Παράγοντες που ελέγχουν την κινητικότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα του χρωμίου και άλλων μετάλλων στο περιβάλλον Ni-λατεριτών

Abstract

The purpose of the present study is the assessment of the extent and intensity of the contamination by Cr(total), Cr (VI), Ni, Μη, Fe, Zn and other elements in soil plants and groundwater throughout central Evia and the Edessa area, the determination of the bio-availability and bio-accumulation factors and their controlling factors. The metals Cr(total), Cr (VI), Ni, Μη, Fe and Zn were determined in 104 soil samples and the corresponding plants (separately roots, shoots, stems, leaves and fruits). The Cr, Ni, Μη, Fe and Zn contents for the 95% of the soil samples are characterized as unusually to strongly contaminated, according to the current English legislation. Very good positive correlations between pairs of elements Cr-Ni, Cr-Fe, Ni-Fe, Cr-Co, Ni-Co and Fe-Co suggest connection of contamination with natural processes (Ni-laterite and ophiolitic rocks). The bioavailability of the metals Cr, Ni, Μη, Fe and Zn extracted by EDTA and IM HNO₃ expressed as the ratio of the metal content in plants relative to the total content in soil (%), is relatively low. Although the percentage of Cr (VI) in soil is small compared to the total content its presence is consistent with the physicochemical conditions (alkaline pH and oxidizing Eh). The levels of Cr(total) in natural plants range from a few μg/g to a few tens of μg/g. Leafy vegetables, regardless of their region, exhibit an increasing Cr content with increase of the Fe contents. Based on the content of Cr in soil and corresponding plants, the percentage of chromium transported into plant is low (1.6%). Also, the Cr (VI) content in soils is low (0.1 to 0.2%) whilst the Cr(total) content in plants varies, depending on the Cr content in soils. The levels of chromium in plants are higher than those identified in non-polluted soils. Chromium in both groundwater and surface water samples occurs as Cr (VI). On the 29% of the water samples from the aquifers of central Evia exceed the permeable value of 50μg/L for Cr(total). Both the range of pH and Eh values fall in alkaline and oxidative conditions suitable for the preservation of Cr (VI) in solution. The plotting of the concentration values for certain metals on triangular discrimination diagrams, allows an initial assessment of the quality and hydrochemical type of groundwater. Based on the triangular diagrams illustrating the concentrations of elements Cr(total), Ca, Mg and Si groundwater they can be classified into three groups: Groups (I) and (II) appears to be influenced by the bedrock of the region (mainly carbonates and ultramafic) and to a lesser extent by Ni-laterites whilst samples of the Group (III) are probably associated with human activities. Although the pH and Eh affect the bioavailability of elements in the regions studied herein their role is not obvious since any significant variation was not recorded. However, these values indicate alkaline and oxidative environment that allows the presence of hexavalent chromium in soil and groundwater. The role of organic material on bioavailability of heavy metals is clear as there is a positive relationship with the Zn and a relatively good positive correlation with the Cr (VI).

