Metale ciężkie w osadach dennych – metody stosowane do oceny stopnia ich zanieczyszczenia oraz potencjalnego ryzyka ekologicznego

Skażenie osadów dennych metalami ciężkimi może skutkować poważnymi konsekwencjami, zarówno dla środowiska wodnego, jak i organizmów żywych, w tym ludzi. Ta kwestia ma ogromne znaczenie szczególnie w odniesieniu do zbiorników wodnych, które stanowią integralną część sieci ekologicznej na obszarach miejskich.

TITLE: Heavy metals in bottom sediments – methods used to evaluate their contamination level and potential ecological risk

STRESZCZENIE: Zanieczyszczenie zbiorników wodnych metalami ciężkimi (pierwiastkami potencjalnie toksycznymi) stanowi poważny problem w ujęciu środowiskowym, zarówno w Polsce, jak i na świecie. Metale przenikają do wód wraz ze ściekami przemysłowymi i bytowymi oraz ze spływem powierzchniowym (z pól i dróg). Finalnie pierwiastki te kumulowane są w osadach dennych, które pełnią szereg ważnych funkcji w ekosystemach wodnych, m.in. stanowią siedlisko dla organizmów żywych. Biorąc pod uwagę fakt, że metale nie podlegają degradacji w środowisku naturalnym, nadrzędnym elementem w ocenie stopnia zanieczyszczenia środowiska wodnego tymi pierwiastkami jest analiza składu chemicznego osadów dennych. Obecnie w tym celu stosowane są różne wytyczne i grupy wskaźników. Dla pełnej oceny stanu ekologicznego zbiornika wodnego konieczne jest jednak określenie formy chemicznej występowania metali ciężkich w osadach dennych. Takie podejście pozwoli na ocenę potencjalnego ryzyka, jakie pierwiastki te stwarzają dla środowiska i organizmów żywych. Jedną z metod umożliwiających stwierdzenie, z jakimi składnikami osadów dennych związane są poszczególne metale ciężkie, jest proces 3-stopniowej ekstrakcji sekwencyjnej zaproponowanej przez European Community Bureau of Reference (obecnie Standards, Measurements and Testing Programme).

SŁOWA KLUCZOWE: osady denne, metale ciężkie, zanieczyszczenie osadów dennych, ryzyko ekologiczne, ekstrakcja sekwencyjna

SUMMARY: The problem of water reservoirs contamination with heavy metals (potentially toxic elements) is a serious environmental issue in Poland and all over the world. Metals get into the waters along with industrial and domestic sewage, as well as with surface runoff (from fields and roads). Finally, these elements are accumulated in bottom sediments, which perform a number of important functions in aquatic ecosystems, i.a. they provide a habitat for living organisms. Taking into account the fact that metals are non-degradable in natural environment, the analysis of chemical composition of bottom sediments is the main element in assessing the level of aquatic ecosystem pollution with these elements. Currently, various guidelines and groups of indices are used for this purpose. However, for a full assessment of the ecological condition of a water reservoir, it is necessary, to determine the chemical form of heavy metals in which they occurred in bottom sediments. This approach will allow for the assessment of the potential risk that these elements pose to the environment and living organisms. One of the methods that make it possible to determine with which components of bottom sediments particular heavy metals are associated is the process of 3-step sequential extraction, proposed by the European Community Bureau of Reference (now Standards, Measurements and Testing Program).

KEYWORDS: bottom sediments, heavy metals, contamination of bottom sediments, ecological risk, sequential extraction

Zanieczyszczenie zbiorników wodnych metalami ciężkimi (pierwiastkami potencjalnie toksycznymi) stanowi problem globalny, wynikający nie tylko z poprawy jakości życia i wzrostu uprzemysłowienia, ale także z właściwości samych pierwiastków [1]. Ze względu na swoją toksyczność i stabilność w środowisku oraz łatwość przedostawania się do łańcucha pokarmowego, metale stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi oraz organizmów żywych bytujących w ekosystemach wodnych [2, 3, 4]. Pierwiastki te mogą gromadzić się w tkankach organizmów wodnych i powodować różne negatywne skutki związane z ograniczeniem ich wzrostu czy procesów metabolicznych [5]. Ich obecność może przyczynić się również do rozwoju wielu chorób u ludzi, takich jak: rozedma (Cd), anemia (Cd, Zn, Pb), egzema (Ni), martwica nerek (Cr), uszkodzenie nerek i kości (Cd), mózgu (Pb) czy DNA (Ni), jak również zwiększać ryzyko zachorowania na raka (As), podrażnienie ośrodkowego układu nerwowego (Cu), a nawet prowadzić do śmierci [4, 6].

