ارزیابی آلودگی و منش برخی عناصر سنگین در خاک‌های

سلنیوم عنصری و همچنین دو نوع اکسی آنزیمهای آن شامل سلنیت و سلنات    (SeO32- , SeO42-) نیز ممکن است در خاکها و فراماسیون های جیولوژیکی وجود داشته باشد. اسید استیک و EDTA (اتلین دی امین تترا استیک اسید) بصورت معمول برای استخراج کوبالت از خاکها مورد استفاده قرار می گیرند،این عمل تقریباً منجر به 70% استخراج کبالت می گردد. نهایتاً اینکه کبالت 60 به نیکل غیر رادیواکتیو تجزیه و متلاشی می شود(60Ni ) 60Co  بخاطر تابش اشعه گاما مناسب کاربردهای صنعتی فراوانی است. 3-   تعیین ریسک دوز (مقدار) تجمعی برای یک جمعیت و نه فقط افراد ،باید مورد توجه قرار گیرد. 1-   بعید است که این آلاینده ها اثرات نامطلوبی بر تولید محصول یا فعالیت بیولوژیکی داشته باشند،البته مناطق آلوده شده استثناء است. چنین اثراتی برای سایر رادیونیوکلیدهای رایج (common) در خاک گزارش نشده است.

وایلی و مارتین در سال 1997 و استانتون و دیگران در سال 2003(Willey & Martin, Staunton et al) به نتیجه فوق رسیده  بودند. اگر غلظت خاک محلول پتاسیم زیر یک mm باشد پیش گوئی ها بهبود می یابد. ریشه های گیاهان سزیم را براحتی جذب می کنند و این موضوع بخاطر شباهت سزیم با ماده مغذی ضروری یعنی پتاسیم است. مطالعات میدانی در خصوص دست یابی سزیم (bioavailability) نشان دادند که سزیم در طول سالهای متعاقب آلودگی، کاهش می یابد. با افزایش غلظت سزیم تناسب میل ترکیبی پائین یا تبادل منظم سایت ها افزایش می یابد.

ولی این ذرات بنحو بسیار شدیدی قابلیت یونیدن (یونیزه شدن) داشته و بدین ترتیب هنگامیکه در تماس مستقیم با سیستمهای بیولوژیک قرار گیرند، قادرند خسارت های گسترده و قابل ملاحظه ئی به بار آورند. 1-   ایزوتوپهای رادیواکتیو بعضی از فلزات علاوه بر اثرات بیولوژیکی، قادرند با سایر ایزوتوپهای همان عنصر فلزی مشارکت داشته و در چنین حالتی ممکن است به علت اشعه هائی که ساطع می کنند، اثرات نامطلوبی به بار آورند. ایزوتوپهای رادیو اکتیو بعضی از فلزات و شبه آنها بصورت طبیعی و همچنین در نتیجه فعالیت های انسانی در سیستم های خاک بوجود می آیند. با استفاده از این سامانه، کشاورزان و مدیران مزرعه می‌توانند تصمیمات دقیق‌تر و هوشمندانه‌تری در مورد مدیریت خاک خود اتخاذ کنند. این رویکرد نوین در ارزیابی بافت خاک، گام مهمی در جهت توسعه کشاورزی دقیق و پایدار و افزایش راندمان تولید است.

در هر صورت دامنه ضرایب توزیع جامد – مایع برای خاکها کمتر از Zr95 است. شپارد و تیبالد (Sheppard & Thibauld) در سال 1990 اعلام کردند که اوزان Kd برای نوبینوم (Nb95) در محدوده ئی از L kg-1 برای خاکهای ماسه ئی تا L kg-1برای خاکهای ارگانیک است. ا نتظار می رود این عنصر چهار والانسی  در خاکها و رسوبات از جذب سطحی بسیار قوی برخوردار باشد. از ایزوتوپهای رادیو اکتیو فوق فقط Zr95 به لحاظ آلوده کردن محیط زیست به طرز فوق العاده ئی  با اهمیت است. کاهش آشکار جذب شدن استورنتیوم در طول مدت یک دوره چهارماهه در خاکهای در معرض سیل بدلیل تغییر شرایط خاک بدون دخالت تثبیت، توسط وانگ و استانتون در سال 2005 (Wang & Staunton) گزارش شده است.

