Fémek szennyező forrásai A kémiai analitika szerepe a környezetvédelemben Ökológia alapjai Bevezetés az ökológiába

Átírás

1 A kémiai analitika szerepe a környezetvédelemben Ökológia alapjai Bevezetés az ökológiába Környezetanalitikai módszerek az ökológiában Simon Edina Október 8. Egészségügyi határértékek elemek, ionok megadott koncentrációját jelentik, melyek meghatározását kémiai analitikai módszerekkel végzik A modern műszerek a szennyező anyagok kis koncentrációját érzékelik a szennyezési folyamatok már csírájukban felismerhetők. Néhány jelentősebb fém szennyezés Rajna folyó szennyezése Glogów (réz, cink, mangán és ólom szennyezés) Sudbury környéke (nikkel és rézionok táplálékláncba kerülése halpusztulás) Túr folyó ( cink, réz, ólom szennyezés) Tisza folyó (cianid-és fém szennyezés) Fémek szennyező forrásai Cink galván, papír, színezék, festékipar Higany festék, papír, gyógyszeripar Kadmium fémkohászat, galvánipar Nikkel galván, kerámia, színezékipar Ólom papír, festék, textil, nyomdaipar Réz villamos, galván, textil, bőripar 1

2 Az analitikai vizsgálatok lépései Mintavétel Minta előkészítés Műszeres mérés Talajminta Felszíni vízminta A vizsgálandó minta Felszíni víz üledék mintája Állati és/vagy növényi minta A vizek felszíni szennyezőforrásai Felszíni víz mintavétel Pontminta: a vett folyadékminta a vizsgálandó víznek azon kis térfogatelemét reprezentálja, ahonnan a mintavétel történt. Átlagminta: a reprezentatív mintavételt a vizsgálandó víz lehető legnagyobb térfogatára terjesztjük ki. 2

3 Üledék mintavétel Állati minták gyűjtése hosszabbtávú szennyezések megtörténtéről nyújtanak kiemelkedően fontos információkat speciális mintavevő berendezéseket fejlesztettek ki, mintavételi lényege, hogy 1-6 m hosszú magminta vehető sokszor m mély tavakból. Szárazföldi gerinctelenek talajcsapdázás hálózás kézi gyűjtés Vízi szervezetek hálózás speciális módszerek Állati minták gyűjtésének eszközei képekben Minta előkészítés típusai Nagynyomású oldási, feltárási módszer Atmoszférikus nyomáson történő száraz roncsolás Speciális termikus bontási, hamvasztási módszerek Atmoszférikus nyomáson történő nedves roncsolás 3

4 Nagynyomású oldási, feltárási módszer Szervetlen alapanyagú minták feltárásához alkalmazzák Előnyei: könnyen illó elemek vesztesége elkerülhető nagy nyomás mellett gyorsan, rövid idő alatt végrehajtható Teflon edények alkalmazása Talaj, csiga ill. kagyló minták feldolgozása alkalmas Atmoszférikus nyomáson történő száraz roncsolás Minta ismert mennyiségének izzó kemencébe helyezése a kemencét hő lépcsők alkalmazásával melegítik Hátránya: illékony elemek (As, Hg, Cd, Pb) meghatározására nem használható Speciális termikus bontási, hamvasztási módszerek gázatmoszférában történik a termikus kezelés gázként oxigént használnak szén-dioxiddá oxidálja a szerves anyagot a szervetlen anyag hamu formájában marad vissza Atmoszférikus nyomáson történő nedves roncsolás a szárított mintát főzőpohárba helyezzük, melyhez 65%-os salétromsavat teszünk Előnye: - kis hőmérsékleten megy végbe - nem lép fel jelentős nyomelem veszteség Hátrány: - a nehezen roncsolódó szerves anyagok (zsírok) feltárására nem alkalmas pl. rovarminták, gerinces vázrendszerének roncsolása 4

