środowiskach dużych miast Warszawy i Kijowa. Poziom natężenia ruchu samochodowego dla poszczególnych miast i punktów pomiarowych zestawiono w Tab.1. Dla każdej lokalizacji pobrano liście kasztanowca z różnych stron drzewa na wysokości około 1,5m. W obu badanych miastach kasztanowce są jednym z najczęściej występujących gatunków drzew. Próbki liści pobierano dwukrotnie na początku wiosny i ponownie jesienią. Dla kilku lokalizacji w Warszawie pobrano oprócz liści z kasztanowa również liście z lipy w celu zbadania wpływu rodzaju i wielkości powierzchni liścia na akumulację zanieczyszczeń. Każda próbka składała się z 13 krążków (o stałej powierzchni) wyciętych z liści, które były następnie suszone, kruszone i wkładane do plastikowych pudełek. W tak przygotowanych próbkach mierzono podatność magnetyczną na mostku MFK1- FA Multi-Function Kappabridge (AGICO, Czech Republic). Podatność magnetyczna znormalizowana na całkowitą masę próbki (χ) daje informacje o ilości cząstek magnetycznych wchodzących w skład zanieczyszczenia w próbce.
SUSCEPTIBILITY 1-8 [m 3 /kg] Zastosowanie pomiaru podatności magnetycznej w monitoringu zanieczyszczeń powietrza 123 Tab.1. Zestawienie oznaczenia próbek oraz natężenia ruchu. Warszawa Oznaczenie próbki Natężenie ruchu Oznaczenie próbek Kijów Natężenie ruchu P3-K niskie S1-K niskie (park) P4-K średnie S2-K i wysokie P5-K wysokie S3-K niskie P7-K niskie (park) S4-K wysokie P8-K wysokie S5-K wysokie P11-K niskie (Stare Miasto) S6-K niskie (park) S7-K wysokie S8-K niskie S9-K wysokie S1-K niskie WYNIKI I PODSUMOWANIE Na Rys. 1 przestawiono podatność magnetyczną próbek liści kasztanowca pobranych na początku maja i na końcu września. Z wykresu widać, że podatność wszystkich próbek pobranych jesienią jest około 5 krotnie wyższa od podatności próbek pobranych wiosną. Tak duże różnice podatności pozwalają stwierdzić, że liście w okresie wegetacyjnym bardzo dobrze akumulują zanieczyszczenia. 2 P5-K P8-K AUTUMN SPRING 15 P4-K 1 P3-K P7-K P11-K 5 1 2 3 4 5 6 LOCALISATIONS IN WARSAW Rys. 1. Zmiany podatności magnetycznej dla próbek liści pobranych na wiosnę i w jesieni dla wybranych lokalizacji w Warszawie. Na rys. 2 przedstawiono zmiany podatności magnetycznej wyznaczone dla próbek liści dla poszczególnych lokalizacji w Warszawie (Rys. 2a) i w Kijowie (Rys. 2b).
SUSCEPTIBILITY 1-8 [m 3 /kg] SUSCEPTIBILITY 1-8 [m 3 /kg] 124 S. DYTŁOW i in. Na podstawie rys.2 i tabeli 1, w której zestawiono poziom natężenia ruchu samochodowego można stwierdzić, że podatność magnetyczna odzwierciedla lokalny poziom zanieczyszczenia w obu miastach. Dla próbek o dużym natężeniu ruchu samochodowego (P5-K, P8-K dla Warszawy i S2-K, S8-K dla Kijowa) wartości podatności magnetycznej wynoszą odpowiednio: 19,9 1-8 m 3 /kg, 18,9 1-8 m 3 /kg i 2,9 1-8 m 3 /kg, 19,7 1-8 m 3 /kg. Najniższe wartości podatności magnetycznej zmierzono zarówno w Kijowie, jak i Warszawie na terenach parków oraz w pobliżu dróg o niskim natężeniu ruchu. Analizując wartości podatności dla poszczególnych punktów w Warszawie i Kijowie można zauważyć, że zarówno dla obszarów narażonych na wysokie zanieczyszczenie, pochodzące od ruchu samochodowego, jak i dla parków/skwerów poziom zanieczyszczenia w obu badanych miastach jest porównywalny. 2 P5-K P8-K (a) 15 P4-K 1 P3-K P7-K P11-K 5 1 2 3 4 5 6 LOCALISATIONS IN WARSAW 2 S2-K S9-K (b) S7-K 15 S3-K S1-K S4-K S5-K 1 S8-K S6-K 5 S1-K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 LOCALISATIONS IN KIEV Rys. 2. Podatność magnetyczna wyznaczona dla próbek liści kasztanowca dla lokalizacji charakteryzujących się różnym natężeniem ruchu samochodowego: (a) Warszawa i (b) Kijów.
