آلودگی خاک، رسوبات و گیاهان به فلزات سنگین، تاثیرات آن بر سلامتی انسان،و روش های اندازه گیری

آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان خطرات جدی بدنبال دارد و عرضه جهانی غذا را با مشکل مواجه می کند. از این رو در دهه های اخیر این موضوع مورد توجه قرار گرفته و فلزات به عنوان یکی از مهم ترین  منابع آلودگی محیط زیست شناخته شده اند. زمانی که مقادیر فلزات سنگین به حد بحرانی می رسد به محصولات کشاورزی آسیب می زند و بهره وری آن ها را کاهش می دهد.

کروم (Cr)، آرسنیک (As)، نیکل (Ni)، کادمیوم (Cd)، سرب (Pb)، جیوه (Hg)، روی (Zn) و مس (Cu) از جمله مهم ترین فلزات سنگین هستند. در خاک، غذا، آب و هوا این فلزات در مقادیر مختلف یافت می شوند که می توانند منجر به آسیب به گیاهان و همچنین تغییر در ویژگی های خاک شوند. از آنجایی که میدانیم خاک بعنوان یکی از ترکیبات اصلی اکوسیستم شناخته شده و برای رشد گیاهان ، منبعی برای ذخیره و تصفیه آب و بعنوان اصلاح کننده اتمسفر زمین از اهمیت بسزایی برخوردار است. پساب های صنعتی خاک را آلوده می کنند و منجر به تجمع فلزات سنگین در خاک می شوند. علاوه بر آنفلزات سنگین به طور طبیعی در خاک وجود دارند. مقادیر بالای فلزات سنگین در رسوبات و خاک و گیاهان وارد آب های زیرزمینی شده و به مصرف حیوانات و انسان ها می رسد. به دلیل اهمیت این موضوع در این بررسی کوتاه به نیاز به وضع قوانین سخت گیرانه در زمینه آزاد سازی فلزات سنگین در محیط زیست و بهبود سیاست های حفاظت از محیط زیست تاکید می کنیم.

1-آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان

خاک ماده ایست که در سطح زمین یافت می شود و از مواد آلی و معدنی ساخته شده است. در خاک حدود 45%ماده معدنی، 5% مواد آلی ، 20-30% آب و 20-30% هوا وجود دارد. خاک ترکیبی از مواد طبیعی، معدنی گاز و فلویید و موجودات زنده است که باعث حفظ بقا بسیاری از گونه های جانوری می شود. فاضلاب مناطق صنعتی, پساب ها با مقادیر بالای فلز، آفت کش ها، کودهای حیوانی ، لجن فاضلاب و آبیاری با فاضلاب باعث تجمع فلزات سنگین در خاک می شوند . آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان : فلزات سنگین جز مواد شیمیایی معدنی پر خطر هستند. فلزات سرب، کروم، روی، آهن، کادمیوم و نیکل از جمله  فلزاتی هستند که بیشتر در خاک یافت می شوند برخی از فلزات  از جمله آهن ، مس، نیکل و روی در مقادیر کم برای موجودات زنده مورد نیاز اند اما مقادیر بالای همین  فلزات نیز برای سلامتی  مخاطره انگیز هستند.

ATSDR (انجمن ثبت مواد سمی و بیماری ها) از 4 فلز سرب، کادمیوم، جیوه و آرسنیک بعنوان خطرناک

ترین فلزات برای سلامتی انسان و گیاهان نام برده است.

برای اندازه گیری فلزات در نمونه های جامد مانند لجن، رسوبات و خاک بایستی فرم جامد نمونه به فرم

مایع تبدیل شود. این پروسه که هضم نامیده می شود برای آنالیز با دستگاه اسپکتروسکوپی مورد نیاز است.

آنالیز فلزات سنگین در رسوبات و خاک شامل دو مرحله هضم نمونه  و سپس اندازه گیری با دستگاه جذب

اتمی کوره، شعله، هیدرید و یا دستگاه ICP-ES و ICP-MS  می باشد.

اتمیک ابزوزبشن اسپکترو متری در اوایل دهه 1950 کشف شد و بعنوان تکنیکی قابل قبول برای اندازه

گیری فلزات سنگین در گستره وسیعی از نمونه ها شناخته شد.

