فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 47، زمستان 97

ژئوشیمی فلزات سنگین در محیط­­های شهری

رامین سلماسی *^[1]

raminsalmasi@yahoo.com

چکیده

با توجه به ازدیاد روزافزون جمعیت جهان، آگاهی از روابط متقابل بین فعالیت­های انسان و محیط­ زیست شهری ضروری است. رشد و توسعه ژئوشیمی محیط­های شهری موجب شده است تا حجم وسیعی از یافته­های علمی در مورد پدیده­های ژئوشیمیائی محیط­های شهری مانند توزیع، پخش و ویژگی­های شیمیایی بعضی عناصر سمی یافت شوند. مروری بر توسعه ژئوشیمی شهری در مراحل مختلف از آغاز تا تخصص­های مهم امروزه، هدف نوشتار حاضر می­باشد. ژئوشیمی محیط­های شهری در مورد آلودگی فلزات سنگین و اثرات بهداشتی آن اطلاعات با ارزشی در اختیار ما قرار می­دهند.

کلمات کلیدی: آلودگی،  انسان، ویژگی­های شیمیایی.  

Geochemistry of Heavy Metals in Urban Environments

Ramin  Salmasi ^[2]*(Corresponding Author)

raminsalmasi@yahoo.com

Abstract

With attention to increasing trend of world population, awareness of correlation between human and urban environment is necessary. Growth and development of urban environmental geochemistry caused to find huge quantity of scientific data regarding geochemical process of urban environments such as distribution, diffusion, and chemical properties of some toxic elements. Review of urban geochemistry in different steps from appearance to important skills of recent, is goal of this paper. Geochemistry of urban environments gives us valuable information about heavy metal pollution and health effect of them.

Key Words: Pollution, Human, Chemical properties.

مقدمه

طبق آمار انتظار می­رود که جمعت جهان از 1/6 بیلیون نفر در سال 2000 به 3/8 بیلیون نفر در سال 2030 افزایش یابد. در سال 2000 حدود 47% جمعت جهان در مناطق شهری زندگی می کردند و انتظار می­رود که این جمعیت در سال 2007 بالغ بر 50% گردد. آمار همچنین نشان می­دهند که محیط­زیست های شهری، مهم­ترین زیست­گاه انسانی در تاریخ خواهند بود (1).                                             

از جنبه های زیست محیطی و بهداشتی، توسعه جغرافیائی تاثیر بحرانی روی محیط زیست و سلامتی انسان خواهد گذاشت. روزانه بسیاری از فعالیت­های انسان، شامل شهری، صنعتی، تجاری و فعالیت­های کشاورزی، انواع گوناگونی از آلایندهای سمی و بالقوه سمی را وارد محیط می سازند (2).                                                                 

 در شهرها، جایی که این فعالیت­ها بویژه شدت بیش­تری به خود دارد، رهاسازی آلایند­های آلی و فلزی بیشتر انجام می گیرد و محیط زیست­های شهری را مستعد آلودگی می­سازد (3). فلزات در طبیعت غیر قابل تجزیه زیستی می­باشند. تصاعدات بالای آن­ها و رسوب­شان به­مرور زمان موجب غنی سازی­های آنومالی شده است که باعث می­شود  محیط­زیست به فلزات آلوده گردد. حضور فراوان آلاینده­ها در محیط­های شهری، بویژه درخاک­های  شهری، و ارتباط نزدیک آن ها به جمعیت انسانی، در معرض قرارگیری انسان­ها را به فلزات از طریق استنشاق، هضم و تماس پوستی وسعت داده است ( 4 ). از دیگر موارد آلودگی­های زیست­محیطی به فلزات سنگین می توان به حرکت آلاینده­ها به آب­ها از طریق روان آب شهری اشاره کرد که باعث غنی­سازی رسوبات به فلزات سنگین می­گردد ( 5 ). این موضوع می­تواند باعث افزایش غلظت فلزات در جانداران آبزی شود که به این ترتیب آلودگی زنجیره غذایی را موجب می­گردد. 

مرور مختصری بر توسعه  دانش ژئوشیمی محیط­های شهری، تاثیر ژئوشیمی محیط­های شهری بر سلامتی انسان و به­طور کلی محیط­زیست، برسرسی منابع در رابطه با آلودگی محیط­های خشکی بویژه خاک­های شهری با فلزات سنگین اهداف نوشتار حاضر می­باشند.