SUSCEPTIBILITY 1-8 [m 3 /kg] Zastosowanie pomiaru podatności magnetycznej w monitoringu zanieczyszczeń powietrza 125 4 P4-K P8-K P5-K HORSE CHESTNUT LEAVES LIME LEAVES P3-K 2 P11-K P7-K 1 2 3 4 5 6 LOCALISATIONS IN WARSAW Rys. 3. Zmiany podatności magnetycznej dla próbek liści pobranych z lipy i kasztanowca dla wybranych lokalizacji w Warszawie. Na Rys. 3 przedstawiono zmiany podatności magnetycznej dla kilku lokalizacji w Warszawie, z których pobrano jednocześnie liście kasztanowca i lipy w okresie wiosny. W każdym badanym przypadku podatność jest wyższa dla próbek z kasztanowców. Wynika z tego, że liście kasztanowca efektywniej akumulują zanieczyszczenia na swojej powierzchni niż liście lipy. Większa zdolność do akumulacji zanieczyszczeń przez liście kasztanowca może wynikać z rozmiaru i innej struktury powierzchni niż liści lipy. Badania kumulacji zanieczyszczeń przez liście o różnych kształtach i rodzajach powierzchni prowadzone przez Mitchella i innych [5] i Kardela i innych [2] pokazały, że liście posiadające na powierzchni drobne włoski oraz pokryte woskiem najlepiej akumulują zanieczyszczenia. Podsumowując rezultaty badań należy podkreślić, że podatność magnetyczna jest bardzo dobrym parametrem odzwierciedlającym poziom zanieczyszczeń akumulowanych na liściach drzew. Zastosowanie podatności magnetycznej w bio-monitoringu pozwala śledzić lokalnie poziom zanieczyszczeń (w obrębie jednego miasta) oraz porównywać pomiędzy sobą zanieczyszczenie powietrza w różnych miastach. W obu badanych miastach podatność odzwierciedla poziom zanieczyszczenia powietrza w zależności od natężenia ruchu samochodowego, który był głównym źródłem cząstek magnetycznych. Z naszych badań wynika, że pobierając próbki liści należy mieć na uwadze dodatkowe czynniki, które wpływają na akumulację zanieczyszczeń. Zaliczyć do nich można rodzaj i powierzchnię liści oraz zewnętrzne czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń wzdłuż ulic. Dlatego zaleca się pobieranie liści do pomiarów podatności z różnych stron drzewa, co uśredni dane i wyeliminuje wpływ czynników zewnętrznych charakterystycznych dla danej lokalizacji.
126 S. DYTŁOW i in. WNIOSKI Badania wskazują, że zastosowanie pomiarów podatności magnetycznej próbek liści z drzew jest dobrym narzędziem do szybkiej oceny jakości powietrza. Poziom zanieczyszczenia powietrza koreluje z natężeniem ruchu samochodowego w obu badanych miastach. Podatność magnetyczna próbek liści mierzona na początku i końcu okresu wegetacyjnego zmienia się ok. 5-krotnie. Ilość akumulowanych zanieczyszczeń zależy od rodzaju i wielkość powierzchni liści. LITERATURA [1] HANSARD, R., MAHER, B.A., KINNERSLEY, R., 211. Biomagnetic monitoring of industryderived particulate pollution. Environmantal Pollution, 159, 1673-1681. [2] KARDEL, F., WUYTS, K., MAHER, B.A., HANSARD, R., SAMSON, R., 211. Leaf saturation isothermal remanent magnetization (SIRM) as a proxy for particulate matter monitoring: interspecies differences and in-season variation. Atmospheric Environment 45, 5164-5171. [3] MAHER, B.A., MOORE, C., MATZKA, J., 28. Spatial variation in vehicle-derived metal pollution identified by magnetic and elemental analysis of roadside tree leaves. Atmospheric Environment 42, 364-373. [4] MATZKA, J., MAHER, B.A., 1999. Magnetic biomonitoring of roadside tree leaves: identification of spatial and temporal variations in vehicle-derived particulates. Atmospheric Environment 33, 4565-4569. [5] MITCHELL, R., MAHER, B.A., KINNERSLEY, R., 21. Rates of particulate pollution deposition onto leaf surfaces: temporal and inter-species magnetic analyses. Environmental Pollution 158, 1472-1478. [6] MORENO, E., SAGNOTTI, L., DINARES-TURELL, M., WINKLER, A., CASCELLA, A., 23. Biomonitoring of traffic air pollution in Rome using magnetic properties of tree leaves. Atmospheric Environment, 37, 267-2977. [7] SZÖNYI, M., SAGNOTTI, L., HIRT, A.M., 27. On leaf magnetic homogeneity in particulate matter biomonitoring studies. Geophysical Research Letters 34, L636. [8] SZÖNYI, M., SAGNOTTI, L., HIRT, A.M., 28. A refined biomonitoring study of airbone partculate matter pollution in Rome, with magnetic measurements on Quercus Ilex tree leaves. GJI, Geomagnetism, Rock Magnetism And Paleomagnetism, 173, 127-141. [9] GÓRKA-KOSTRUBIEC, B., KRÓL, E., JELEŃSKA, M., 211. Dependence of air pollution on meteorological conditions based on magnetic susceptibility measurements: a case study from Warsaw. Studia geophysica and geodaetica, vol.56, 861-877. [1] GÓRKA-KOSTRUBIEC, B., KRÓL, E., TEISSEYRE-JELEŃSKA, M., 212. Magnetic susceptibility as an indicator of traffic pollution in some Warsaw localities. Współczesne problemy inżynierii i ochrony środowiska, 54, 67-82 [11] JELEŃSKA, M., HASSO-AGOPSOWICZ, A., KOPCEWICZ, B., 21. Thermally induced transformation of magnetic minerals in soils based on rock magnetic study and Mössbauer analysis. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 179, 164-177.
Zastosowanie pomiaru podatności magnetycznej w monitoringu zanieczyszczeń powietrza 127 IDENTIFICATION OF AIR POLLUTION BASED ON MAGNETIC SUSCEPTIBILITY MEASUREMENTS. The paper presents results of a study of air pollutants accumulated on the surface of the tree leaves in the urban environment of the city. The study used magnetic method, which is based on the measurement of all the minerals heaving magnetic behaviour contained in traffic and industrial pollutions. The samples were taken from the chestnut trees in several places located in the city center along the main roads of varied traffic density and the low level of pollution.