Krzysztof Wołowiec

Student IV roku chemii

Studenckie Koło Naukowe ,,KALCYT”

Akademia Świętokrzyska

im. Jana Kochanowskiego w Kielcach

Recenzent: prof. dr hab. Zdzisław M. Migaszewski

Kadm, żelazo i ołów w próbkach śniegu zebranych w sąsiedztwie drogi krajowej 762

Streszczenie: W ośrodkach przemysłowych, dużych miastach i na obszarach działalności człowieka antropogeniczne źródła stanowią główny czynnik wprowadzający metale ciężkie do środowiska przyrodniczego. Jednym z takich źródeł jest transport. Na potrzeby niniejszej pracy wyznaczono 11 punktów pomiarowych, w odległości co 15 m, po dwóch stronach ruchliwej drogi krajowej 762 Kielce – Kraków, w okolicy miejscowości Słowik, z których pobrano próbki śniegu do oznaczeń zawartości Cd, Fe i Pb. Analizy wykonano metodą płomieniowej atomowej spektroskopii absorpcyjnej (FAAS).

Słowa kluczowe: Kadm, ołów, żelazo, źródła metali ciężkich, zawartość metali w śniegu, atomowa spektroskopia absorpcyjna.

Metale ciężkie w środowisku przyrodniczym

Źródła metali w środowisku przyrodniczym można podzielić na dwie podstawowe grupy: naturalne i antropogeniczne. Należy oczekiwać, że na terenach zamieszkanych, szczególnie w ośrodkach przemysłowych oraz dużych miastach, działalność człowieka jest czynnikiem warunkującym podwyższone koncentracje metali w atmosferze, wodach czy glebach. Najważniejszymi źródłami antropogenicznymi są w tym przypadku hutnictwo i przemysł metalurgiczny, choć z drugiej strony duże znaczenie ma również spalanie paliw kopalnych, transport czy zrzuty ścieków. O tym, który z tych czynników w największym stopniu wpływa na zanieczyszczenie środowiska decyduje specyfika badanego obszaru (obecność lub brak dużych ośrodków przemysłowych, natężenie transportu, gęstość zaludnienia, pora roku).

Poruszając temat metali ciężkich większość osób kojarzy je z ich szkodliwym działaniem. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na biodostępność, czyli zdolność do przyswajania pierwiastka przez organizmy żywe. Sama obecność pierwiastka w środowisku nie świadczy jeszcze o jego szkodliwości. Aby dany element mógł wywołać określony efekt (korzystny czy szkodliwy) musi znajdować się w formie biodostępnej. Wiele z metali zaliczanych do grupy metali ciężkich odgrywa bardzo ważną rolę biochemiczną w organizmie człowieka np. Zn, Fe. Także dawka określana jako bezpieczna jest różna dla różnych pierwiastków – warto tu przywołać zasadę, że trująca jest nie jakość, ale ilość.

Metodyka badań

Zakres badań obejmował oznaczenia zawartości wybranych metali (Cd, Fe, Pb) w śniegu z okolic miejscowości Słowik. Punkty pomiarowe były zlokalizowane, w równej odległości od siebie (po 15 m) po obu stronach drogi krajowej 762 Kielce – Kraków, z dala od zabudowań (ryc. 1). Wyznaczono sześć takich punktów po stronie wschodniej (1W, 2W, 3W, 4W, 5W, 6W) oraz pięć po stronie zachodniej (1Z, 2Z, 3Z, 4Z, 5Z). Wybierając lokalizację kierowano się występującym tam dużym natężeniem ruchu drogowego. Próbki pobrano 9 lutego 2005 roku z powierzchniowej warstwy pokrywy śnieżnej, za pomocą teflonowej łopatki, tydzień od ostatniego opadu. Po rozpuszczeniu, przesączeniu i zmineralizowaniu próbek oznaczano w nich zawartość Cd, Fe i Pb metodą płomieniowej atomowej spektroskopii absorpcyjnej (FAAS), przy użyciu spektrometru model PU 9100 X UNICAM.