Metale ciężkie obecne w zbiornikach wodnych są pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego. Wśród źródeł naturalnych metali w środowisku wodnym można wyróżnić przede wszystkim wietrzenie skał i erozję gleb. Jednakże głównym źródłem tych potencjalnie toksycznych pierwiastków jest działalność człowieka, m.in.: górnictwo, przemysł przetwórczy surowców mineralnych, ścieki (komunalne i przemysłowe), spływy powierzchniowe z pól (nawozy) i dróg itp. [4, 7].

Głównym rezerwuarem zanieczyszczeń chemicznych, w tym potencjalnie toksycznych pierwiastków w środowisku wodnym, są osady denne [1]. Stanowią one integralną część ekosystemów wodnych, a ich skład chemiczny uwarunkowany jest wieloma czynnikami naturalnymi i antropogenicznymi, m.in.: budową geologiczną zlewni, geomorfologią, warunkami klimatycznymi, sposobem zagospodarowania i użytkowania zlewni oraz ilością i rodzajem zanieczyszczeń docierających do wód powierzchniowych [3].

Zgodnie z Ustawą z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz.U. 2013, poz. 21) [8] osad wydobyty z dna zbiornika wodnego traktowany jest jako odpad i w zależności od składu chemicznego klasyfikowany jako materiał nadający się do powtórnego umieszczenia w środowisku bez ograniczeń lub jako materiał zanieczyszczony (odpad niebezpieczny) przeznaczony do składowania na składowiskach odpadów niebezpiecznych. Dlatego też tak ważne jest dokonywanie oceny jakości chemicznej osadów dennych, która obrazuje stan czystości zbiorników wodnych, jak również stanowi podstawę do rozwoju strategii systemu zarządzania osadami dennymi w środowisku, czyniąc badanie zawartości metali ciężkich priorytetowym [9].

Ważnym aspektem odnoszącym się do zanieczyszczenia zbiorników wodnych metalami ciężkimi są gwałtowne zmiany panujących w nich warunków, takie jak: spadek potencjału redoks (Eh) lub odczynu (pH), czy też degradacja materii organicznej. W wyniku tych zmian metale ciężkie zawarte w osadach dennych mogą być uwalniane z powrotem do wody, co w efekcie może prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia środowiska tymi pierwiastkami [1, 10, 11, 12]. Biorąc pod uwagę fakt, że osady denne są siedliskiem wielu organizmów wodnych oraz rozpatrując możliwość ich wykorzystania w rolnictwie (jako nawóz) lub jako materiał do rekultywacji gruntów, należy podjąć wszelkie starania mające na celu niedopuszczenie do wtórnego skażenia środowiska wodnego potencjalnie toksycznymi pierwiastkami. Jednym ze sposobów może być wprowadzenie systematycznego monitoringu ogólnej zawartości metali ciężkich w osadach dennych oraz określenie form chemicznych ich występowania, co umożliwi dokonanie oceny zdolności migracji tych pierwiastków z osadów dennych do środowiska, jak również dostarczy informacji na temat ich biodostępności oraz mobilności [3].

Ogólna zawartość metali ciężkich w osadach dennych vs. ich forma chemiczna

Analiza ogólnej zawartości metali ciężkich w osadach dennych pozwala jedynie na ocenę ich jakości lub stopnia zanieczyszczenia, natomiast nie jest jednoznaczna z możliwością uwolnienia tych pierwiastków z osadów do wody. Czynnikiem warunkującym mobilność metali jest ich forma chemiczna [13]. Metodą powszechnie stosowaną do identyfikacji form chemicznych metali jest 3-stopniowa procedura BCR zaproponowana przez Community Bureau of Reference (obecnie Standards, Measurements and Testing Programme), będąca modyfikacją metody Tessiera [14]. Procedura ta pozwala stwierdzić, z jakimi składnikami osadów dennych związane są poszczególne metale ciężkie, oraz dostarcza informacji na temat ich biodostępności oraz mobilności [13]. Schemat ekstrakcji sekwencyjnej wg procedury BCR zaprezentowano w tab. 1.

Metody stosowane do oceny stopnia zanieczyszczenia osadów dennych oraz potencjalnego ryzyka ekologicznego

W pracy przedstawiono różne metody (wskaźniki) służące ocenie stopnia zanieczyszczenia osadów dennych metalami ciężkimi, jak również te pozwalające na ocenę potencjalnego ryzyka ekologicznego związanego z obecnością tych pierwiastków. Metody te związane są m.in. ze współczynnikiem wzbogacenia, stopniem zanieczyszczenia, wskaźnikiem obciążenia zanieczyszczeniami, współczynnikiem zanieczyszczenia i wskaźnikiem geoakumulacji, jak również współczynnikiem uwzględniającym toksyczność danego pierwiastka [1]. Najważniejsze z tych metod przedstawiono w tab. 2.