5 Szilárd mintás műszeres analitikai módszerek A szilárd minták közvetlen elemzésére alkalmasak Speciális analitikai feladat megoldására (felületelemzésre) használhatók ESCA EDAX PIXE ESCA Electron Spectroscopy for Chemical Analysis/ elektronspektroszkópia kémiai analízisre, szűkebb értelemben a módszer a röntgen-fotoelektron spektroszkópiát jelenti, lényege, hogy a mintából ismert energiájú röntgensugárzással kiváltott fotoelektron csúcsok energiáinak és intenzitásainak mérésével azonosítjuk a mintában elforduló elemeket, alkalmazása: pl. a felületi tisztaság ellenőrzése, felületi szennyezők meghatározása, vékonyrétegek növekedése, felületi réteg összetételének és vastagságának meghatározása, a felületi összetétel módosulásának monitorozása ötvözetekben. PIXE Particle-induced X-ray emission/protonindukált röntgenemissziós analízis Jellemzői: szilárd anyagok közvetlen vizsgálatára alkalmazható eljárás, előnye: biológiai minták feltárása során probléma merülhet fel az oldatóságukkal kapcsolatban, ezzel e módszernél nem kell számolni, alkalmazása: pl.: csontkémiai vizsgálatok Oldatok összetételét meghatározó módszerek Atomspektroszkópiai módszerek - ICP-OES - AAS - FES - AFS Molekula spektroszkópiai módszerek - Fotometria - Spektrofotometria - Spektrofluorimetria 5

6 Atomspektroszkópiai módszerek I. Az elemek csoportosítása biológiai szerepük alapján: Esszenciális főalkotók Esszenciális nyomelemek Toxikus elemek C, N, O, P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg F, I, Se, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Si, Sn, As Li, Be, Ba, F, Cl, Br, As, Sb, Bi, Pb, Sn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg Atomspektroszkópiai módszerek II. Mintacsoportok és minták I. Mintacsoport Vizsgált elemek, ionok, vegyületek Minta vizek szennyvizek talajok iszapszerű minták porok Ag, Al, As, B, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mn, Mg, Mo, Na, Ni,Cl -, F -, NO 3 -, NO 2 -, PO 4 3- Ag, As, Cd, Cr, Cr(VI), Cu, Fe, Hg, Mn, Na, Ni, Pb, Ni,Cl -, F -, NO 3 -, PO 4 3-,NH 4 +, SO 4 2- As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn,Cl -, F -, NO 3 -, NO 2 -, PO 4 3- NH 4 +, SO 4 2- As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn,Cl -, F -, NO 3 -, NO 2 -, PO 4 3- NH 4 +, SO 4 2- As, Ba, Cd, Co, Cr, Cr(VI), Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn felszíni, felszín alatti víz, rétegvíz, figyelőkutakból vizek, ivóvíz ipari szennyvíz, települési szennyvíz mezőgazdasági talajvizsgálat, foszfor műtrágyák, körny.véd felszíni vizek üledék mintái, szennyvíziszap szállópor ülepedő por Atomspektroszkópiai módszerek III. Mintacsoportok és minták II. Mintacsoport Vizsgált elemek, ionok, vegyületek Minta Biológiai minták As, Cd, Cu, Hg, K, Pb, Zn Ca, Co, Cr, Fe, K, Mn, Mg, Na, Ni, Se, Sn Hulladékok Ag, As, Cd, Cr, Cr(VI), Cu, Fe, Hg, Mn, Na, Ni, Pb, Ni,Cl -, F -, NO 3 -, PO 4 3-,NH 4 +, SO 4 2- növényi és állati szövetek, biomonitor szervezetek települési, ipari hulladék AAS Atomabszorpciós spektrometria (AAS) az Korlátozott lehetőségek több elem együttes analízisére Szűk lineáris tartomány ez a környezeti analitikában hátrányos Oldat minták használata előnyben homogenizálhatóság, automatizálhatóság Nagyon kis lehetőség speciációra 6