شکل فیزیکی ، شیمیائی 106 Ru که در سطوح خاک در مناطق نزدیک و خیلی دور دپوزیت (deposite) شده است، کاملاً متفاوت بوده است. در هر صورت رونیو و دیگران (Ronneau etal) در سال 1995 گزارش کردند که تقریباً 100 درصد روتنیوم در یک ماتریس اکسید اورانیوم در هنگامی که درجه حرارت بالا باشد، در زمان آتش گرفتن راکتور می تواند تبخیر گردد. باکتری های گرم منفی (Gram – negative bacteria) ممکن است  Tc را تحت شرایط اکسیدی به اشکال غیر قابل حلی، انتقال دهند. Desulfovibrio dessulforicans گزارش شده است که Tc(VII) را تحت شرایط غیر هوازی کاهش می دهند. جذب زیستی پرتکنیتات (Biosorption of pertechnetate) توسط باکتری های سیان (Cyanobacteria) وابسته به انرژی نبوده و به راحتی برگشت پذیر است. آنها فراکسیون های (Fractionations) متفاوتی برای سه رسوب مطالعه شده پیدا کردند.

با افزایش دانش در مورد تأثیر فلزات سنگین مواد غذایی بر سلامت انسان ، کیفیت منابع خاک توجه و نگرانی قابل توجهی را به خود جلب کرده است. "ارزیابی کمّی آلودگی فلزات سنگین در خاک", تحقیقات کاربردی خاک, 8, 2, 1399, 37-52. گوئی وارچ و دیگران (Guivarch et al) در سال 1999 به این نتیجه رسیده اند که اوزان Kd واحدی برای سزیم بین 2 تا 6 بار بزرگتر از اوزان Kd جذب سطحی آن است. تعیین عدم جذبیت (جذب شدن) سزیم بسیار مشکل است و مطالعات زیادی شرایط معینی را برای جذب سطحی و عدم آن مورد استفاده قرار نمی دهد. این مشاهدات پیشنهاد می کند که جذب سطحی پلی مر نزدیک کناره سائیده های ایلیت(رسوبات معدنی ثانویه) مسئول این اثر است.

ولی Sb3+ ساده و Sb5+ کاتیون ها به نظر نمی رسد که بصورت محلول وجود داشته باشند. از میان اشعه های تولید شده، اشعه اصلی در 427KeV (30.6%)  و 598KeV (18.6%)  می باشد. در جریان تابش، طیفی وسیعی از اشعه های گاما در محدوده KeV 450 تا 1560 نیز تولید می گردد. 110Ag توسط فعال سازی نوترون 109Ag تولید گشته و بواسطه تابش های بتا(β) به کادمیم 110 تجزیه می گردد. نقره در طبیعت به شکل دو ایزوتوپ پایدار وجود دارد که(51.4%)107Ag   و 109Ag(48.6%) درصد  را بخود اختصاص می دهند. آنالیزهای آماری نشان داد که تقریباً 2500 مرتبه تفاوت در درجه ئی که گروه های گیاهی متفاوت روتنیوم را جذب می کنند وجود دارد و 36% این تفاوت ها  مربوط به تفاوت های طبقه بندی  در گیاهان است.

اطلاعات نسبتاً بیشتری در خصوص جذب سزیم توسط اجسام میوه ئی قارچ، مخصوصاً قارچ های خوراکی وجود دارد. بعداً همان گروه نشان دادند که جذب رادیو سزیم برای هیفای می کوریزائی (Mycorihizai hyphae) نسبت به ریشه ها کمتر و پائین تر است. میل ترکیبی کلی و روی هم رفته سطح ،غالباً توسط کاهش های مقادیر (مقدار) Kb تعیین میگردد. اوزان Kd برای خاکها ممکن است در خاکهای ماسه ئی یا خاکهای با محتوای ارگانیک بالا بزرگتر از اعدادی باشد که برای ایلیت (illite) خالص و بسیار کمتر برای مونت موری لونت (Mont Moril Lonite) گزارش شده است. با انجام آنالیز ها توسط سنسورهای میکرو Xr ثابت شد  که سزیم 137Cs در کناره های میکا و کانال های داخلی با استفاده از انتشار در حالت جذب سطحی، تجمیع  می گردد.

جذب سطحی معمولاً بصورت همزمان و کاملی، قابل برگشت نیست و فقط در مواردی محدود اتفاق می افتد. این فرایند مخصوصاً هنگامیکه در لایه های داخلی خاک وجود دارد،میسور است. اشعه جذب سطحی شده یا دوز فیزیکی، مقدار و میزان انرژی انتقال یافته به ماده است. زمان مورد نیاز برای واپاشی (تجزیه شدن) یک ماده رادیواکتیو به نصف میزان اولیه و بدین ترتیب کاهش میزان تشعشع از ماده با فاکتور دو است. در این مقاله کوشش می شود تا بعضی از فلزات رادیواکتیو که باعث آلودگی خاک می گردند، مورد بررسی قرار گیرند.