توسعه دانش ژئوشیمی محیط­ زیست های شهری

غلظت بالای فلزات سنگین در نتیجه فعالیت­های انسانی از مدت­ها قبل گزارش شده است (6). در این گزارش­ها آلودگی خاک­های شهری با فلزات سرب (7)، مس، بر و روی (8) آمده است. در مجموع، این چنین گزارش­ها موجب شده­اند که آلودگی محیط­های شهری با فلزات سنگین آشکار گردد و راه برای توسعه دانش ژئوشیمی محیط­زیست­های شهری هموار گردد. در آغاز شکل­گیری ژئوشیمی محیط­های شهری، کوشش بسیاری گردید تا آلودگی سربی را در محیط­های شهری بررسی نماید. بسیاری از مطالعات پیشین، آلودگی سرب را در خاک های اطراف جاده­ها، گرد وغبار و ذرات اتمسفری داخل محیط های شهری ارزیابی نمودند. اگرچه سرب به­عنوان یکی از اولین آلاینده­های محیط زیست بررسی گردید، سایر فلزات سمی و بالقوه سمی مانند کادمیوم، مس، نیکل و روی نیز همچنین بررسی شدند. مشابه سرب، این فلزات سنگین در میان پر­مصرف­ترین فلزات قرار دارند، با تاثیرات سمیت بر روی انسان هایی که در معرض آن­ها قرار دارند (9).

ویژگی محیط زیست های شهری

محیط­زیست شهری محیطی است که تغییرات زیادی توسط انسان پیدا کرده است تا زیستگاه هایی مناسب با شرایط زندگی انسان فراهم سازد. برخی ویژگی­های متشخص این گونه محیط­ها جمعیت متراکم و سطح نسبتا بالای فراوری است که از فعالیت­های غیرکشاورزی ناشی می­شود. یک محیط شهری همچنین شامل انواع گوناگون ساختما­ن­ها و شبکه وسیعی از راه هاست که تراکم بالایی از شبکه حمل ونقل موتوری را دارا می باشد. این ویژگی­ها فقط تحت یک شرایط می­توانند وجود داشته باشند: تغییرات شدید فیزیکی به محیط. این تغییرات به­نوبه خود، ویژگی­های فیزیکی، شیمیایی و زیستی را تغییر می­دهند که باعث می­شود این گونه محیط­ها از اکوسیستم­های طبیعی متفاوت باشند. تشخیص این گونه ویژگی­های شهری و تاثیر آن­ها بر روی پخش، توزیع و رسوب فلزات سنگین ضروری می­باشد.

منشاء خاک­های شهری

خاک­های طبیعی و دست نخورده شهری معمولا" لایه­بندی عمودی دارند که تحت عنوان افق های A ، Bو C نام­گذاری می­شوند. منشاء این خاک­های طبیعی و دست نخورده  به فرآیند­های طبیعی و زمین­شناختی مواد مادری آنها بر می گردد، به عبارت دیگر تشکیل­شان در ارتباط با  هوادیدگی زمین شناختی، فعالیت­های آتشفشانی و / یا رسوب­گذاری  می­باشد. بنابراین ترکیب شیمیایی مواد مادری تخمینی از مقدار زمینه فلزات سنگین در خاک­ها ارایه می­دهد.  

اگر چه این رویکرد در ارزیابی آلودگی فلزات سنگین خاک­ها مورد قبول واقع شده­است، کاربرد آن­ها در خاک­های شهری محدود است، چون جای این سوال وجود دارد که این­گونه خاک ها تنها از یک منشاء ناشی شده باشند.

در حقیقت خاک­های مناطق شهری به دلیل فعالیت­های شدید انسانی، بسیار دست خورده بوده و حتی ممکن است از جای دیگری حمل شده باشند (10). در نتیجه آن­ها بطور حتم پروفیل لایه­بندی شده که مربوط به مواد زمین­شناختی آن­ها می­باشد، نخواهند داشت. این عوامل باعث می­شوند که ارزیابی توزیع نسبی فلزات ناشی از فعالیت­های انسانی یا طبیعی تنها بر اساس غلظت­های فلزات سنگین در خاک­ها و زمینه زمین شناختی آن­ها دچار مشکل گردد. در این راستا نیاز به اعمال شیوه های دیگر وجود دارد.  

