Zawartość węgla organicznego a toksyczność

osadów dennych

Agnieszka Baran1, Monika Mierzwa-Hersztek1, Krzysztof Gondek1,

Magdalena Szara1, Marek Tarnawski2

1Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, 2Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki

Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja w Krakowie

VIII Krajowa Konferencja Bioindykacyjna

„Praktyczne wykorzystanie systemów bioindykacyjnych do oceny jakości

i toksyczności środowiska i substancji chemicznych”

Kraków, 18-20.04.2018

Cel badań

1. MO jednym z najistotniejszych związków wchodzących w skład osadów

dennych.

2. MO determinuje fizyczne, chemiczne oraz biologiczne właściwości

osadów:

• magazyn węgla,

• żródło składników pokarmowych dla mikroganizmów i zwierząt

żerujących w osadach,

• zdolności sorpcyjne MO są kluczowe w zapobieganiu migracji

zanieczyszczeń w środowisku, a także wpływają na detoksykację

zanieczyszczeń.

3. Pod względem ekologicznym istotną częścią MO osadów dennych są

substancje humusowe (60-90% MO):

• Kwasy fulwowe (rozpuszczalne w kwasach i wodorotlenkach)

• Kwasy humusowe (rozpuszczalne w wodorotlenkach)

• Huminy (nierozpuszczalne w kwasach i wodorotlenkach)

Czy ilość i skład frakcyjny MO ma wpływ na toksyczność osadów?

1. Lokalizacja:

• Śląsk, Rybnicki Region Węglowy

• zlewnia przemysłowa

Materiał i metody

1. Lokalizacja:

• Małopolska

• zlewnia rolnicza

Zbiornik Rybnik Zbiornik Rożnów

2. Źródła zanieczyszczeń:• Górnictwo

• Energetyka

• Transport

• Drobny przemysł

3. Funkcje zbiornika:• Technologiczna (źródło wody dla elektrowni)

• Przeciwpowodziowa

• Rekreacyjna

• Wędkarska

2. Źródła zanieczyszczeń:• Rolnictwo: spływy z pól

• Zrzuty ścieków bytowo-komunalnych

• Drobny przemysł (np. garbarnie)

3. Funkcje zbiornika:• Energetyczna (EW o mocy 56 MW)

• Przeciwpowodziowa

• Rekreacyjna

• Wędkarska

Charakterystyka zbiornika

Rok powstania 1941 r

Pojemność 228 (cał.), 139 (użyt.) mln m3

Pow. zalewu 1600 ha

Głębokość 4,5 (średnia) / 30 (max) m

Rzeka Dunajec

Dł. zbiornika 16-22 km

Charakterystyka zbiornika

Rok powstania 1972 r

Pojemność 24 (cał.), 4,3 (użyt.) mln m3

Pow. zalewu 444 ha

Głębokość 4,5 (średnia) / 10 (max) m

Rzeka Ruda, Niacyna

Dł. zbiornika 4,5 km

• Emisje gazowe

• Emisje pyłowe

• Zrzuty ścieków

• Odpady

Zbiornik Rybnik Zbiornik Rożnów

Jeden z najszybciej zamulanych zbiorników!!

Zbiornik Rybnik

Zbiornik Rożnów

próbnik Ekman, prace podwodne nurków, próbki powierzchniowe: 0-15 cm

Zbiornik Rybnik – 33 próbki Zbiornik Rożnów – 53 próbki

wlot

wlot

zapora zapora

Parametr Metoda

C ogólny

C organiczny

Ckh (C kwasów huminowych),

Ckf (C kwasów fulwowych),

Cnh (C niehydrolizujący, humin)

Analizator CNS Vario MAX Cube

Ekstrakcja: metodą Schnitzera

Oznaczenie: metoda oksydacyjno-

miareczkowa

Analiza MO w osadach dennych

Ekotoksyczność osadów dennych

Poziom troficzny Producenci Konsumenci Reducenci

Biotest Phytotoxkit Ostracodtoxkit Microtox

Organizm S. alba H. incongruens V. fischeri

Reakcja testowa Inhibicja wzrostu

korzeni

Inhibicja wzrostu Inhibicja

luminescencji

Typ i czas Chroniczny, 72h Chroniczny, 6 dni Ostry, 15 min

Testy skriningowe. Próbka nietoksyczna PE < 20%, niskotoksyczna 20% ≤ PE <50%, toksyczna 50%

≤ PE < 100%, bardzo toksyczna = 100 % (Persoone i in. 2003)

Zawartość C całkowitego i organicznego w osadach

Węgiel

g/kg

Osady zbiornika Rożnów Osady zbiornika Rybnik

średnia zakres CV% średnia zakres CV%

C cał. 28,3 5,3-44,5 28 53,1 1,7-170 99

C. org. 15,6 2,3-24,6 30 51,6 1,9-166 101

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Corg. (g . kg-1 s.m.)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Lic

zba o

bse

rwacji

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Corg. (g . kg-1 s.m.)

0

5

10

15

20

25

30

35

Lic

zba o

bse

rwacjiRozkład zawartości C. org.

w osadów dennych

Rozkład przestrzenny

zawartości C. org.

