Μηχανισμοί συμπεριφοράς μετάλλων σε φυσικά υδάτινα σώματα: οι χημικές μορφές των Cd, Cu και Ni στη λίμνη Υλίκη

Abstract

The present dissertation is the first study of Yliki lake which aims at its thermal characterization, the expression of the seasonal variation of the main chemical species concentrations in its water column and the application, for the first time, of a systematic prediction mechanism of the formation of all the chemical species of the metals Cd, Cu and Ni, thus specializing their toxicity from the level of total concentration to that of chemical species. The natural lake Yliki is considered to be a mesotrophic lake. Ιt stands in an area with intense industrial activity and this increases the chances of pollutant inflow into the lake. The lake was studied for two complete seasonal circles aiming at the recording of the variability of its physicochemical characteristics in time. The parameters determined in the lake study were the pH and temperature in the field and in the laboratory, the ions Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+ F-, Cl-, Br-, NO2-, NO3-, PO43-, SO42-, HCO3-, dissolved organic carbon (DOC) and the metals Cd2+, Cu2+, Ni2+, as well as the total concentrations of Cd, Cu and Ni after digestion with dense HNO3. The values of the above parameters were used to quantitatively determine the seasonal variation of the chemical species of the metals Cd, Cu και Ni. The determination of the chemical species of copper, nickel and cadmium using MINTEQA2 showed that the main chemical species of Cu in Yliki lake are the Cu2+, CuCO3 and Cu(CO3)22-, of Ni the Ni2+, NiHCO3+ and NiCO3 and of Cd the Cd2+, Cd(CO3)22- and CdCO3. Yliki lake proves the ability of favoring the formation of the less toxic species of the metals copper, nickel and cadmium comparing to the formation of their free ions during the summer season in the epilimnion, where bioactivity and water uptake increase. In this way, through a series of physical and chemical mechanisms, the lake protects the food chain from the toxic factors. This ability of the lake is mostly due to its monomictic ability and would be lost in the case of a dramatic loss of its water column height, so that a thermal stratification would not be possible. Yliki lake would also lose its ability of neutralizing the three metals if the environmental conditions change dramatically and more precisely the temperature and pH of water so that the concentration of carbonate and bicarbonate ions in water would considerably lower.

Η παρούσα διατριβή είναι η πρώτη μελέτη της λίμνης Υλίκης που αποσκοπεί στο θερμοκρασιακό χαρακτηρισμό της, στην αποτύπωση της εποχιακής μεταβολής των συγκεντρώσεων των κυρίων χημικών ειδών στην υδάτινη στήλη της και στην εφαρμογή ενός συστηματικού μηχανισμού πρόβλεψης του σχηματισμού όλων των χημικών ειδών των μετάλλων Cd, Cu και Ni εξειδικεύοντας έτσι την τοξικότητα τους από το επίπεδο της ολικής συγκέντρωσης στο επίπεδο χημικού είδους Η φυσική λίμνη Υλίκη θεωρείται μία μεσοτροφική λίμνη και είναι ενταγμένη στο υδροδοτικό σύστημα των Αθηνών απο το 1956. Βρίσκεται σε μία περιοχή με έντονη βιομηχανική δραστηριότητα, κάτι που αυξάνει τις πιθανότητες εισροής ρυπαντών στη λίμνη. Η λίμνη μελετήθηκε για δύο πλήρεις εποχιακούς κύκλους, από τον Απρίλιο του 2002 έως τον Φεβρουαριο του 2004, με στόχο την αποτύπωση της χρονικής μεταβλητότητας των φυσικοχημικών της χαρακτηριστικών. Οι παράμετροι που προσδιορίσθηκαν κατά την μελέτη της λίμνης ήταν το pΗ και η θερμοκρασία στο πεδίο και στο εργαστήριο τα ιόντα Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+ F-, Cl-, Br-, NO2-, NO3-, PO43-, SO42-, HCO3-, ο διαλυτός οργανικός άνθρακας (DOC) και τα μέταλλα Cd2+, Cu2+, Ni2+ καθώς και οι ολικές συγκεντρώσεις των Cd, Cu και Ni μετά απο χώνευση με πυκνό ΗΝΟ3. Οι προσδιορισθείσες τιμές των παραπάνω παραμέτρων χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό και την αποτύπωση της εποχιακής μεταβλητότητας των χημικών ειδών των μετάλλων Cd, Cu και Ni. Οι υπολογισμοί των χημικών ειδών των μετάλλων χαλκού, νικελίου και καδμίου με τη χρήση του MINTEQA2 έδειξαν πως οι κυριότερες χημικές μορφές του Cu στη λίμνη Υλίκη είναι οι Cu2+, CuCO3 και Cu(CO3)22-, του νικελίου οι Ni2+, NiHCO3+ και NiCO3 και του καδμίου οι Cd2+, Cd(CO3)22- και CdCO3. H λίμνη Υλίκη έχει την ιδιότητα να ευνοεί τον σχηματισμό λιγότερο τοξικών ενώσεων των μετάλλων καδμίου, χαλκού και νικελίου σε σχέση με τον σχηματισμό των ελεύθερων ιόντων τους κατά τη θερινή περίοδο στο επιλίμνιο, όπου η βιοδραστηριότητα και η υδροληψία είναι αυξημένες. Με τον τρόπο αυτό, μέσα από μία σειρά φυσικών και χημικών μηχανισμών η λίμνη «προστατεύει» την τροφική αλυσίδα από τους τοξικούς παράγοντες. Η ιδιότητα αυτή της λίμνης οφείλεται κατά κύριο λόγο στον μονομικτικό της χαρακτήρα και θα ανατρεπόταν στην περίπτωση σημαντικής μείωσης του ύψους της στάθμης του νερού της λίμνης ώστε να μην είναι δυνατή η θερμοκρασιακή στρωμάτωσή της. Η λίμνη Υλίκη θα έχανε επίσης την ικανότητά της να αδρανοποιεί τα τρία αυτά μέταλλα αν μεταβάλλονταν δραματικά οι περιβαλλοντικές συνθήκες και πιο συγκεκριμένα η θερμοκρασία και το pH του νερού ώστε να περιορισθεί ο σχηματισμός των ανθρακικών και όξινων ιόντων στο νερό της.