پخش و رسوب فلزات سنگین

در یک محیط شهری، فلزات سنگین می­توانند از منابع بی­شمار ناشی از فعالیت­های انسان وارد محیط زیست گردند. از فعالیت­هایی که تاثیر قابل توجهی بر محیط زیست شهری دارند می­توان به فعالیت­های مرتبط با ترافیک (سوزاندن سوخت­های فسیلی، فرسودگی و پارگی قطعات یدکی و نشت روغن­های موتور حاوی فلزات سنگین)؛ فعالیت­های ویژه صنعتی؛ رهاسازی  پساب­های شهری (سوزاندن و دفن بهداشتی) و خوردگی و ساییدگی مصالح ساختمانی اشاره کرد (11). نیروگاه­های حرارتی و عملیات  معدن­کاری وذوب فلزات در صورتی که در و یا نزدیکی مناطق شهری قرار گرفته باشند، نقش مهمی در توزیع فلزات سنگین دارند. علاوه بر این موارد، ریزش­های اتمسفری نیز موجب ورود فلزات سنگین به مناطق شهری می­گردند.

انتقال فلزات سنگین

توزیع و رسوب ذرات حاوی فلزی و گرد وغبار در محیط­های شهری تحت تاثیر عوامل پستی و بلندی، جهت باد و هرزآب شهری قرار می­گیرد. جهت باد در محیط­های شهری تحت تاثیر موقعیت ساختمان­ها قرار می­گیرد. این مساله باعث تغییر در جهت و سرعت باد می­گردد که  به­نوبه خود باعث توزیع و رسوب گرد و غبار و سایر ذرات می­گردد که پیامد آن ته نشینی ترجیحی فلزات سنگین می­باشد. علاوه بر این­ها، ذرات گرد و غبار روی سنگ­فرش خیابان­ها می توانند به سادگی توسط باد در هوا معلق شوند یا این­که توسط هرزآب شهری شسته شوند. تعلیق مجدد ذرات در هوا مسئله بهداشتی مهمی را باعث می­شود ، چون ذرات ذرات ریز می­توانند به سادگی استنشاق شده و در شش­های انسان انباشته گردند. از آن مهم­تر، ذرات ریز می­توانند به سادگی به غشاء بدن نفوذ کرده و وارد جریان خون شوند.

هرز آب شهری بر اساس جهت شیب و پستی و بلندی، حرکت می­کند و ذرات گرد و غبار و سایر ذرات ریز را با خود حمل می­نماید. به موجب آن این هرز آب سرشار از آلاینده های فلزی می­گردد. این فرایند تغییر مکان توسط هرز آب شهری نه فقط به­طور فیزیکی موجب انتقال آلاینده­ها به سطوح باز خاک و اکوسیستم­های آبی اطراف می­گردد، بلکه به­طور شیمیایی با انحلال فلزات محلول، موجب تغییر این فلزات می­شود. این فرایند می­تواند بر کیفیت آب­ها و موجودات پیرامون آن اثرگذار باشد.    

آلودگی محیط های شهری با فلزات سنگین

خاک­ها مهم­ترین منبع آلاینده­های فلزات سنگین در اکوسیستم­های شهری به­شمار می­روند. حضور آن­ها در محیط­های خشکی منبع پایداری از فلزات سنگین بشمار می­رود که ممکن است نیمه عمر طولانی داشته باشند (مانند سرب). بنابراین خاک­های شهری شاخص مهمی از در معرض قرارگیری فلزات سنگین برای انسان به حساب می­آیند.

بر خلاف خاک­های مناطق روستایی، خاک­های محیط­های شهری، با یا بدون رستنی،  از لحاظ اندازه ریزتر می باشند. به­دلیل طراحی­های شهری، آنها به طور عموم در کمربندهای سبز اطراف جاده­ها و مناطق تفریحی مانند زمین­های بازی و پارک ها یافت می­شوند، جایی که به عنوان محیطی برای رشد گیاهان بمنظور جنبه­های زیبایی آن کاربرد دارند. همچنین می­توانند در حیاط­های خصوصی ، در باغچه­های کوچک که برای رشد محصولات غذایی کاربرد دارند یافت شوند. ازآن جایی­که در  این­گونه مناطق خردسالان و بزرگسالان رفت و آمد دارند، آگاهی از کیفیت تاسیسات شهری بر محیط زیست ضروری می­نماید. در اینجا به مثال هایی از آلودگی­های خاک­های شهری در داخل و خارج کشور اشاره می­شود:

در مطالعه­ای که بر روی غلظت فلزات سنگین در یکی از شهرهای کشور هنگ کنگ انجام گرفت (12)، 600 نمونه خاک سطحی (15-0 سانتی متر) از پارک­ها و مناطق بیرون این شهر جمع­آوری گردید. مقایسه غلظت 3 عنصر سرب روی و مس در خاک­های این 2 منطقه، نشان داد که غلظت این 3 عنصر در خاک­های مناطق شهری غنی­تر از خاک­های بیرون شهر می باشد. مطالعه جدید دیگری که توسط میسون و همکاران (13) با استفاده از روش نمونه برداری سیستماتیک در خاک­ مناطق پر جمعیت شهر کولون هنگ کنک انجام گرفت، ارتباط بالای بین غلظت زیاد فلزات سنگین و تقاطع خیابان­ها، خیابان­های اصلی و ساختمان­های صنعتی با استفاده از نقشه های GIS تعیین گردید.