زمانی که غلظت فلزات در حد ppm و یا پایین تر از این مقدار ppb باشد میتوان از دستگاه اسپکتروسکپی

جذب اتمی استفاده کرد. زمانی که به طور همزمان نیاز به شناسایی تعداد بالایی از فلزات است می توان

از دستگاه ICP-OES و یا ICP-MS  استفاده کرد که البته هزینه و صرفه اقتصادی نیز بایستی مورد توجه

قرار بگیرد.

2-منابع فلزات سنگین در خاک های آلوده و آب

HMs (  heavy metals) به عنوان فلزاتی با وزن اتمی بالا و چگالی حداقل 5 گرم بر سانتی متر مکعب تعریف

می شوند. بر اساس مطالعات تجمع فلزات سنگین در خاک منجر به کاهش کیفیت و حاصلخیزی خاک و

درنتیجه کاهش محصولات کشاورزی می شود و همچنین مخاطراتی برای سلامتی انسان و حیوان بوجود

می آورد. منابع مختلفی باعث افزایش فلزات در خاک می شوند ازجمله:

2-1 منابع طبیعی

سنگ های آذرین و رسوبی به عنوان رایج ترین منابع طبیعی فلزات سنگین در نظر گرفته می شوند که دارا

ی غلظت های مختلفی از فلزات هستند. فلزات سنگین به طور طبیعی در نتیجه فرایند هوازدگی در خاک

افزایش می یابند. HMS در سنگ ها در نتیجه فرایندهای طبیعی مانند فرسایش، شستشو، فوران های

آتشفشانی و بیولوژیکی در محیط خاک منتشر می شوند.

2-2  منابع انسانی

غلظت فلزات سنگین در خاک بخاطر دلایلی مانند ذوب و استخراج از معادن، سوزاندن سوخت های فسیلی

برای تولید انرژی، دفع زباله های شهری، استفاده از کود، آفت کش و آبیاری با فاضلاب افزایش می یابد.

2-3 صنعتی

فلزات سنگین در نتیجه فعالیت های انسانی مانند توسعه کارخانجات صنعتی  در محیط زیست منتشر می

 شود. این آلاینده ها در خاک، به ویژه در مناطقی که به سرعت در حال صنعتی شدن هستند، ایجاد می شوند.  در ادامه به برخی از منابع صنعتی فلزات سنگین اشاره می شود:

سرب

احتراق سوخت های فسیلی، رنگ ها، کاربرد سرب در بنزین، کود، زباله جامد، سوزاندن ضایعات، مواد منفجره، سرامیک و ظروف، احتراق زباله جامد، گرد و غبار صنعتی و دود، ساخت باتری های  اسید، آفت کش ها، معدن و متالورژی، برخی از انواع PVC ها

نیکل

گرد و غبار صنعتی، آبکاری، تولید آهن و فولاد، صنایع تبدیلی مواد غذایی، صنایع شیمیایی، سوزاندن ضایعات،کودها، آئروسل های صنعتی، معدن و متالورژی، باتری و احتراق زغال سنگ

جیوه

فاضلاب صنعتی، احتراق سوخت های فسیلی، لامپ های فلورسنت، تولید مواد شیمیایی، لامپ های قوس جیوه ای، گرد و غبار و دود صنعتی، سوزاندن زباله های شهری، آفت کش ها، کودها، احتراق زباله های جامد، محصولات جیوه (آمالگام جیوه، دماسنج، باتری)

مس

صنایع نساجی، آبکاری، ابریشم مصنوعی، معدن و متالورژی، آفت کش ها، مواد منفجره، زباله های الکتریکی و الکترونیکی

آرسنیک

گرد و غبار و ضایعات صنعتی، ذوب طلا، سرب، ذوب دارویی، نساجی، آفت کش ها، تولید فولاد و آهن، کودهای فسفاته، احتراق سوخت های فسیلی

کادمیوم

محصولات pvc، کود فسفاته، الکترونیک، گرد و غبار و بخارهای صنعتی، آفت کش ها، رنگدانه ها

روی

ضایعات فلزی، کود، آبکاری، آبکاری آهن و فولاد، گالوانیزه، معدن و متالورژی

3- تاثیرات آلودگی فلزات سنگین خاک 

3-1- تاثیر بر روی میکرو ارگانیسم های خاک

وجود HMs در خاک در درجه اول از رشد و نمو میکروب ها جلوگیری می کند زیرا به سلول های

 میکروبی آسیب می رسانند.که به نوبه خود باعث به حداقل رسیدن جمعیت میکروبی در خاک می شود.

