Τα ίχνη της αστικοποίησης, της εκβιομηχάνισης και της γεωργίας στις κοίτες ποταμών:Εκτίμηση μόλυνσης από βαρέα μέταλλα και αναγνώριση πηγής σε ιζήματα ποταμών στην ανατολική Κίνα

Οι κοίτες των ποταμών είναι συνήθως ανέγγιχτες από ανθρώπινα πόδια, εκτός εάν τα ποτάμια είναι στεγνά. Ωστόσο, τα βαρέα μέταλλα στις κοίτες των ποταμών φέρουν τα ίχνη διαφόρων ανθρώπινων δραστηριοτήτων, όπως η αστικοποίηση, η εκβιομηχάνιση και η γεωργία. Αφού τα βαρέα μέταλλα που παράγονται από αυτές τις δραστηριότητες απορρίπτονται σε ποτάμια, απορροφώνται από αιωρούμενα υλικά και, στη συνέχεια, αιωρούμενα υλικά που μεταφέρουν βαρέα μέταλλα θα βυθιστούν τελικά σε ιζήματα ποταμών.

Τα βαρέα μέταλλα στα ιζήματα του ποταμού μπορούν να προσληφθούν από υδρόβια φυτά και ζώα και να συσσωρευτούν, στη συνέχεια τελικά να εισέλθουν στο ανθρώπινο σώμα μέσω της τροφικής αλυσίδας και να οδηγήσουν σε προβλήματα υγείας. Έτσι, μια ολοκληρωμένη ανάλυση των επιπέδων μόλυνσης και των πηγών βαρέων μετάλλων που συμβάλλουν στα ιζήματα των ποταμών είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να κατανοήσουμε τον αντίκτυπο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο ποτάμιο οικοσύστημα και είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση της λεκάνης απορροής, τον έλεγχο της ρύπανσης και την προστασία της ανθρώπινης υγείας.

Πώς οι επιστήμονες εντοπίζουν τα ίχνη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στα ιζήματα ποταμών

Οι επιστήμονες αξιολογούν τον αντίκτυπο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στις κοίτες των ποταμών μέσω δειγματοληψιών πεδίου ιζημάτων ποταμών, εργαστηριακής χημικής ανάλυσης βαρέων μετάλλων στα ιζήματα και στατιστικών και χωρικών αναλύσεων των συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων. Τα βαρέα μέταλλα στα ιζήματα των ποταμών συνεισφέρουν τόσο από ανθρωπογενείς (π. Οι συγκεντρώσεις και οι πηγές των βαρέων μετάλλων συνδέονται με την ένταση και τα είδη των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων και τις πολιτικές ελέγχου της ρύπανσης στις τοπικές περιοχές. Έτσι, για να κατανοήσουμε και να ελέγξουμε τη ρύπανση από βαρέα μέταλλα στα ιζήματα των ποταμών για μια συγκεκριμένη περιοχή, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τα επίπεδα μόλυνσης και τις πηγές βαρέων μετάλλων στην περιοχή.

Ένα ευρύ φάσμα μελετών σε όλο τον κόσμο έχει αναλύσει το επίπεδο μόλυνσης των βαρέων μετάλλων στα ιζήματα των ποταμών και έχει εντοπίσει τις πηγές τους. Ωστόσο, οι περισσότερες από τις προηγούμενες μελέτες εντόπισαν είτε φυσικές είτε ανθρωπογενείς πηγές, αλλά δεν προσδιόρισαν τις συγκεκριμένες ανθρωπογενείς δραστηριότητες (π.χ. βιομηχανικές, οικιστικές και γεωργικές) που μπορεί να ευθύνονται για διαφορετικά βαρέα μέταλλα. Η διάκριση των ειδικών δραστηριοτήτων για διαφορετικά βαρέα μέταλλα είναι απαραίτητη για τον αποτελεσματικό έλεγχο της ρύπανσης.

Επιπλέον, οι πηγές που προσδιορίζονται από αυτές τις μελέτες είναι μόνο πιθανές πηγές που υποθέτουν οι ερευνητές με βάση τη γενική γνώση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων των βαρέων μετάλλων και ανασκοπήσεις βιβλιογραφίας. Συνήθως, οι πιθανές πηγές δεν επαληθεύονταν συγκρίνοντάς τες με τις πραγματικές πηγές ρύπανσης στις τοπικές περιοχές, γεγονός που μπορεί να μειώσει την αξιοπιστία των ευρημάτων.