استفاده از راهکار تجزیه به مؤلفه‌های اصلی منتج به استخراج تنها دو مؤلفه‌ی اثرگذار بر توزیع داده‌ها شد که در مجموع، حدود 84 درصد از واریانس کل داده‌ها را توجیه می‌کنند. به‌نظر می‌رسد فعالیت‌های مختلف صنعتی انجام گرفته در شهرک صنعتی روی، عامل اصلی کنترل کنندة توزیع عناصر سرب، روی و کادمیوم در خاک‌های اراضی مطالعاتی است؛ در حالی‌که عناصر نیکل و مس تحت تأثیر عامل مواد مادری می‌باشند. انطباق یافته‌های این پژوهش با نتایج پژوهش‌های پیشین در منطقة مطالعاتی، بیان‌گر کارایی آمار چندمتغیره برای شناسایی منشأهای احتمالی فلزات سنگین در خاک است. آلودگی فلزات سنگین در خاک و آب سبب ایجاد مشکلات جدی زیست محیطی می شود، زیرا تجزیه نمی شوند. فلزات سنگین در زمان های مختلف در خاک و گیاهان انباشته می شوند و می توانند تأثیر منفی بر فعالیت های فیزیولوژیکی گیاهان (مانند فتوسنتز، تبادل گازی و جذب مواد مغذی)، رشد گیاه و محصول آن داشته باشند.

البته هنگامی است که وجود رادیو سلنیوم منجر به نگرانی میگردد، تمامی مطالعات فوق ضرورتاً نمی توانند به همه موفقیت های بیان شده تعمیم داده شوند. البته تابش های بتا توسط تابش دو اشعه گاما با انرژی نسبتاً بالا در 1173 و 1332 kev همراه است. این نگرش بصورت کمتر سیستماتیک برای سایر اشکال آلودگی  نیزکاربرد دارد. اما هیچ مکانیزم اکویوالانی (مشابهی) برای فلزات قلیائی (alkali) مثل Rb و Cs  ویا  شبه آنیونها همانند Sc و  Tc وجود ندارد. بلکه این سیستمها نیز محیط شیمیائی خود را تغییر داده و در تعاقب آن گونه های شیمیائی نیز تغییر می کنند.

میانگین غلظت تمام فلزات سنگین به جز کبالت چندین برابر بیشتر از مقدار زمینه (غلظت در پوسته زمین) بود. بر اساس میانگین فاکتور غنی شدگی (EF) در منطقه مورد مطالعه، فلزات سنگین کبالت، کادمیوم و روی دارای آلودگی بسیار بالایی بودند. بر اساس ارزیابی شاخص جامع آلودگی نمرو (NIPI) 98/40 درصد نمونه ها در سطح آلودگی متوسط و 54/19 درصد نمونه ها دارای درجه آلودگی بالا گزارش شدند. به نظر می رسد که گل و لای خاک بیشتر از گل و لای مواد معدنی تحت فرسایش قرار می گیرند و بدین ترتیب  یکنواختی بیشماری برای سزیم دارند. استانتون و دیگران (Staunton et al) در سال 2002 گزارش نمودند که ویژه گیهای جذب سطحی خاک تا حدود بسیار زیادی بستگی به ترکیبات مواد معدنی شناخته (mineralogical) موجود در خاکها ذارد.

فاکتورهای انتقال خاک – گیاه برای Sb در سبزیجات طبیعی 0.1، علفهای مرتع 0.05، غلات، حبوبات و سبزیجات علفی 0.05، سیفی جات، سبزیجات ریشه دار و باغهای میوه 0.005 است. این وضعیت بدین معنی است که فاکتورهای انتقال خاک – گیاه برای Sb چیزی کمتر از یک است. ناکامورا و دیگران (Nakamura et al) در سال 2005 تائید کردند که این وابستگی PH در 110 نوع خاکهای کشاورزی ژاپن صحت دارد. ولی نگرانی عمده محیط زیستی در واقع 125Sd است که نیمه عمر آن 2.76 سال می باشد. پتانسیل اکسیداسیون و احیاء و PH عاملهای کنترلی بحرانی در ارتباط با رفتار نقره در انواع خاکها و تحت شرایط کاهنده قلمداد می گردد و در چنین حالتی رسوب Ag در شکل AgS محتمل است. ان جی و دیگران (Ng etal) در سال 1982 توصیه کردند که حامل انتقال خاک – گیاه برای ایزوتوپهای روتنیوم 0.04 است.