کاهش زیست توده میکروبی ممکن است تداخل در فعالیت های مهمی مانند تجزیه مواد آلی در خاک و

تغییر چرخه نیتروژن، نیتریفیکاسیون و نیترات ایجاد کند. برخی از فلزات  از جمله سرب، جیوه و کادمیوم

برای میکروارگانیسم ها بسیار مضر هستند. میکروارگانیسم های خاک نقش مهمی در تعادل اکولوژیکی

 دارند.

3-2- تاثیر بر خصوصیات فیزیکی خاک

خصوصیات فیزیکی خاک شامل ترکیب، تخلخل، چگالی ظاهری، قوام، دما، رنگ، مقاومت و غیره می شود

یکی از منابع اصلی آلودگی خاک آلودگی با فلزات است. فلزات به طور غیر مستقیم بر فعالیت های آنزیمی

خاک  و همچنین خواص فیزیکی خاک اثر می گذارند. فلزات هنگامی که در غلظت های بیش از حد وجود

داشته باشند می توانند بر ساختار خاک، بافت، تخلخل و ظرفیت آب تاثیر بگذارند.

3-3- تاثیر بر خصوصیات شیمیایی خاک

فلزات سنگین می توانند اثرات قابل توجهی بر خواص شیمیایی خاک داشته باشند.

تغییر در pH خاک:

فلزات سنگین می توانند  pH خاک را تغییر دهند. به عنوان مثال فلزاتی مانند کادمیوم وآلومینیوم می توانند

pH خاک را کاهش داده و آن را اسیدی تر کند و از سوی دیگر، فلزاتی مانند نیکل و کروم می توانند pH

 خاک را افزایش دهند.

عدم تعادل مواد مغذی:

 HMs ها می توانند تعادل عناصر غذایی ضروری در خاک را مختل کنند. برخی فلزات مانند کلسیم، سرب و

 روی می توانند با جذب مواد مغذی ضروری مانند منیزیم، کلسیم، آهن و منگنز توسط گیاهان رقابت کنند.

 این تداخل می تواند منجر به کمبود عناصر غذایی در گیاهان شود و رشد و بهره وری آنها را تحت تاثیر قرار

 دهد.

واکنش های ردوکس:

 HM ها می توانند بر واکنش های ردوکس در خاک تأثیر بگذارند ودر دسترس بودن مواد مغذی را تغییر

 دهند.

به عنوان مثال فلزاتی مانند منگنز و آهن می‌توانند تحت واکنش‌های ردوکس قرار گیرند و بر حالت‌های

اکسیداسیون و احیا در خاک تأثیر بگذارند.

4-آنالیز آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان

با توجه به موارد بیان شده برای آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان اندازه گیری فلزات سنگین در نمونه خاک از اهمیت بسزایی برخوردار است. لذا آزمایشگاه ایمن کیا صنعت با کادری مجرب آماده دریافت شناسایی و آنالیز نمونه های خاک میباشد

4-1پیش آماده سازی نمونه

برای آماده سازی نمونه خاک پیش از هر کاری بایستی نمونه با الک با قطر کم تر از 63میکرون الک شده و خشک شود. بهتر است قبل از عملیات هضم آب نمونه خارج شود که برای این منظور توصیه می شود خشک کردن به صورت انجمادی باشد. در خشک کردن انجمادی بدون ایجاد تغییر در بافت خاک، نمونه خشک می شود و این کار همچنین مانع از هدر رفت فلزات از جمله جیوه می شود.

بعد از مرحله خشک کردن نیاز است که نمونه به طور کامل یکنواخت شده و سپس برای هضم فلزات از نمونه برداشته شود.

4-2 هضم نمونه خاک

برای هضم فلزات از روش های مختلفی استفاده می شود.

روش هضم اسیدی:

انتخاب نوع اسید تاثیر بسزایی در کامل شدن هضم نمونه دارد. نیتریک اسید قادر به هضم اکثر نمونه ها می باشد و برای اندازه گیری با روش های شعله و کوره دستگاه جذب اتمی و همچنین ICP مناسب است.  در برخی از نمونه ها برای تکمیل عملیات هضم نیاز به اضافه کردن پرکلریک اسید، هیدروکلریک اسید، هیدروفلوئوریک اسید و سولفوریک اسید می باشد. البته باید به این نکته توجه داشت که اضافه کردن این اسیدها ممکن است در اندازه گیری بعضی از فلزات تداخل ایجاد کند و توصیه می شود درصد بازیافت فلزات با روش هضم انتخاب شده محاسبه شود تا بتوان به درستی از روش هضم اطمینان حاصل کرد.