Προκειμένου να εντοπίσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια και ακρίβεια τα σημάδια των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στα ιζήματα των ποταμών, πραγματοποιήσαμε πρόσφατα μια ολοκληρωμένη μελέτη για την αξιολόγηση των επιπέδων μόλυνσης και τον εντοπισμό των πηγών βαρέων μετάλλων στα ιζήματα των ποταμών σε 134 τοποθεσίες δειγματοληψίας που κατανέμονται σε ολόκληρο το δίκτυο ποταμών στο Nantong, ανατολική Κίνα, χρησιμοποιώντας συστημική δειγματοληψία, εργαστηριακή χημική ανάλυση και στατιστικές και χωρικές αναλύσεις.

Τα επίπεδα μόλυνσης των βαρέων μετάλλων αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας περιγραφικές στατιστικές, δείκτη γεωσυσσώρευσης (Igeo) και δείκτη οικολογικού κινδύνου (RI), και οι πιθανές πηγές βαρέων μετάλλων προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας ανάλυση κύριου συστατικού (PCA) και ανάλυση συστάδων (CA). . Οι πιθανές πηγές επαληθεύτηκαν περαιτέρω συγκρίνοντας τις χωρικές κατανομές τους και τις θέσεις των πραγματικών τοπικών πηγών χρησιμοποιώντας χωρική ανάλυση που βασίζεται σε GIS (Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών).

Γιατί να διεξάγετε την έρευνα σε αυτόν τον τομέα;

Το Nantong βρίσκεται στο Δέλτα του ποταμού Yangtze στην ανατολική Κίνα (Εικόνα 1). Έχει βιώσει ταχύτερη εκβιομηχάνιση και αστικοποίηση από την πλειονότητα των περιοχών στον κόσμο τις τελευταίες σχεδόν τέσσερις δεκαετίες. Αυτή η περιοχή είναι επίσης μια από τις πιο πυκνοκατοικημένες περιοχές της Κίνας και είναι μια σημαντική γεωργική περιοχή. Η σύγκρουση μεταξύ της αυξανόμενης ζήτησης για καθαρό νερό και τρόφιμα που σχετίζεται με την αύξηση του πληθυσμού και της αυξανόμενης απώλειας γεωργικής γης και της ρύπανσης των υδάτων λόγω της αστικοποίησης και της εκβιομηχάνισης έχει γίνει ένα πιεστικό ζήτημα σε αυτόν τον τομέα.

Το Nantong είναι μια τυπική περιοχή του δικτύου πεδινών ποταμών με πολυάριθμους διασταυρούμενους ποταμούς, που συνδέουν βολικά τις αστικές και τις αγροτικές περιοχές, καθώς και το σύστημα άρδευσης (ή αποστράγγισης) γεωργικής γης. Με αυτού του είδους το δίκτυο ποταμών, τα βαρέα μέταλλα από τις απορρίψεις βιομηχανικών και οικιακών αποβλήτων είναι πιο πιθανό να μεταφερθούν στο οικοσύστημα του ποταμού και είναι πολύ επιβλαβή. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να ληφθούν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις συγκεντρώσεις, τα επίπεδα μόλυνσης και τις πηγές διαφόρων μετάλλων στα ιζήματα των ποταμών σε αυτήν την περιοχή.

Πόσο σοβαρή είναι η μόλυνση από βαρέα μέταλλα στα ιζήματα ποταμών

Τα αποτελέσματα των περιγραφικών στατιστικών και της αξιολόγησης κινδύνου δείχνουν ότι το επίπεδο μόλυνσης των βαρέων μετάλλων είναι της τάξης του Pb＞Zn＞Cd＞As＞Cu＞Cr＞Hg＞Ni. Τα ιζήματα του ποταμού είναι πολύ μολυσμένα με Pb και Zn δίπλα στις πόλεις όπου βρίσκονται πολλά εργοστάσια κλωστοϋφαντουργίας και συρματόσχοινα. Ο δείκτης γεωσυσσώρευσης (Igeo) υποδεικνύει τη συγκέντρωση μετάλλου στα ιζήματα σε σύγκριση με τις παγκόσμιες τυπικές τιμές σχιστόλιθου. Τα χωρικά μοτίβα στα επίπεδα μόλυνσης που αντικατοπτρίζονται από το Igeo για Pb, Zn, Hg και Cd απεικονίζονται στο Σχήμα 2.

Μέτρια έως βαριά επίπεδα μόλυνσης για Pb και Zn εντοπίζονται στο νότιο τμήμα της περιοχής μελέτης. Λίγα σημεία, κυρίως στο νότιο τμήμα, παρουσιάζουν επίσης μέτριες έως βαριές μολύνσεις για Cd. Είναι πρακτικά μη μολυσμένο ή μη μολυσμένο έως μέτρια μολυσμένο για Hg στην πλειονότητα της περιοχής μελέτης.