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η εκτίμηση του βαθμού ρύπανσης από Crολικό και Cr(VI), Ni, Mn, Fe και Zn και άλλα στοιχεία στο έδαφος σε φυτά και τον υδροφόρο ορίζοντα στην ευρύτερη περιοχή της κεντρικής Ευβοίας και της Έδεσσας, ο προσδιορισμός του βιο-διαθέσιμου και βιο-συσσωρεύσιμου ποσοστού και ο καθορισμός των παραγόντων που ελέγχουν την βιοδιαθεσιμότητα. Προσδιορίστηκαν τα μέταλλα Crολικό και Cr(VI, Ni, Mn, Fe και Zn σε 104 δείγματα εδάφους και σε 106 αντίστοιχα φυτά (χωριστά ρίζα και υπέργειο τμήμα – βλαστός, φύλλα και καρπός. Οι περιεκτικότητες των στοιχείων Cr, Ni, Mn, Fe και Zn στο 95% των δειγμάτων εδάφους χαρακτηρίζονται από ρυπασμένα έως ασυνήθιστα πολύ ρυπασμένα στα μέταλλα αυτά, σύμφωνα με τις διατάξεις της Αγγλικής νομοθεσίας. Οι πολύ καλές θετικές συσχετίσεις μεταξύ των στοιχείων Cr, Ni, Fe, Co υποδηλώνουν σύνδεση του μεγάλου βαθμού ρύπανσης και στις δυο περιοχές ενδιαφέροντος με φυσικά αίτια (φυσική μέταλλο ρύπανση). Οι βιοδιαθέσιμες περιεκτικότητες των μετάλλων Cr, Ni, Mn, Fe και Zn που ανακτήθηκαν με EDTA και με 1M ΗΝΟ₃ εκφρασμένες σε επί τοις εκατό (%) ποσοστά των ολικών περιεκτικοτήτων στα εδάφη, είναι σχετικά Χαμηλές. Αν και το ποσοστό του Cr(VI) στο έδαφος είναι μικρό σε σχέση με το ολικό, η παρουσία του είναι σε συμφωνία με τις φυσικοχημικές συνθήκες (αλκαλικό pH και οξειδωτικό Eh). Οι περιεκτικότητες του Crολικό σε αυτοφυή και καλλιεργούμενα φυτά κυμαίνονται από μερικά μg/g έως μερικές δεκάδες μg/g. Τα δείγματα φυτών, ανεξαρτήτως περιοχής, που τείνουν να συσσωρεύουν Fe, εμφανίζουν και μεγαλύτερες περιεκτικότητες και σε Cr σε σχέση με τα υπόλοιπα φυτικά δείγματα. Το ποσοστό του χρωμίου που μεταφέρεται από το έδαφος στα φυτά είναι μόλις το 1,6%. Μικρό είναι επίσης το ποσοστό του Cr(Vï) στα εδάφη σε όλες τις περιοχές μελέτης (0,1 έως 0,2%), ενώ στα δείγματα φυτών κυμαίνεται ανάλογα με την περιεκτικότητα του ολικού χρωμίου. Αν και το ποσοστό του χρωμίου (ολικό και εξασθενές) που μεταφέρεται στα φυτά είναι μικρό και δεν υπάρχουν όρια, σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία, οι περιεκτικότητες του χρωμίου στα φυτά είναι μεγαλύτερες από αυτές που έχουν προσδιοριστεί σε μη ρυπασμένα εδάφη. Σχετικά με τα δείγματα νερού στο 29% των δειγμάτων που μελετήθηκαν εντοπίστηκαν συγκεντρώσεις Cr(total) και Cr(VI) που ξεπερνούν την παραμετρική τιμή των 50μg/L. Τόσο στα υπόγεια όσο και στα επιφανειακά νερά που μελετήθηκαν το χρώμιο βρίσκεται με την εξασθενή του μορφή. Το εύρος των τιμών pH και Eh εμπίπτουν σε αλκαλικές και οξειδωτικές συνθήκες κατάλληλες για τη διατήρηση του Cr(VI) στο διάλυμα. Η απεικόνιση των τιμών συγκέντρωσης σε τριγωνικά διαγράμματα διάκρισης, επιτρέπει μια πρώτη εκτίμηση της ποιότητας και του υδροχημικού τύπου των υπογείων νερών. Με βάση τα τριγωνικά διαγράμματα όπου απεικονίζονται οι συγκεντρώσεις των στοιχείων Cr(total), Ca, Mg, και Si τα υπόγεια νερά ταξινομούνται στις εξής τρεις Ομάδες: Οι Ομάδες (Ι) και (II) φαίνεται να επηρεάζονται από το γεωλογικό υπόβαθρο της περιοχής (ανθρακικά και υπερβασικά κυρίως και λιγότερο από τη μεταλλοφορία) ενώ τα δείγματα της Ομάδας (III) συνδέονται με ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Αν και το pH και Eh επηρεάζουν τη βιοδιαθεσιμότητα των στοιχείων, στις περιοχές όπου μελετήθηκαν, ο ρόλος τους δεν είναι διακριτός, διότι εμφανίζουν το ίδιο εύρος διακύμανσης. Ωστόσο, οι τιμές τους υποδηλώνουν αλκαλικό και οξειδωτικό περιβάλλον που επιτρέπει την παρουσία του εξασθενούς χρωμίου στο έδαφος και τα υπόγεια νερά. Ο ρόλος του οργανικού υλικού στη βιοδιαθεσιμότητα των βαρέων μετάλλων φαίνεται καθαρά από τη θετική σχέση του με τον Zn και τη σχετικά καλή θετική σχέση του με το Cr(VI).