کلسیم و استورنتیوم بر خلاف فلزات ترانزیت ،کمپلکسون های کواوردی نانس(هماهنگ) با لیگاندهای ارگانیک تشکیل نمی دهند. استورنتیوم، آنالوگ شیمیائی (شبه) کلسیم است و نقش بیولوژیکی شناخته شده ئی ندارد. ایزوتوپهای با عمر کوتاه در پزشکی و بعنوان ردیاب ها مورد استفاده قرار می گیرد. میکروارگانیزم های خاک نیز ممکن است سلنیوم اولیه را به سلنید و سلنات اکسیده کنند. در صورتیکه SeO32-  و HSeO3- در شرایط  واسط (PH + Pe 7.5 + 15) ، با HSe- در اوزان اکسیداسیون احیاء پائین تر و H2Se وجود فقط در PH خیلی پائین غالب هستند.

از طرف دیگر لوکس و دیگران (Lux et al) در سال 1995 فاکتورهای انتقال را برایSb 125 در سزیجات در فاصله 30 کیلومتری چرنوبیل 0.001 تا 0.01 برای Sb 125گزارش کرده اند. IUR در سال 1989 گزارش کرد که فاکتورهای انتقال توسعه  داده شده بر اساس آزمایشات با Sb 125 که ضرورتاً کمتر از اوزان پیشنهاد شده توسط کفتری و دیگران (Coughtrey et al) می باشد . این محدوده ها از 45LKg-1 در ماسه ها تا ماکسیمم 540LKg-1 در خاکهای ارگانیک قرار دارد. این موضوع با میانگین اوزان 55990Kd و 400LKg-1 برای خاکهای ماسه ئی، لومی و گلی است. اندرسن و رود (Anderson & Roud) در سال 1994 اعلام کردند که 70% روتنیوم 106 ناشی از انفجار چرنوبیل در خاک جنگلهای سوئد (Swedis) با مواد ارگانیک همراه بود و مابقی آن حتی 7M HNO3 قابل عصاره گیری نبود. البته جونز (Jones) در سال 1960 در نتیجه تحقیقات اعلام کرد که روتنیوم نیتروسیل می تواند با لایه های سطحی ،پوششهای هیدرواکسید آهن در ذرات رسوبی آبی وارد واکنش شده و تشکیل کمپلکسونهای نامحدود بدهد.

در صورتیکه جذب سطحی اغلب فلزات گذار (Transit) ، Ni، Ag، pd و زیرکونیم و همچنین اکسی آنیونهائی (oxyanions) مانند -TcO3، -2SeO4 و-2SeO3، در طیف وسیعی از PH متفاوت هستند. بعبارت دیگر، استراتژیهای بیان شده فوق، برای کاهش مواد رادیواکتیو و کم کردن آلودگی زنجیره غذائی مفید نمی باشند. البته این استراتژیها بندرت برای کاهش خسارتهای مواد رادیواکتیو و یا مهم تر اینکه، کاهش آلودگی زنجیره غذائی، مفید تلقی می شوند. تکنتیوم که همه ایزوتوپهای آن رادیواکتیو است، هیچگونه نقش بیولوژیکی ارزنده ئی ندارد و بنابراین اگر در غلظت های زیادی به اندازه کافی وجود داشته باشد که بتواند چرخه نیتروژن را مختل کند. جذب و دفع رادیونئوکلیدهای فلزی توسط سیستمهای بیولوژیک خاک بستگی به ویژه گیهای شیمیائی و بیولوژیکی عنصر مورد نظر دارد.

جذب سطحی غالباً با استفاده از ضریب توزیع Kb  کمی quantity(مقداری)می شود.نسبت غلظت ها در فازهای محلول و جذب شده ضریب توزیعKbنام دارد. این مواد در گل و لای فشرده طبیعی یا دستکاری شده از حرکت و جابجائی بیشتری برخوردارند. شواهدی وجود دارد که کاتیون های جذب سطحی شده بعضی از جابجائی های خود را حفظ کرده و هنگامیکه در ذرات خاک قرار می گیرند از طریق پیوند های کووالانس تا حدودی در خاک جابجا می شوند. منشاء دیگری از رادیو نئوکلیدها که در واقع در آینده منجر به افزایش آنها می گردد ، اساساً ناشی از انبار کردن زباله های هسته ئی در محیط زیست است. رادیو ایزوتوپهای بعضی از فلزات بصورت طبیعی در خاک وجود دارند و معمول ترین آنها پتاسیم 40 است که دارای فراوانی طبیعی 0.012 در سطح است.