Η μόλυνση από βαρέα μέταλλα στην περιοχή μελέτης επαληθεύεται από τις τιμές του Δείκτη Οικολογικού Κινδύνου (RI), ο οποίος λαμβάνει υπόψη τους οικολογικούς κινδύνους που προκαλούνται από πολλαπλά βαρέα μέταλλα. Το επίπεδο χαμηλού κινδύνου παρατηρείται μόνο σε ένα μικρό τμήμα του βορρά. Το μέτριο επίπεδο κινδύνου καταλαμβάνει σχεδόν το μισό της περιοχής μελέτης, κυρίως στο βορρά. Η πλειοψηφία του κεντρικού και του νότιου τμήματος καλύπτεται από σημαντικά επίπεδα κινδύνου ή σοβαρού κινδύνου (Εικόνα 3).

Από πού προέρχονται τα βαρέα μέταλλα

Η ανάλυση κύριου συστατικού (PCA) είναι μια τακτική μέθοδος που χρησιμοποιείται για την ανάλυση των κύριων παραγόντων που επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις πολλαπλών βαρέων μετάλλων. Εάν ένας παράγοντας έχει υψηλό φορτίο σε πολλά βαρέα μέταλλα, σημαίνει ότι οι συγκεντρώσεις αυτών των βαρέων μετάλλων επηρεάζονται κυρίως από αυτόν τον παράγοντα, επομένως αυτός ο παράγοντας είναι μια κύρια κοινή πηγή αυτών των βαρέων μετάλλων. Ο παράγοντας 1 (F1) έχει υψηλά θετικά φορτία σε As, Cr, Pb και Zn (Εικόνα 4a).

Αυτός ο παράγοντας μπορεί να σχετίζεται με τα λύματα της βιομηχανίας (π.χ. κλωστοϋφαντουργία, επεξεργασία μετάλλων) επειδή αυτά τα μέταλλα έχουν αναφερθεί ότι προέρχονται από απορρίψεις από υφάσματα και επεξεργασία μετάλλων σε πολλές προηγούμενες μελέτες, επομένως το F1 αντιπροσωπεύει την πηγή απόρριψης βιομηχανικών λυμάτων.

Ο παράγοντας 2 (F2) έχει υψηλά θετικά φορτία σε Ni, Al και Cu ((Εικόνα 4β). Σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα περιγραφικών στατιστικών, Igeo, υπολογισμού EF, ανάλυσης συστάδων και ανάλυσης συσχέτισης, το αποτέλεσμα PCA δείχνει ότι το F2 αντιπροσωπεύει φυσική πηγή μητρικού υλικού (αμμώδης προσχωσιγενής κατάθεση), η οποία συνέβαλε αυτά τα τρία μέταλλα στα ιζήματα του ποταμού. Επιπλέον, το Cu έχει επίσης σχετικά υψηλότερη φόρτιση στο F1 και έχει σημαντικές θετικές συσχετίσεις με τα As, Cr, Pb και Zn, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι επίσης ελαφρώς επηρεασμένο από βιομηχανικές πηγές.

Ο παράγοντας 3 (F3) έχει υψηλή θετική φόρτιση για το Hg, σημαντικά υψηλότερη από τα φορτία για άλλα μέταλλα (Εικόνα 4γ). Αυτός ο παράγοντας μπορεί να αντιπροσωπεύει οικιακά λύματα και πηγές αποτέφρωσης απορριμμάτων. Η χωρική μεταβλητότητα στις συγκεντρώσεις Hg στα ιζήματα των ποταμών δείχνει ότι προφανώς ελέγχονται από τις πηγές εκροής. Όπως φάνηκε κατά τη διάρκεια της δειγματοληψίας και της επιτόπιας έρευνας, τα οικιακά στερεά απόβλητα από μεμονωμένες κατοικίες συσσωρεύτηκαν σε ορθογώνιους θαλάμους στο ύπαιθρο από τους κατοίκους κατά μήκος του ποταμού. Τα απόβλητα περιέχουν είδη υψηλού Hg όπως μπαταρίες και λαμπτήρες φθορισμού. Αφού απλώς αποτεφρωθούν χωρίς σωστή ταξινόμηση, λίγο Hg παραμένει στις στάχτες. Κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων, τα σωματίδια που περιέχουν υδράργυρο ξεπλένονται από τους θαλάμους αποτέφρωσης και απορρίπτονται σε κοντινά ποτάμια. Έτσι, το F3 αντιπροσωπεύει πηγές αστικών και οικιακών απορριμμάτων.

Ο παράγοντας 4 (F4) έχει ένα σημαντικά υψηλό θετικό φορτίο στο Cd (Εικόνα 4δ). Το Cd τείνει να έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε φωσφορικά λιπάσματα επειδή κληρονομείται από τα φωσφορικά πετρώματα. Η αυξανόμενη εφαρμογή φωσφορικών λιπασμάτων σε γεωργικές εκτάσεις με την πάροδο των ετών έχει επιταχύνει τη συσσώρευση Cd στα εδάφη, η οποία στη συνέχεια οδήγησε σε μεγαλύτερη συνολική μετακίνηση του Cd στα υδάτινα οικοσυστήματα, η οποία τελικά αύξησε τις συγκεντρώσεις Cd στα ιζήματα των ποταμών σε κάποιο βαθμό.