Ryc. 1. Lokalizacja punktów pomiarowych. Poniżej profil badanego terenu (bez zachowania skali)

Zasada działania ASA polega na doprowadzeniu próbki do postaci wolnych atomów, na które kierowane jest monochromatyczne (o ściśle określonej długości fali) promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez lampę katodową. Katoda wykonana jest z reguły z oznaczanego metalu. Jeżeli wśród atomów próbki, na które pada wiązka promieniowania znajdują się atomy identyczne z materiałem katody, to następuje absorpcja, przez co promieniowanie po przejściu przez próbkę ma mniejsze natężenie. Spadek natężenia jest tym silniejszy im wyższe jest stężenie atomów zdolnych do absorpcji. Wynikają z tego ważne właściwości ASA: w danym momencie można oznaczyć tylko jeden pierwiastek (ten, którego atomy są zdolne absorbować daną długość fali), jest to technika w zasadzie wolna od interferencji (współwystępujące pierwiastki nie wpływają na wynik oznaczenia, ponieważ przy określonej dla jednego z nich długości fali, inne nie są w stanie pochłaniać promieniowania). Należy również podkreślić, że atomizacja próbki uniemożliwia przeprowadzenie specjacji, czyli określenie formy występowania oznaczanego metalu w pierwotnym materiale badanym (Szczepaniak, 2004). Obserwacje terenowe, tak ważne do interpretacji uzyskanych wyników, pozwoliły na stwierdzenie obecności lub braku różnych czynników antropogenicznych (np. metalowych elementów typu bilboardy, znaków drogowych, lokalnych emisji itp.) lub środowiskowych (np. topografii terenu).

Wyniki badań i ich dyskusja

Kadm (Cd)

Kadm jest pierwiastkiem silnie toksycznym. Charakteryzuje się dużą mobilnością w roślinach osiągając najwyższe koncentracje w liściach i korzeniach. Szkodliwe zawartości tego metalu wynoszą 3 – 5 mg/kg w przypadku gleb oraz 0,05 – 0,5 mg/kg dla roślin. Jego toksyczność wynika z działania na kilka ważnych enzymów (dochodzi do powstania połączeń z metaloenzymami) oraz białkami. Warto dodać, że cynk i miedź ograniczają asymilację kadmu, natomiast ołów podwyższa jego zawartość w roślinach. W przypadku człowieka metal ten kumuluje się w wątrobie i nerkach, prowadząc do ich uszkodzeń i zmian nowotworowych. Innym objawem zatrucia kadmem są uszkodzenia układu oddechowego – obrzęk i rak płuc. Powoduje on także odwapnienie i deformację kości oraz zanik mięśni (Migaszewski, Gałuszka, 2003).

Zawartość Cd w badanych próbkach śniegu przedstawiono na wykresie (ryc. 2). W 7/11 punktów pomiarowych stężenia tego metalu były niższe od 0,01 mg/l (<0,01 mg/l), czyli poniżej poziomu wykrywalności dla przyjętej metody. Nie stwierdzono podwyższonych koncentracji kadmu w próbkach 1Z i 1W, pobranych najbliżej ruchliwej drogi. Należy przyjąć, że ilość tego pierwiastka, wprowadzana do atmosfery wraz ze spalinami, jest niewielka, bądź też ulega depozycji w najbliższym otoczeniu jezdni (śnieg do badań został pobrany w odległości 15 m od drogi). Wyjątkowo wysoką zawartość Cd stwierdzono w próbce 3Z. W bezpośrednim sąsiedztwie miejsca pobrania próbki śniegu przebiega droga polna z wyraźnymi śladami opon samochodowych. Wydaje się więc, że mogło to być powodem podwyższonej koncentracji (0,548 mg/l) omawianego metalu. Eliminując wpływ ruchu drogowego oraz zabudowań (brak budynków w najbliższym otoczeniu) na zawartość kadmu w śniegu, można przyjąć, że główne źródło tego pierwiastka mogłyby stanowić metalowe znaki drogowe czy różnorakie tablice umieszczone w pobliżu. Jednak elementy takie nie występowały na obszarze objętym badaniem. O ile w punkcie 6W zawartość Cd (0,053 mg/l) może pochodzić od obecnej tam materii organicznej (próbka została pobrana pod drzewami, które stanowiły granicę lasu), to trudno znaleźć wyjaśnienie dla podwyższonych stężeń w punktach 3W i 4W (odpowiednio: 0,075 mg/l i 0,208 mg/l). Prawdopodobnym źródłem mogły być pyły, które są podstawowym nośnikiem metali ciężkich w powietrzu.