7 FES Flame Emission Spectroscopy, lángfotometria Jellemzői: a legegyszerűbb felépítésű, alkálifémek (Li, Na, K) és alkáliföldfémek (Mg, Ca, Sr, Ba) mérésére kialakított atom emissziós spektrométer, elemek a természetben és az élő szervezetekben viszonylag magas, több tíz vagy több száz ppm koncentrációban fordulnak elő, ezért alkalmazása igen elterjedt közepes pontosság-igényű, rutin mérések céljaira, a műszer igen egyszerű felépítésű, olcsó Környezetvédelmi analitikában fém meghatározáshoz alkalmazott módszerek Atomspektroszkópiai módszerek: ICP-OES (induktív csatolású plazma optikai emissziós spketrometriás módszer), L-AAS (láng-atomabszorpciós módszer) Hg-AAS (higany-atomabszorpciós módszer) HIDR-AAS (hibrid-atomabszorpciós módszer) L-OES (emissziós lángfotometriás módszer) Tömegspektrometriás módszerek: ICP-MS (induktív csatolású tömegspketrometriás módszer) Atomspektroszkópiai módszerek jellemzője oldatos módszerek, az elemek széles köre elemezhető (nemesgázok, halogén elemek, hidrogén, oxigén és nitrogén általában nem mérhető) megfelelő készülés alkalmazásával egyidejűleg sok elem meghatározására van lehetőség (szimultán multielemes módszerek) Jellemzői: ICP-OES I. Nagyenergiájú gerjesztőforrás (szinte minden elem gerjeszthető) Nincs önabszorpció Szimultán többelemes módszer Tág lineáris tartomány Alacsony kimutatási határok Drága Környezetvédelmi fémanalitika egyik leghatékonyabb módszere, mely nagyszámú elem egyidejű meghatározását teszi lehetővé az elemek mennyiségi meghatározását teszi lehetővé 7

8 ICP-OES II. Atomabszorpciós módszerek I. ICP-OES módszerrel meghatározható elemek (vastag szedéssel) a laboratóriumok univerzális módszere, nagyon gyakran alkalmazott nyomanalitikai módszer, 3 egymást kiegészítő változata terjedt el: láng-aas, grafitkemence-aas és higanyhibrid-aas módszer, Atomabszorpciós módszerek II. AAS módszerrel meghatározható elemek (vastag szedéssel) Felszíni és felszín alatti víz fémkomponenseinek meghatározása I. Felszíni víz felszíni vizek vizsgálhatók egyszeri és sorozatban vett mintákból, a sorozatos mintavétel történhet az idő függvényében vagy irányulhat a hossz és keresztszelvény szerinti eltérések felderítésére, ha a mélység szerinti eloszlást nem vizsgáljuk, a felszín alatt 30 cm-re vesszük a mintát. Felszín alatti víz ún. megütött talajvíz-mintát vagy szivattyúzást követően a környezettel egyensúlyba jutott ún. nyugalmi talavíz-mintákat vehetünk, mintavétel merítéssel történik, egy megfelelő méretű polietilén palackot engedünk le, majd feltöltődés után felhúzzuk. 8

9 Talajmintavétel módszerei Talajfúrók és talajminta-vevők környezetvédelmi talajvizsgálatokhoz zavart mintákat vagy zavartalan mintákat használnak, zavart minta: egy adott rétegszelvényre kevert mintát jelent, zavartalan minta: a mintavétel során megőrizzük a a talaj eredeti rétegződését, ill. szerkezetét, kisebb mélységig (6-10 m) lazább talajból kézi talajfúróval vehető minta, nagyobb mélységekből és kötöttebb talajokból gépi hatású fúrókkal történik a mintavétel Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata I. bioindikátor szervezetek alkalmasak a környezetszennyezés következményeit feltáró tanulmányokban, biológiai értelemben indikáció alatt a következő értendő: "a populációk jelenlétükkel, illetve fenotípusos tulajdonságaikkal jelzik a környezeti tényezőket, illetőleg azok változásait. Minden alaktani, táplálkozásbeli, viselkedéstani, társulástani jelenség mögött egy vagy több ökológiai jelenség áll. Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata II. Tágabb értelemben a biológiai indikátorok jelenlétükkel, hiányukkal vagy genetikai tulajdonságaik megváltozásával jelzik a releváns környezeti tényezőket. Szűkebb értelemben a környezeti tényezők szűk intervallumához alkalmazkodó szervezeteket nevezzük biológiai indikátoroknak, melyek előfordulásukkal, hiányukkal vagy változásaikkal jelzik a környezet tulajdonságait, reagálnak a végbemenő változásokra, terhelésekre, szennyezésekre. 9

