Kontaminace organickými polutanty a těžkými kovy včetně jejich transportu, zachycení a degradace v krajinných celcích

V rámci environmentálně-geochemického a geologického mapování ČR 1 : 25 000 (ČGS) a společných projektů s RECETOXem MU Brno jsou v půdách, jezerních sedimentech a polétavém prachu Brněnska sledovány persistentní organické polutanty (POPs) spolu s těžkými kovy (HM). V návaznosti na geologickou stavbu a využití půdy jsou sledovány polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) uvedené v Tab. 1 a těžké kovy (HM).

Tab. 1. Zkratky a plný název 16 prioritně sledovaných polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) v životním prostředí podle US EPA.

Tab. 1. Zkratky a plný název 16 prioritně sledovaných polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) v životním prostředí podle US EPA.

Vzorkování je prováděno podle metodiky vypracované pracovní skupinou FOREGS (Salminen et al. 1998). V síti bodů jsou po odstranění vegetace odebrány vzorky svrchního půdního horizontu (tzv. „topsoil“) z hloubky 0 až 3 cm a na vybraných lokalitách také kontrolní kompozitní vzorky půdy z hloubky 15–25 cm („subsoil“). Při odběrech je brán zřetel na geologickou stavbu území tak, aby vzorky půd byly odebrány nad každým více rozšířeným horninovým typem.

V každém vzorku jsou vedle PAH a HM analyzovány obsahy celkového organického uhlíku a celkové síry. Pro výzkum původu PAH jsou používány jak absolutní obsahy, tak genetické poměry vybraných látek. Všechny údaje jsou hodnoceny pomocí vícerozměrné statistiky, která umožňuje rozdělit vzorky a lokality do vzájemně podobných skupin. Příkladem je shluková analýza a dendrogram na obr. 1, kde je euklidovská vzdálenost měřítkem vzájemné odlišnosti vzorků. Barevně jsou rozlišeny shluky A – C, u kterých je pozorován zvýšený obsah PAHs a D – E, které představují přírodní pozadí. Skupinu F tvoří vzorky hlubší vrstvy půdy („subsoil“).

Obr. 1 Dendrogram shlukové analýzy na základě celkového organického uhlíku, typu PAH a celkového obsahu PAH v půdním pokryvu na listu mapy 1 : 25 000 Ostrov u Macochy (24-233). (Autor: Juraj Franců a Vratislav Pecina )

Nejsilnějším sorbentem polutantů v půdním pokryvu je organická hmota, její množství je měřeno obsahem celkového organického uhlíku (TOC). Na grafu Suma PAH – TOC (obr. 2) je vidět konsistentní trend uvedené závislosti u skupin C, D, E a F, které jsou interpretovány jako přírodní pozadí. Mírné zvýšení obsahu PAH se projevuje u skupiny B a C a vysoké u skupiny A.

Z genetického hlediska jsou důležitým kritériem poměry vybraných PAH, např. anthracen k fenanthrenu (ANT/(ANT+PHE)) a fluoranthenu k pyrenu (FLU/(FLU+PYR), Yunker et al. 2002). Na obr. 3 jsou znázorněny vzorky, které vytváří souvislou řadu od přírodního pozadí k látkám vznikajícím při spalování paliv na ropné bázi, charakteristickým pro znečištění silniční dopravou, případně méně kvalitními naftovými topeništi. Spalování dřeva rovněž v nekvalitních topeništích se projevuje zvýšeným obsahem fluoranthenu.

Obr. 2. Celkový obsah polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) v závislosti na obsahu celkového organického uhlíku (TOC) v půdním pokryvu. Skupiny vzorků A – F jsou vyčleněny na základě vícerozměrné statistiky typů a celkového obsahu PAH a TOC.

Obr. 3. Charakteristika pravděpodobného původu PAH v půdním pokryvu mapového listu Ostrov u Macochy na základě poměrů anthracenu k fenanthrenu: ANT/(ANT+PHE) (m/z 178) a fluoranthenu k pyrenu (FLU/(FLU+PYR).

Prostorová distribuce polutantů je zpracovaná formou envi-vrstvy v prostředí geografického informačního systému (GIS) a znázorněna izoliniovými mapami (obr. 4 a 5). Datové soubory umožňují analýzu faktorů podmiňujících pravděpodobný původ a kvantitu POPs a těžkých kovů v životním prostředí. Pomocí modelů lze předpovídat regionální distribuce polutantů v krajině. Specifické krajinné celky jsou tam, kde horninové složení geologického podloží, např. s černými břidlicemi, zvyšuje hodnoty přírodního pozadí a ovlivňuje indikátory znečištění.

Obr. 4 Mapa celkového obsahu polycyklických aromatických uhlovodíků v poměru k celkovému organickému uhlíku PAH/TOC v jednotkách mg kg-1 (tj. ppm) v povrchové vrstvě půdního pokryvu mapového listu 24-233 Ostrov u Macochy. Černé body označují místa odběrů vzorků. Šrafami jsou rozlišeny geologické jednotky: 1 drahanský kulm, 2 jednotka Moravského krasu, 3 křída v Moravském krasu, 4 východní granodioritová oblast.

Těžké kovy v půdním pokryvu se vyhodnocují pomocí map koeficientu průmyslové kontaminace (CIP = Contamination Index of Pollution). Tento koeficient je sumou koncentrací vybraných kovů v povrchové vrstvě půdy na odběrových místech dělený hodnotou pozadí (Čurlík, Šefčík 1997, Kříbek et al. 2004, 2005 a 2006):

CIP = (As/mAs + Cd/mCd + Cu/mCu + Pb/mPb +Zn/mZn + Hg/mHg)/6

Hodnoty CIP < 1 vymezují nekontaminované území. Hodnoty CIP > 2 indikují střední až silnou kontaminaci (obr. 5), kde je zvýšená hodnota indexu CIP způsobena vysokým obsahem Hg (0,435 až 0,549 ppm), Zn (122 až 279 ppm) a částečně i Pb (81 až 123 ppm) a Cu (18 až 25 ppm). Pozadí s hodnotou indexu CIP 1–2 velmi pravděpodobně ukazují pouze vliv geologického podloží.

Obr. 5. Mapa izolinií hodnot indexu CIP na listu mapy 1 : 25 000 Ostrov u Macochy (24-233). Distribuce hodnot je znázorněna v krabicovém diagramu. Černé body označují místa odběrů vzorků. 1 – drahanský kulm, 2 – jednotka Moravského krasu, 3 – křída v Moravském krasu, 4 – východní granodioritová oblast brněnského masívu

Překročení indikátorů znečištění uváděných českými nebo mezinárodními normami ještě neznamená překročení sanačních limitů, je však impulzem k podrobnější analýze rizik krajinných celků.

Literatura:
Everitt, B. S., Landau S. and Leese M. (2009): Cluster Analysis, Fourth Edition, John Wiley & Sons. 256 s.
Salminen, S., Bouley, M.C., Boutron-Rualt, M.C., Cummings, J., Franck, A., Gibson, G., Isolauri E., Moreau, M.-C., Roberfroid, M. and Rowland, I. (1998) `Functional Food Science and Gastro-intestinal Physiology and Function' in Br. J. Nutr. Suppl 1, 147-171.
Yunker, R.B., Macdonald, R. W., Vingarzanc, R., Mitchelld, R. H., Goyettee, D., Sylvestrec, S. (2002): PAHs in the Fraser River basin: a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH source and composition. Organic geochemistry 33, 489–515.