Ryc. 2. Zawartości Cd (mg/l) w badanych próbkach śniegu

Ołów (Pb)

Podobnie jak kadm, ołów wykazuje właściwości toksyczne. Jego szkodliwe koncentracje w glebach i roślinach to odpowiednio100 i 30 – 300 mg/kg. W przypadku roślin wysoka zawartość tego pierwiastka powoduje obniżenie tempa fotosyntezy i pobierania wody. Stwierdzone, szkodliwe działanie ołowiu na organizmy zwierzęce (w tym organizm człowieka) polega na ograniczeniu aktywności enzymów. Blokuje on także syntezę hemoglobiny. Zaobserwowano zaburzenia pracy nerek i wątroby w przypadku długotrwałego narażenia na ten metal. Poza tym ekspozycja na Pb wpływa na centralny i obwodowy układ nerwowy oraz układ naczyniowo – ruchowy.

Można przyjąć, że głównym źródłem ołowiu na omawianym obszarze jest spalanie paliw, zarówno w silnikach samochodowych jak i w celach energetycznych (ogrzewanie gospodarstw domowych). Przyjęta metoda umożliwiła dokładne określenie stężenia Pb przy jego zawartości powyżej 0,03 mg/l. Najwyższe stężenie zanotowano w próbce 2W (0,329 mg/l) (Ryc. 4). Biorąc pod uwagę ukształtowanie terenu (ryc. 1), podwyższoną zawartość metalu w tym miejscu można wiązać z biegnącą w pobliskiej odległości (około 30 m) linią kolejową. Wysokie stężenia ołowiu w punktach 2E (0,317 mg/l), 3E (0,194 mg/l) i 4E (0,306 mg/l) są prawdopodobnie wynikiem opadów pyłów atmosferycznych stanowiących istotne źródło metali ciężkich. Z kolei koncentracje poniżej wykrywalności dla punktów 1W i 1E (najbliższych ulicy) świadczą – podobnie jak w przypadku Cd – o niewielkim udziale transportu w emisji ołowiu w tym rejonie lub szybkiej depozycji metalu w bezpośrednim otoczeniu jezdni.

Ryc. 3. Zawartość Pb (mg/l) w badanych próbkach śniegu

Żelazo (Fe)

Żelazo jest bardzo rozpowszechnionym pierwiastkiem w przyrodzie. Występuje głównie w postaci minerałów: magnetytu Fe₃O₄, hematytu Fe₂O₃, limonitu Fe(OH)₃, syderytu FeCO₃ i pirytu FeS₂. Pod względem rozpowszechnienia zajmuje ono czwarte miejsce w skorupie ziemskiej a drugie (po Al) jako metal. Należąc do tzw. biopierwiastków, żelazo pełni niezwykle istotną rolę w organizmach żywych. Organizm człowieka dorosłego zawiera 4 – 5 g żelaza. Wchodzi ono w skład wielu enzymów związanych z oddychaniem wewnątrzkomórkowym. Stanowi składnik cząsteczki hemoglobiny. Od żelaza zależy: działanie enzymów, stan krwinek czerwonych, oddychanie komórkowe, prawidłowa czynność serca, procesy podziału komórek, przemiana hormonalna, rozwój tkanki mięśniowej, stan układu odpornościowego, zaopatrzenie komórek w tlen Zarówno wchłanianie, jak i metaboliczna funkcja żelaza są powiązane z oddziaływaniem innych pierwiastków. Szczególnie antagonistyczne działanie wykazują Cd, Mn, Pb i Zn. Dzienne zapotrzebowanie dorosłego człowieka na ten pierwiastek wynosi 10 – 18 mg. Niedobór doprowadza do niedokrwistości oraz uszkodzenia włosów, skóry i paznokci (rozdwajanie się płytki paznokciowej i końcówek włosów). Inne objawy to: bezsenność, uczucie zmęczenia, zaburzenia koncentracji i zapamiętywania, brak łaknienia, bladość powłok skórnych, zespół zimnych dłoni i stóp, szum w uszach, zawroty głowy, częste omdlenia, zmiany zanikowe języka, dziąseł i błon śluzowych gardła (ból przy przełykaniu śliny) oraz żołądka, utrata smaku i węchu, zmniejszenie siły mięśniowej.