علاوه بر غلظت فلزات سنگین، در پاره­ای از مطالعات کوشیده شده است که منشاء، پتانسیل زیست­فراهمی و واکنش­پذیری آلاینده­ها با استفاده از روش­های مختلف عصاره­گیری و ترکیبات ایزوتوپی تعیین گردد. این موضوع برای فلزات یاد شده معتبر است، که نسبتا نا محلول بوده، تمایل زیادی برای جذب بر روی سطوح خاک و مواد آلی ازخود نشان می دهند. ولی برای فلزاتی که نسبتا محلول بوده و پیوند سستی با ذرات خاک دارند، حرکت این فلزات به بخش­های زیرین خاک می­تواند وجود داشته باشد.

نتیجه­گیری

به­زودی محیط­های شهری مهم­ترین زیست­گاه بشر در تاریخ خواهند بود. در نتیجه زیاد بودن فعالیت جوامع شهری، تصاعدات فلزات بالقوه سمی، شتاب بیشتری به خود گرفته است. مستعد بودن محیط­های شهری به تخریب زیست­محیطی و پتانسیل اثرات سوء بر روی سلامتی انسان، باعث شده است که دانش ژئوشیمی محیط­های شهری توسعه بیشتری پیدا کند. ژئوشیمی محیط­های شهری به عنوان یک شاخه علمی، اطلاعات با ارزشی در رابطه با حرکت، پخش، رسوب و توزیع فلزات یا شبه­فلزات بالقوه سمی در اکوسیستم­های شهری فراهم می سازند. این دانش جهت  توسعه پایدار محیط­های شهری لازم می­باشد.

منابع

1-      FAO/ISRIC/ISSS, 1998. World reference base for soil resources, World Soil Resources Report. FAO, Rome.

2-     Al-Chalabi P. and Hawker, A. S.  1997. Response of vehicular lead to the presence of street dust in the atmospheric environment of major roads. The Science of the Total Environment. 206: 195–202.

3-     Hansmann W. and Koppel V. 2000. Lead isotopes as tracers of pollutants in soils. Chemical Geology 171: 123–144.

4-     Farago, M. E. Kavanagh, P., Blanks, R., Simpson, P., Kazantzis, G., and Thornton, I. 1995. Platinum group metals in the environment: Their use in vehicle exhaust catalysts and implications for human health in the UK. A report prepared for the UK Department of the Environment. 182 pp.

5-     Alloway, B. J. 1990. Heavy Metals in Soils. Blackie and Son, London. 

6-     Beket, M. 1980. Urban soils – monitoring program. Journal of Pesticide Monitoring.13: 150–154.

7-     Bullock P. and Gregory P. J. 1991. Soils in the Urban Environment. Blackwell Scientific Publicat ions, Oxford.

8-     Ho, Y. B.  and Tai K. M.  1988. Elevated levels of lead and other metals in roadside soil and grass and their use to monitor aerial metal deposition in Hong Kong. Environmental Pollution. 49: 37–51.

9-     Callender E, and Rice K. C. 2000. The urban environmental gradient: anthropogenic influences on the spatial and temporal distributions of lead and zinc in sediments. Environmental Science and Technology. 34: 232–238.

10-  Harrison, R. M. Laxen D. P. H. and Wilson S. J. 1981. Chemical association of lead, cadmium, copper, and zinc in street dusts and roadside soils. Environmental Science and Technology. 15: 1378–1383.

11-  Hirano S. and Suzuki K. T. 1996. Exposure, metabolism, and toxicity of rare earths and related compounds. Environmental Health Perspectives. 104: 85–95.

12-  Wilcke W. Muller S. Kanchanakool N., and Zech W. 1998. Urban soil contamination in Bangkok: heavy metal and aluminum partitioning in topsoils. Geoderma. 86: 211–228.

13-  Mason Y. Ammann A. A. Ulrich A. and Sigg L. 1999.  Behavior of heavy metals, nutrients, and major components during roof runoff infiltration. Environmental Science and Technology. 33: 1588–1597.