ACTA ENVIRONMENTALICA UNIVERSITATIS COMENIANAE (BRATISLAVA) Vol. 23, 2(2015): 36-40 ISSN 1339-9802 (online), ISSN 1335-0285 (tlačené vydanie) KONTAMINACE A OBOHACENÍ ANTIMONEM V PŮDÁCH SLOVENSKA Lukáš Kudlička Katedra geochémie, Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave, Mlynská dolina, Ilkovičova 6, 842 15 Bratislava, Slovenská republika; e-mail: kudlicka@fns.uniba.sk ÚVOD Abstract: Sb contamination and enrichment in soils of Slovakia Environmental contamination is actually one of the most significant global problems that affect all its components including soil. This contamination has both geogenic and anthropogenic character. Specific case of soil contamination in Slovakia is the contamination by antimony. Presented contribution introduces the basic problems of soil contamination by antimony in Slovakia. Key words: antimony, soils, enrichment factor, anthropogenic enrichment factor Zdrojovým vstupem antimonu do zemědělské půdy je suchá a mokrá depozice, emise ze spalování odpadu a fosilních paliv, chemická hnojiva, splaškový kal a popílek (ALLOWAY 1990). Jedním z hlavních antropo-genních zdrojů znečištění jsou jemné částice z hutnického průmyslu (TSERENPIL & CONG-QIANG 2011). Hodnoty antimonu v různých půdách světa kolísají v rozsahu 0,05 260 mg.kg -1 ). Průměrná hodnota pro všechny půdy světa činí 0,67 mg.kg -1 (KABATA- PENDIAS & PENDIAS 2011). V půdách kontaminovaných odpadem z těžby a zpracování neželezných kovů a v geochemicky obohacených půdách jsou koncentrace antimonu o několik řadových hodnot vyšší (HAMMEL et al. 2000). Střední obsahy Sb v půdách Slovenska jsou 0,7 mg.kg -1 v A- a 0,5 mg.kg -1 v C-horizontech. Zvýšené koncentrace se vyskytují v půdách ve zrudněných oblastech. Jedná se o oblast Malokarpatskou, Nízko-tatranskou a oblast Spišsko-gemerského rudohoří. V těchto oblastech Sb způsobuje kontaminaci aluviálních půd některých řek (Hron, Slaná, Štiavnický potok). Zvýšené koncentrace Sb se také nacházejí v okolí hutních závodů na zpracování kovů (Krompachy, Vajsková, Rožňava) (ČURLÍK & ŠEFČÍK 1999). METODIKA Při hodnocení kontaminace půd je častým problémem zhodnotit míru vlivu antropogenních a geogenních procesů na akumulaci a distribuci potenciálně toxických prvků (Sb) v půdách. Kontaminaci půd můžeme hodnotit na základě výpočtu faktoru obohacení (BUAT-MENARD & CHESSELET 1979), antropogenního 36
faktoru obohacení (FERGUSSON 1990) či podle indexu geoakumulace (FÖRSTNER & MÜLLER 1973). Při výpočtu faktoru obohacení se jako referenční prvky používají velmi slabě pohyblivé prvky, které se akumulují v reziduální frakci: Al, Mn, Fe aj. (LOSKA et al. 1997). Vyloučením vzorek s anomálními obsahy se vytvořila druhotná databáze, která charakterizuje distribuci antimonu v nekontaminovaných půdách. Za pozaďovou hodnotu obsahu Sb v půdách byl zvolen medián. Faktor obohacení (EF) antimonem se vypočítal podle vzorce (BUAT-MENARD & CHESSELEt 1979): EF = (X (vz.) /Ref. Y (vz.) ) / X (PH) /Ref. Y (PH) ) kde: X (vz.) = obsah prvku X (resp. Sb) ve vzorku, Ref. Y (vz.) = obsah referenčního prvku (resp. Al) ve vzorku, X (PH) = pozaďová hodnota prvku X (resp. Sb) ve vzorku, Ref. Y (PH) = pozaďová hodnota referenčního prvku (resp. Al). Kategorie obohacení (kontaminace) půd antimonem byly určeny na základě vypočítaných hodnot EF (LOSKA & WIECHULA 2003); deficit až minimální obohacení (EF < 2), mírné obohacení (EF = 2 5), významné obohacení (EF = 5 20), velmi vysoké obohacení (EF = 20 40) a extrémně vysoké obohacení (EF > 40). Antropogenní faktor obohacení (AF) vyjadřuje poměr prvku ve vzorku vůči fónovému obsahu prvku. Pokud je AF < 1, tak se jedná o přirozené (fónové) obsahy; pokud je AF > 1, jedná se o antropogenní obohacení. Faktor antropogenního obohacení se vypočítal podle vzorce (FERGUSSON 1990): AF = X vz. / X PH kde: X vz. = obsah prvku X (resp. Sb) ve vzorku, X PH = pozaďová hodnota prvku. Kategorizace stupně kontaminace půd je založena na kategorizaci kvality sedimentů podle FÖRSTNERA et al. (1993): 1. prakticky nekontaminované půdy až deficitní půdy (AF 1), 2. nekontaminované půdy (1 < AF 2), 3. nekontaminované až velmi slabě kontaminované půdy (2 < AF 3), 4. slabě kontaminované půdy (3 < AF 4), 5. středně kontaminované půdy (4 < AF 5), 6. silně kontaminované půdy (5 < AF 10) a 7. Velmi silně kontaminované půdy (10 < AF). Cílem je tedy zhodnocení kontaminace půd antimonem na základě výpočtu faktoru obohacení pro A a C půdní horizont a antropogenního faktoru obohacení pro humusový A horizont. VÝSLEDKY A DISKUZE Symboly a zkratky použité v tabulkách a textu: N = počet vzorek, Min. = minimum, Max. = maximum, AP = aritmetický průměr, Me = medián, V (%) = variační koeficient, DK = dolní kvartil, HK = horní kvartil, PH = půdní horizont, EF = faktor obohacení. Statistické parametry distribuce Al a Sb jsou uvedeny v tab. 1. Na základě vypočítaných hodnot obsahu antimonu se sestavila databáze výsledků v nekontaminovaných půdách (tab. 2). Vypočítané mediánové hodnoty Sb jsou identické nebo se velmi málo liší od průměrných anebo mediánových hodnot 37
obsahu Sb v půdách publikovaných prací ALLOWAY (1990), KABATA-PENDIAS & PENDIAS (2011). Tab. 1: Statistické parametry distribuce Sb a Al (mg.kg -1 ) v půdách Slovenska (upraveno podle Šefčík & Pramuka 2009) Prvek N Min. AP SO Me Mo AH Max. V (%) Sb 11577 0,1 0,9 15,04 0,6 0,4 2,4 1165 791,6 Al 11395 0,22 6,36 1,74 6,21 5,95 10,64 14,48 27,36 Tab. 2: Statistické parametry distribuce Al a Sb (mg.kg -1 ) v nekontaminovaných půdách Slovenska A, E, B a C horizonty (upraveno podle ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009) Prvek N Min. DK Me HK Max. Sb 10266 0,1 0,4 0,5 0,9 2,3 Al 11213 0,22 5,19 6,18 7,32 10,64 Zastoupení jednotlivých kategorií faktoru obohacení (kontaminace) antimonem v humusových a minerálních horizontech je velmi variabilní. Avšak dominantní zastoupení mají první dvě kategorie deficit až minimální obohacení a mírné obohacení (tab. 3, obr. 1 a 2). Na základě výsledků z půdních sond je evidentní, že vytváří rozsáhlé plochy výskytu půd s významným až extrémně významným obohacením (kontaminací) Hodnoty v A-horizontech indikují významný vliv antropogenní činnosti a jejího důsledku na distribuci Sb v půdách Slovenska (těžba a zpracování nerostných surovin, průmysl, doprava, zemědělství, průmyslové a komunální odpady). Na distribuci antimonu v půdách mají také vliv i geogenní faktory (výskyt rudních ložisk, hydrotermálněmetasomaticky alterovaných hornin a sulfidické impregnace) (ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009). Tab. 3: Množství vzorků (v tis.) v jednotlivých třídách obohacení půd antimonem (upraveno podle ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009) Sb PH EF<2 2 EF<5 5 EF<20 20 EF<40 40 EF N A 0,1 0,9 15,04 0,6 0,4 2,4 C 0,22 6,36 1,74 6,21 5,95 10,64 Na základě obsahu antimonu v půdách Slovenska je antropogenní faktor obohacení velmi variabilní. Prostorová distribuce hodnot AF indikuje téměř identické místa rozšíření kategorií kontaminace půd, jaké byly zjištěny při výpočtu EF. Půdy jsou velmi silně kontaminované antimonem a AF je praktičtější a jednoznačnější než EF, protože kategorie kontaminace jsou založené na násobcích pozaďových hodnot (ŠEFČÍK et al. 2008). Oproti tomu, že kategorie kvality podle FÖRSTNERA et al. (1993) jsou variabilnější jako jednoznačné hodnocení AF podle FERGUSSONA (1990), poskytují velmi podobné výsledky, které byly zjištěny při hodnocení kontaminace půd Slovenska podle indexu geoakumulace (ŠEFČÍK et al. 2008). 38