Przykłady zastosowania metod do oceny stopnia zanieczyszczenia osadów dennych oraz potencjalnego ryzyka ekologicznego

W literaturze naukowej istnieje wiele badań dotyczących zanieczyszczenia osadów dennych metalami ciężkimi. Niestety, wzrost uprzemysłowienia oraz brak systematycznego monitoringu odnośnie zawartości oraz formy chemicznej metali w osadach dennych przekłada się na pogarszający się stan zbiorników wodnych, zarówno w Polsce, jak i na świecie. W tab. 3 przedstawiono przykłady zastosowania metod do oceny stopnia zanieczyszczenia osadów dennych metalami ciężkimi oraz analizy potencjalnego ryzyka ekologicznego związanego z obecnością tych pierwiastków w środowisku wodnym.

Podsumowanie

W pracy przedstawiono metody służące do oceny stopnia zanieczyszczenia osadów dennych metalami ciężkimi (pierwiastkami potencjalnie toksycznymi), jak również te odnoszące się do analizy ryzyka ekologicznego związanego z obecnością tych pierwiastków w zbiornikach wodnych. Zaprezentowano zarówno wskaźniki uwzględniające całkowitą zawartość metali, jak i te nawiązujące do ich formy chemicznej występowania. Skażenie osadów dennych metalami ciężkimi może skutkować poważnymi konsekwencjami, zarówno dla środowiska wodnego, jak i organizmów żywych, w tym ludzi. Ta kwestia ma ogromne znaczenie szczególnie w odniesieniu do zbiorników wodnych, które stanowią integralną część sieci ekologicznej na obszarach miejskich. Należy podkreślić, że właściwości metali, tj. ich stężenie, forma chemiczna występowania, czas ekspozycji czy toksyczność nadal stanowią najważniejsze wskaźniki determinujące jakość środowiska wodnego.