به هر ترتیب جذب سطحی به شرایط آزمایشکاهی از قبیل زمان واکنش، استحکام یونی ، PH و ترکیب محلول که شامل مقدار مواد ارگانیک حل شده می باشد بستگی دارد. حرکت و جابجائی نیوکلیدها همانند سایر فلزات در خاک توسط جذب سطحی آنها روی ترکیبات ارگانیک و معدنی خاک محدود است. شاخصهای ایجاد شده با استفاده از روشهای غیرخطی، واریانس و میانگین کمتری را نسبت به شاخصهای خطی نشان دادند، به نظر میرسد که شاخصهای غیرخطی بهتر توانستهاند کیفیت خاک در ارتباط با آلودگی عناصر سنگین را مدل کنند. 8 شاخص آلودگی با استفاده از توابع نمرهدهی خطی و غیرخطی تعیین شد و جهت اعتبارسنجی شاخصها، آلودگی خاک، منطقه مورد مطالعه به سه کلاس "آلودگی کم"، "آلودگی متوسط" و "آلودگی زیاد" با استفاده از روشهای آماری، تقسیم شد. از هر کلاس نمونههای خاک به منظور بررسی تاثیر آلودگی بر فعالیتهای بیولوژیکی خاک تهیه گردید. در مقابل بسیاری از فلزات سنگین دیگر هیچ عملکرد ضروری بیولوژیکی ندارند مانند - سرب، قلع، کادمیم و جیوه و...

همچنین کومار و همکاران (2019) آلودگی فلزات سنگین در خاک‌های هند و ریسک زیست‌محیطی آن را بررسی کردند. ضریب آلودگی (CF)، عامل غنی‌شدگی (EF) و شاخص آلودگی بالقوه (Cp) نشان دادند کادمیم و آرسنیک، آلاینده‌های اصلی هستند و شاخص ریسک زیست‌محیطی نشان داد کادمیم، آلایندة اصلی خاک‌های مختلف هند است. ولی این همبستگی ها جدی نیست و معمولاً از فاکتورهای دیگری مثل محتوای مواد ارگانیک ناشی می گردد و ممکن است اثرات دراز مدت PH بر فرسایش مواد معدنی و جذب سطحی سزیم اثر بگذارد ولی چنین اطلاعاتی وجود ندارد. اضافه شدن مولکولهای بزرگ ارگانیک (Organic Macromolecules) به مواد معدنی خاک رس منجر به کاهش در جذب سطحی سزیم می شوند. در چنین حالتی هیچگونه  اثری از محتوای مواد ارگانیک خاک و جذب سطحی سزیم انتظار نمی رود.

ایوانس و دیگران(Evans et al)در سال 1983و کمانس و دیگران(Comans et al) در سال 1989. سایت های تعادلی یکسانی که میل ترکیبی قوی برای سزیم دارند نیز کاتیون های مشابه  را جذب می کنند. استانتون و روبوت (Staunton and Roubaud) در سال 1997 و دومات و استانتون   (Dumat and Staunton) در سال 1999. این وضعیت ممکن است موردی برای اکثر خاکهائی باشد که در اقلیم های مختلف یعنی جائیکه ایلیت ها وجود دارند، باشد. البته بااستفاده از  انالیز رگریسیون (regression analysis) امکان رسیدگی به این ادعا غیز محتمل است . واترز و دیگران (Wauters & et al) در سال 1996 و اسمولدرز و دیگران (Smolders & et al) در سال 1997.

شواهدی که نشان دهد آنیونها بعد از جذب سطحی در سطوح خاک جابجا می شوند وجود ندارد . در واقع شرایط در بستر کردن (Confinement) این ضایعات و ضخامت  لایه های جیولوژیکی از قبیل گل، گرانیت و نمک همراه تخریب مواد رادیواکتیو برای محدود کردن حرکت رادیوایزوتوپها ، در بیوسفور طراحی می شود. زباله های هسته ئی بر اساس فعالیت و نیمه عمر ایزوتوپهای که در آنها وجود دارد دسته بندی می گردند. در واقع مخلوطی از رادیوایزوتوپها که غالباً فلزات بودند بواسطه انفجار نیروگاه چرنوبیل در محیط زیست پراکنده گردید. به همین ترتیب رادیونئوکلیدهای طبیعی دیگر مانند U238  و Tu232 ، ممکن است توضیح و فراوانی نسبی آنها بواسطه معدن کاوی و سایر فعالیت های انسانی دچار تغییر گردد، و احتمال اینکه مقدار تشعشع آنها افزایش یابد نیز وجود دارد.