Οι πιθανές πηγές βαρέων μετάλλων που προσδιορίστηκαν στο PCA επαληθεύτηκαν από την καλή αντιστοίχιση μεταξύ των χωρικών κατανομών των βαθμολογιών των παραγόντων και των θέσεων των πραγματικών πηγών (Εικόνα 5). Υψηλές βαθμολογίες F1 (που αντιπροσωπεύει βιομηχανικές πηγές) εμφανίζονται σε τοποθεσίες δειγματοληψίας στην περιοχή με υψηλή πυκνότητα υφαντουργείων, ειδικά στο Jiangzhao, που περιέχει πάνω από 20 μικρά εργοστάσια κλωστοϋφαντουργίας και δέρματος, καθώς και στο Zhuhang, όπου διανέμονται πολλές μονάδες επεξεργασίας μετάλλων (Εικόνα 5α). Οι βαθμολογίες των παραγόντων F2 (που αντιπροσωπεύουν τις φυσικές πηγές) είναι γενικά χαμηλές σε όλη την περιοχή μελέτης, κάτι που συνάδει με τη φυσική προέλευση ((Εικόνα 5β). Ωστόσο, η βαθμολογία είναι ελαφρώς υψηλότερη στο Jiangzhao λόγω της υψηλής φόρτισης του F2 στο Cu Το Cu συνεισφέρει μεικτές φυσικές και βιομηχανικές πηγές. Υψηλές βαθμολογίες F3 (που αντιπροσωπεύουν δημοτικές και οικιακές πηγές) βρίσκονται στις τοποθεσίες δειγματοληψίας που βρίσκονται δίπλα σε σημεία εκροής από την πόλη και τις πόλεις Nantong, όπως το Xianfeng, το Xiaohai και το Zhangzhishan (Εικόνα 5γ). Οι βαθμολογίες του F4 (που αντιπροσωπεύει την εφαρμογή λιπάσματος) κατανέμονται πιο ομοιογενώς στην περιοχή μελέτης (Εικόνα 5δ). Αυτό το χωρικό μοτίβο ταιριάζει με τη χωρική κατανομή των γεωργικών εκτάσεων, που υπάρχουν σε όλη την περιοχή μελέτης.

Κλείσιμο

Η μελέτη μας αποκάλυψε ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες, συμπεριλαμβανομένης της αστικοποίησης, της εκβιομηχάνισης και της γεωργίας, έχουν αφήσει βαθιά σημάδια στις κοίτες των ποταμών στην περιοχή μελέτης, επειδή τα ιζήματα των ποταμών έχουν μολυνθεί σημαντικά με βαρέα μέταλλα, ειδικά για Pb και Zn. Εντοπίστηκαν τέσσερις κύριες πηγές βαρέων μετάλλων. Είναι (1) βιομηχανικές πηγές που συνεισφέρουν As, Cr, Pb, Zn και εν μέρει Cu, (2) μητρικά υλικά που συνεισφέρουν Al, Ni και εν μέρει Cu, (3) αστικά και οικιακά απόβλητα που σχετίζονται με Hg και (4) υπερβολική εφαρμογή λιπάσματος υπεύθυνη για Cd. Τα αποτελέσματα είναι χρήσιμα για τις υπηρεσίες προστασίας του περιβάλλοντος να στοχεύουν αντίστοιχες πηγές ρύπανσης για τις μολύνσεις συγκεκριμένων βαρέων μετάλλων.

Τα αποτελέσματα και τα ευρήματα αυτής της μελέτης μπορούν να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τις κυβερνήσεις, τις υπηρεσίες προστασίας του περιβάλλοντος και άλλους φορείς λήψης αποφάσεων για την εφαρμογή κατάλληλων πολιτικών και κανονισμών για τον έλεγχο της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα στα ιζήματα του ποταμού που προκαλείται από την ταχεία αστικοποίηση και εκβιομηχάνιση στην περιοχή μελέτης . Οι προσεγγίσεις που ενσωματώνουν περιγραφικές στατιστικές, ανάλυση συσχέτισης, πολυπαραγοντική ανάλυση, εκτιμήσεις μόλυνσης και κινδύνου και χωρική ανάλυση μπορούν επίσης να είναι χρήσιμες για τους περιβαλλοντικούς επιστήμονες για να εξετάσουν διάφορα περιβαλλοντικά ζητήματα πέρα ​​από την περιοχή μελέτης.