Źródła Fe w przyrodzie mogą być bardzo różnorodne. Jest ono składnikiem (często podstawowym) wielu przedmiotów codziennego użytku. Skłonność do korozji powoduje, że wysypiska śmieci, gospodarstwa domowe jak również pojedyncze elementy zawierające Fe, wystawione na działanie powietrza, wody i różnic temperatury, stają się znaczącym źródłem tego metalu w środowisku. Ze względu na jego rozpowszechnienie, dużego znaczenia nabierają także procesy wietrzenia skał. Innym naturalnym źródłem żelaza jest martwa materia organiczna. Wszechobecność Fe często sprawia, że trudno wskazać jednoznacznie pochodzenie tego pierwiastka.

Wyniki oznaczenia żelaza przedstawione zostały na wykresie (ryc. 4). Wśród analizowanych próbek śniegu najwyższą zawartość omawianego metalu stwierdzono w punkcie 1W (0,125 mg/l), co może być spowodowane niewielką odległością miejsca opróbowania od torów kolejowych (około 3 m). Obecność pewnej ilości dziko rosnących krzewów nie wydaje się być powodem podwyższonej koncentracji Fe w tym punkcie biorąc pod uwagę, że w punktach 1Z, 2Z oraz 6W, mimo dużo większej ilości roślin (liczne drzewa) stężenie żelaza było znacznie niższe (odpowiednio: 0,035 mg/l, 0,030 mg/l, 0,041 mg/l). Zawartość metalu w punkcie 5Z wydaje się mieć przypadkowe pochodzenie.

Ryc. 4. Zawartość Fe (mg/l) w badanych próbkach śniegu

Wnioski

Porównanie zawartości kadmu, ołowiu i żelaza w analizowanych próbkach śniegu przedstawione zostało na wykresie (ryc. 5). Nie stwierdzono wyraźnej korelacji stężenia z odległością od ruchliwej ulicy, co każe przypuszczać, że na terenie objętym badaniem transport nie jest czynnikiem determinującym ilość Cd, Pb i Fe wprowadzanych do środowiska. Wydaje się poprawnym stwierdzenie, iż podwyższona koncentracja tych pierwiastków w niektórych punktach ma charakter przypadkowy, np. celowo porzucone odpady (w tym ścieki) zawierające analizowane pierwiastki. Istotny wkład wnoszą także pyły atmosferyczne, stanowiące poważne źródło różnorodnych metali ciężkich, które są zatrzymywane przez naturalne bariery, jak np. pasy zieleni, lasy, zagłębienia terenu. Ma to duże uzasadnienie, ponieważ zima jest okresem o wzmożonej emisji pyłów do atmosfery (spalanie paliw w celach grzewczych). Ciekawie przedstawia się zawartość badanych metali w sąsiedztwie koryta rzeki Bobrzy. Bardziej szczegółowe badania, uwzględniające chemizm wód i osadów tego cieku mogłyby potwierdzić jej udział jako źródła Cd, Fe i Pb.

Ryc. 5. Porównanie zawartości oznaczanych metali w badanych próbkach śniegu

Literatura

Kabata-Pendias A., Pendias H., 1999 – Biogeochemia pierwiastków śladowych. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa.

Migaszewski Z., Gałuszka A., 2003 – Zarys geochemii środowiska. Wyd. Akad. Święt.. w Kielcach.

Szczepaniak W., 2004 – Metody instrumentalne w analizie chemicznej. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa.

Opracował: Krzysztof Wołowiec

rhodium@autograf.pl

powrót