Obr. 1: Faktor obohacení antimonem v A-horizontech půd Slovenska (podle ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009) Obr. 2: Faktor obohacení antimonem v C-horizontech půd Slovenska (podle ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009) Obr. 3: Antropogenní faktor obohacení antimonem v A-horizontech půd Slovenska (podle ŠEFČÍK & PRAMUKA 2009) 39
ZÁVĚR Kontaminace půd antimonem se hodnotila pomocí faktoru obohacení, antropogenního faktoru obohacení. Faktor obohacení antimonem v slovenských půdách je velmi variabilní. Dominující jsou dvě kategorie deficit až minimální obohacení a mírné obohacení, ale vyskytují se i plochy půd s významným až extrémně významným obohacením. Antropogenní faktor obohacení půd antimonem je také velmi variabilní a indikuje téměř identické místa rozšíření kategorií půd, jaké byly zjištěny při výpočtu faktoru obohacení. Index geoakumulace poskytuje též podobné výsledky jako kategorie kvality podle FÖRSTNERA et al. (1993). Antropogenní faktor je praktičtější a jednoznačnější než ostatní metody metody, ale všechny výsledky zjištěné těmito metodami poukazují na složitost a komplexnost příčin a stupně kontaminace půd Slovenska antimonem. Hodnoty v A-horizontech indikují vliv antropogenní činnosti, ale na distribuci antimonu mají vliv též geogenní faktory. Co se týče budoucnosti, bylo by potřebné zjistit speciaci antimonu a následně zhodnotit možnosti jeho migrace do jiných složek životního prostředí. LITERATURA ALLOWAY B.J. 1990. Heavy Metals in Soils. London: Blackie Academic & Profesional, 368 p. BUAT-MENARD P. & CHESSELET R. 1979. Variable influence of the atmospheric flux on the trace metal chemistry of oceanic suspended matter. Earth Planet Sci. Lett. 42: 398 411. ČURLÍK J. & ŠEFČÍK P. 1999. Geochemický atlas Slovenska, časť V.: Pôdy. MŽP SR. Bratislava: Výsk. úst. pôdoznal. a ochr. pôdy, 99 p. FERGUSSON J.A. 1990. The Heavy Elements Chemistry Environmental Impact and Health Effects. Pergamon Press, Oxford, 614 p. FÖRSTNER U. & MÜLLER G. 1973. Heavy Metals Accumulation in River Sediments a Response to Environmental Pollution. Geoforum 14: 53 61. FÖRSTNER U., AHLF W. & CALMANO W. 1993. Sediment quality objectives and criteria development in Germany. Water Sci. Technol. 28: 307 316. HAMMEL W., DEBUS R. & STEUBING D. 2000. Mobility of antimony in soil and its availability in plants. Chemosphere 41: 1791 1798. KABATA-PENDIAS A. & PENDIAS M. 2011. Trace Elements in Soils And Plants. Fourth Edition, Taylor and Francis Group, CRC Press, Boca Raton, 505 p. LOSKA K., CEBULA J., PELCZAR J., WIECHULA D. & KWAPULINSKI J. 1997. Use of enrichment, and contamination factors together with geoaccumulation indexes to evaluate the content of Cd, Cu and Ni in the Rybnik water Reservoir in Poland. Water Air Soil Poll. 93: 347 365. LOSKA K. & WIECHULA D. 2003. Application of principe component analysis for the estimation of source of heavy metal contamination in surface sediments from the Rybnik Reservoir. Chemo 51: 723 733. ŠEFČÍK P. & PRAMUKA S. 2009. Faktor obohatenia a hodnotenie kontaminácie pôd Slovenska potenciálne toxickými prvkami. ŠGÚDŠ, pp. 110 114. ŠEFČÍK P., PRAMUKA S. & GLUCH A. 2008. Hodnotenie kontaminácie pôd podlʼa indexu geoakumulácie. Agriculture 54(3): 119 130. TSERENPIL S. & CONG-QIANG L. 2011. Study of antimony (III) binding to soil humic acid from an antimony smelting site. Microchemical journal 98: 15 20. 40