10 Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata III. Növényi minták: szöveteik felveszik a talajvízből a toxikus fémeket, illetve a toxikus fémeket tartalmazó ülepedőpor megtapad a növények felületén, növények fémszennyezése több célú: 1) emberi fogyasztásra vagy takarmányozásra kerülő növényi termékeket minősítik a toxikus fémtartalom alapján, 2) a növényeket biomonitor szervezetként használják a környezetállapot, környezetszennyezés vizsgálatára Állati minták: Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata IV. az állati szervezetek a táplálékláncon keresztül felveszik, sok esetben bizonyos szerveikben (vese, máj) koncentrálják a toxikus fémeket, fémszennyezéseik vizsgálata több célú: 1) irányulhat az emberi fogyasztásra szolgáló állati eredetű termékek minősítésére, 2) szolgálhatnak mint biomonitor szervezetek a környezet állapot, környezetszennyezés vizsgálatára. Biomonitorozás példái Urbanizáció hatásának vizsgálata kecskebéka (Rana esculenta) Zn akkumuláció vizsgálata különböző szervekben (máj, bőr, lábfejcsont, combcsont, combizom), kecskebéka (Rana esculenta) elemösszetétel (P, Ca, Mg, Mn, Na, S és Zn) vizsgálata különböző csontokban, illetve a debreceni Békás tó vizének elemzése (Ca, K, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, Ba és Sr). verőköltő bodobács csapdázó és tartósító szerek hatása az elemösszetételre (Ca, Cu, K, Mg, Mn, Na, Sr és Zn), illetve etilén-glikol és ethanol elemanalitikai vizsgálata. A városiasodott területek aránya évről évre nő. Az urbanizáció az abiotikus környezetre is nagy hatással van: Megváltoznak a hőmérsékleti viszonyok Felgyorsul a nehézfémek felhalmozódása Növekszik a légszennyezés A talajok szén és nitrogéntartalma jelentősen megváltozik 10

11 GLOBNET projekt Elemanalitikai vizsgálatok: Urbanizáció hatásának vizsgálata falevél és falevélen kiülepedett por elemösszetételére. Futóbogarak és ászkarákok elemanalitikai vizsgálata Légszennyezés becslés falevelek által A falevél 2 legfontosabb része a szennyezőanyagok megkötésében: 1. Levélfelszín 2. Gázcsere nyílás Bécsi GLOBNET projekt Vizsgált területek: urban/városi subruban/városszéli rural/városon kívüli Acer campestre Debreceni GLOBNET projekt Vizsgált területek: urban/városi subruban/városszéli rural/városon kívüli Acer negundo Acer pseudoplatanus Populus alba Celtis occidentalis Padus serotina Quercus robur 11

12 Fluktuáló aszimmetria Merisztikus jelleg A különböző környezeti faktorok fejlődési zavarokat okozhatnak az egyedek egyedfejlődése során. A fejlődési zavar hatással lehet a jobb és baloldali bilaterális jellegekre fluktuáló aszimmetriát okozva. A tapasztalt morfológiai változások alkalmasak lehetnek a környezeti terhelés vizsgálatára az urbanizációs gradiens mentén. Metrikus és egy merisztikus jelleget vizsgálhatunk. Bal szárnyfedő belső oldala Jobb szárnyfedő belső oldala Carabus violaceus Metrikus jellegek 1. Metrikus jellegek 2. csápok, palpus maxillaris, palpus labialis, femur, tarsus, tibia, fedőszárnyak, röpképes fajok esetében a hártyás szárny erezete Pterostichus oblongopunctatus 12

13 Metrikus jellegek 3. Felhasznált irodalom Láng István (főszerk.): Akadémiai Lexikon Környezetvédelem (a-k). Akadémiai Kiadó Kőmives József (szerk): Környezeti analitika. Műegyetemi Kiadó Papp Lajos: Mintavételi és mintaelőkészítési módszerek szervetlen komponensek műszeres kémiai analíziséhez. KLTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék w3.atomki.hu/phd/these/ber%e9nyi%20zolt%e1n/.../2 _1_2.pdf phd.okm.gov.hu/disszertaciok/ertekezesek/2006/de_33 80.pdf Tenebrio molitor Ellenőrző kérdések 1. ICP-OES módszer jellemzői 2. Az ökológia és a környezeti analitika kapcsolata: növényi és állati mintákra vonatkozóan 3. Urbanizáció hatásai 4. Bécsi és debreceni GLOBNET projekt levélmintákkal 5. Fluktuáló aszimmetria, metrikus és merisztikus jellegek példái Köszönöm a figyelmet! 13