Piśmiennictwo

1. Liu D., Wang J., Yu H., Gao H., Xu W.: Evaluating ecological risks and tracking potential factors influencing heavy metals in sediments in an urban river. „Environmental Sciences Europe”, 2021, 33, 42.
2. Baran A., Tarnawski M., Koniarz T.: Spatial distribution of trace elements and ecotoxicity of bottom sediments in Rybnik reservoir, Silesian-Poland. „Environmental Science and Pollution Research”, 2016, 23(17), 17255-17268.
3. Tytła M., Kostecki M.: Ecological risk assessment of metals and metalloid in bottom sediments of water reservoir located in the key anthropogenic „hot spot” area (Poland). „Environmental Earth Sciences”, 2019, 78, 179.
4. Nawrot N., Wojciechowska E., Mohsin M., Kuittinen S., Pappinen A., Rezania S.: Trace Metal Contamination of Bottom Sediments: A Review of Assessment Measures and Geochemical Background Determination Methods. „Minerals”, 2021, 11(8), 872.
5. Milošković A., Branković S., Simić V., Kovačević S., Cirković M., Manojlović D.: The accumulation and distribution of metals in water, sediment, aquatic macrophytes and fishes of the Gruža Reservoir. Serbia. „Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology”, 2013, 90, 563-569.
6. Liu L., Luo X.B., Ding L., Luo S.L.: Application of Nanotechnology in the Removal of Heavy Metal from Water. Elsevier Inc., New York, USA, 2018.
7. Podlasińska J., Szydłowski K.: Charakterystyka stężeń wybranych metali ciężkich w osadach dennych jeziora Byszyno oraz określenie ich potencjalnego zagrożenia środowiskowego. „Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie”, 2017, 17, 85-99.
8. Ustawa z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz.U. 2013, poz. 21).
9. Tytła M., Kernert J.: Ocena zanieczyszczenia osadów dennych metalami ciężkimi oraz analiza potencjalnego ryzyka ekologicznego stwarzanego przez te pierwiastki na przykładzie zbiornika zaporowego Kozłowa Góra (województwo śląskie, Polska) – studium przypadku. „Badania i Rozwój Młodych Naukowców w Polsce, Ochrona środowiska”, Poznań, 2021, 66-73.
10. Davutluoglu O.I., Seckin G., Ersu C.B., Yilmaz T., Sari B.: Heavy metal content and distribution in surface sediments of the Seyhan River, Turkey. „Journal of Environmental Management”, 2011, 92, 2250-2259.
11. Superville P.J., Prygiel E., Magnier A., Lesven L., Gao Y., Baeyens W.: Daily variations of Zn and Pb concentrations in the Defle River in relation to the resuspension of heavily polluted sediments. „Science of the Total Environment”, 2014, 470, 600-607.
12. Singh U.K., Kumar B.: Pathways of heavy metals contamination and associated human health risk in Ajay River Basin, India. „Chemosphere”, 2017, 174, 183-199.
13. Zhang C., Shan B., Tang W., Dong L., Zhang W., Pei Y.: Heavy metal concentrations and speciation in riverine sediments and the risks posed in three urban belts in the Haihe Basin. „Ecotoxicology and Environmental Safety”, 2017, 139, 263-271.
14. Tessier A., Campbell P.G.C., Bisson M.: Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. „Analytical Chemistry”, 1979, 51, 844-851.
15. Álvarez E.A., Callejón Mochón M., Jiménez Sánchez J.C., Ternero Rodríguez M.: Heavy metal extractable forms in sludge from wastewater treatment plants. „Chemosphere”, 2002, 47, 765-775.
16. Bojakowska I., Sokołowska G.: Geochemiczne klasy czystości osadów wodnych. „Przegląd Geologiczny”, 46, 1998, 49-54.
17. Müller G.: Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River. „GeoJournal”, 1969, 2, 108-118.
18. Kabata-Pendias A.: Trace elements in soils and plants. 4^th ed., 2011, London, United Kingdom, Taylor & Francis, 41-42.
19. Hakanson L.: An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach. „Water Research”, 1980, 14, 975-1001.
20. Sakan S.M., Djordjevic D.S., Manojlovic D.D., Polic P.S.: Assessment of heavy metal pollutants accumulation in the Tisza river sediments. „Journal of Environmental Management”, 2009, 90, 3382-3390.
21. Mulligan C., Fukue M., Sato Y.: „Sediments Contamination and Sustainable Remediation”, 2009, FL, USA.
22. Nour H.E., El-Sorogy A.S., Abdel-Wahab M., Almadani S., Alfaifi H., Youssef M.: Assessment of sediment quality using different pollution indicators and statistical analyses, Hurghada area, Red Sea coast, Egypt. „Marine Pollution Bulletin”, 2018, 133, 808-813.
23. Macdonald D.D., Ingersoll C.G., Berger T.A.: Development and evaluation of consensus-based sediment quality guidelines for freshwater ecosystems. „Archives of Environmental Contamination and Toxicology”, 2000, 39(1), 20-31.
24. Tomlinson D.L., Wilson J.G., Harris C.R., Jeffrey D.W.: Problems in the assessment of heavy-metal levels in estuaries and the formation of a pollution index. „Helgoländer Meeresunters”, 1980, 33, 566-575.
25. Perin G., Craboledda L., Lucchese M., Cirillo R., Dotta L., Zanette M.L.: Heavy metal speciation in the sediments of Northern Adriatic Sea – a new approach for environmental toxicity determination. [in]: Lakkas T.D.: Heavy Metal in the Environment 2, 1985, Edinburgh, Scotland, CEP Consultants, 454-456.
26. Tytła M., Dmochowska A., Dmochowski D., Jaworska K.: Ecological risk assessment of trace metals in the bottom sediments of the young water reservoir – Bardowskiego Lagoon (Warsaw) case study. „E3S Web of Conferences”, 2018, 44, 00182.
27. Siddiqui E., Pandey J.: Assessment of heavy metal pollution in water and surface sediment and evaluation of ecological risks associated with sediment contamination in the Ganga River: A basin-scale study. „Environmental Science and Pollution Research”, 2019, 26, 10926-10940.
28. Nodefarahani M., Aradpour S., Noori R., Tang Q., Partani S., Klöve B.: Metal pollution assessment in surface sediments of Namak Lake, Iran. „Environmental Science and Pollution Research”, 2020, 27, 45639-45649.
29. Lim K.Y., Zakaria N.A., Foo K.Y.: Geochemistry pollution status and ecotoxicological risk assessment of heavy metals in the Pahang River sediment after the high magnitude of flood event. „Hydrology Research”, 2021, 52(1),107-124.
30. Jaskuła J., Sojka M., Fiedler M., Wróżyński R.: Analysis of spatial variability of river bottom sediment pollution with heavy metals and assessment of potential ecological hazard for the Warta river, Poland. „Minerals”, 2021, 11, 327.

dr inż. Malwina Tytła
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk

Czytaj także: Występowanie ftalanów w środowisku i porównanie metod ekstrakcji osadów dennych