Wyniki

C g/kg Osady zbiornika Rożnów Osady zbiornika Rybnik

średnia zakres średnia zakres

Ckh 0,48 0,09-1,32 0,87 0,09-2,3

Ckf 8,50 0,87-15,1 11,5 1,0-33,6

Cnh 6,59 0,03-15,2 39,2 0,04-144

Zawartość C we frakcjach materii organicznej w osadach dennych

Udział Ckh, Ckf i Cnh [%] w stosunku do zawartość C.org.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

zbiornik Rożnów zbiornik Rybnik

Ckh kw. humusowych Ckf kw. fulwowych Cnh niehydrolizujacy

58%

24%

2%

22%

76%

3%

55%

42%

C.e

ks

tra

ho

wa

ny

C.e

ks

tra

ho

wan

y

huminowych

Ckh g/kgCkf g/kg

Cnh g/kg

0

20

40

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Corg. (g . kg-1 s.m.)

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

CN

H (

g . k

g-1

s.m

.)

0 20 40

y = -7,494 + 0,81587x

r = 0,74959

p < 0,05

Zależność pomiędzy Cnh i Corg. w osadach dennych

CV %=51

r = 0,32

CV %=41

r = 0,42

CV %=61

r = 0,75

Zb

iorn

ik R

ożn

ów

0

20

40

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Corg. (g . kg-1 s.m.)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

CN

H (

g .

kg

-1 s.

m.)

0 20 40

y = -2,614 + 0,81145x

r = 0,99577

p < 0,05

Zależność pomiędzy Cnh i Corg. w osadach dennych

Ckh g/kg Ckf g/kg

Cnh g/kg

CV %=67

r = 0,75

CV %=87

r = 0,90

CV% = 107

r = 0,99

Zb

iorn

ik R

yb

nik

Inhibicja wzrostu korzeni

S. alba [%]

Inhibicja wzrostu

H. incongruens [%]

Inhibicja luminescencji

V. fischeri [%]

PE % średnia zakres CV%

S. alba 3 -47- 45 92

H. incongruens 43 11 - 100 40

V. fischeri 37 8 - 70 51

11 %

51 %

38 %

rodzaj próbki

toksyczna

niskotoksyczna

nietoksyczna

Zb

iorn

ik R

ożn

ów

51 %

22 %

27 %

rodzaj próbki

niskotoksyczna

nietoksyczna

stymulacja

7 %

76 %

18 %

rodzaj próbki

toksyczna

niskotoksyczna

nietoksyczna

PE % średnia zakres CV%

S. alba 24 -17 - 100 101

H. incongruens 54 4 - 100 54

V. fischeri 62 15 – 96 26

Inhibicja wzrostu korzeni

S. alba [%]

Inhibicja wzrostu

H. incongruens [%]

Inhibicja luminescencji

V. fischeri [%]

Zb

iorn

ik R

yb

nik

6 %

55 %

21 %

12 %

rodzaj próbki

bardzo toksyczna

toksyczna

niskotoksyczna

nietoksyczna

stymulacja

12 %

39 %

39 %

9 %

rodzaj próbki

bardzo toksyczna

toksyczna

niskotoksyczna

nietoksyczna15 %

85 %

rodzaj próbki

toksyczna

niskotoksyczna

Współczynnik korelacji C org. Ckh Ckf Cnh

H. incongruens 0,40 -0,12 0,24 0,18

V. fischeri -0,12 -0,17 0,13 -0,19

S. alba 0,30 0,06 0,27 0,11

Zbiornik Rożnów

S.

alb

a

V. fischeri

V.

fis

ch

eri

S.

alb

a

H.incongruens

H.incongruens

Zależność pomiędzy badanymi parametrami w osadach dennych, przy p ≤0,05

Współczynnik korelacji C org. Ckh Ckf Cnh

H. incongruens 0,12 0,16 0,14 0,13

V. fischeri 0,20 0,17 0,18 0,21

S. alba 0,12 0,09 0,13 0,11

Zbiornik Rybnik

S.a

lba

H.incongruensV. fischeri

S.a

lba

V.

fis

ch

eri

H.incongruens

Zależność pomiędzy badanymi parametrami w osadach dennych, przy p ≤0,05

Podsumowanie

1. Zawartości C org. w osadach dennych była zróżnicowana nie tylko ze względu

na zbiornik, z którego próbki zostały pobrane (Rożnów, Rybnik), ale również w

obrębie zbiornika. Większą zawartość C. org. wykazano w osadach zb. Rybnik.

2. W osadach dennych zb. Rożnów dominowała forma mobilna węgla łatwo

ekstrachowalna Cex (∑Ckf +Ckh), natomiast w osadach zb. Rybnik stabilna

frakcja - Cnh.

3. Zawartość węgla we frakcji kwasów huminowych Ckh była znacząco mniejszą

niż zawartość węgla we frakcji kwasów fulwowych Ckf, niezależnie od zbiornika.

4. Większą toksyczność dla organizmów testowych wykazały osady zb. Rybnik,

jednak nie stwierdzono istotnych zależności pomiędzy zawartością różnych

from węgla a odpowiedzią organizmów testowych w osadach tego zbiornika.

5. Osady zb. Rożnów były nietoksyczne lub niskotoksyczne dla organizmów,

ponadto wykazano istotną zależności pomiędzy zawartością C org. i Ckf a

odpowiedzią H. incongruens oraz S. alba.

Dziękuję za uwagę

Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki, grant badawczy

2016/21/B/ST10/02127 (2017-2020) “Ocena wpływu materii organicznej

osadów dennych na biodostępność i toksyczność związków chemicznych”