به طور کلی اسید نیتریک به تنهایی برای هضم نمونه هایی که براحتی اکسید می شوند کافی است. ولی در نمونه هایی که به سختی اکسید شده و دارای مواد معدنی حاوی سیلیکات هستند، نیاز به اضافه کردن سایر اسید ها می باشد . در نمونه های خاک وجود هیدروفلوئوریک اسید برای هضم ضروری است. درصورتی که این اسید حذف شود هضم نمونه خاک ناقص بوده و بافت سیلیکاتی آن بدون تغییر باقی می ماند.

از جمله روش های هضم فلزات روش هضم اسیدی(روش هضم مرطوب)، روش هضم با مایکروویو و روش هضم با خاکستر سازی( روش هضم خشک) را می توان نام برد.

به طور کلی روش هضم خشک بدلیل هدر رفت بسیاری از مواد فرار توصیه نمی شود و در نمونه هایی که حاوی موادآلی زیادی هستند، بهتر است استفاده شود.

دو روش عمده برای هضم نمونه های خاک روش هضم مرطوب و مایکروویو است.

روش هضم مایکروویو:

در روش هضم مایکروویو به همراه اسید هضم نمونه خاک و رسوبات در سل های بسته با دما و فشار بالا انجام می شود. پارامترهای مهم در روش هضم مایکروویو دما، فشار، برنامه، زمان و مواد شیمیایی استفاده شده برای هضم هستند. هضم مایکروویو منجر به کاهش هدر رفت فلزات و جلوگیری از ایجاد آلودگی در محیط می شود. این روش عملیات هضم را دردمای پایین تری تکمیل کرده و همچنین مانع از هدر رفت برخی از فلزات مانند Hg و  As می شود.

در این روش از اسید نیتریک، ترکیب اسید هیدروفلوئوریک-اسید نیتریک  و یا ترکیب اسید نیتریک- اسید کلریدریک استفاده شود. در این بین اسید کلریدریک با نقطه جوش c110° برای نمک های کربنات، فسفات و بعضی از سولفات ها مناسب است. اسید نیتریک با نقطه جوش c° 122درجه باعث اکسید شدن بسیاری از نمونه هایی که با اسید کلریدریک حل نمی شوند شده و علاوه بر اینها HF باعث هضم کامل تر در فلزات می شود ولی از طرف دیگر این اسید ممکن است به وسایل و تجهیزات استفاده شده آسیب بزند به همین خاطر می بایست در حجم حداقلی آن استفاده شود.

 استانداردهایی که برای آنالیز فلزات استفاده می شوند بایستی دارای گواهی نامه  معتبر باشند و در زمان کار می توان جذب و غلظت  استاندارد ها را با نمودارهای کنترل چارت در یک دوره زمانی مقایسه کرد تا از صحت عملکرد اطمینان حاصل شود.

4-3 اندازه گیری آلودگی فلزات سنگین خاک 

 که بعد از طی شدن مرحله  هضم فلزات، نمونه خاک آماده برای اندازه گیری با دستگاه اسپکتروسکوپی جذب اتمی و یا پلاسمای جفت شده القایی است که فلز مورد نظر پس از رسم منحنی کالیبراسیون خوانده می شود.

در دستگاه اتمیک ابزوربشن اندازه گیری فلزات سنگین در محلول های اسیدی با توجه به نوع فلز مورد نظر و توصیه سازنده دستگاه انجام می گیرد. در اکثر مواقع در نمونه خاک فلزات Pb, Cd با کوره گرافیتی دستگاه اندازه گیری می شود در حالی که Cu, Zn, Cr, Ni, Mn, Al, Fe را میتوان با شعله دستگاه جذب اتمی اندازه گیری کرد و برای اندازه گیری  Asو Hg از قسمت هیدرید دستگاه استفاده کرد.

دستگاه طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی توانایی اندازه گیری فلزات را در یک تزریق دارد.

این دستگاه به دلیل حساسیت بالا قادر به اندازه گیری هم زمان فلزات می باشد.

از آنجایی اندازه گیری فلز با این روش بر اساس طیف های نشری برای فلزات یونیزه شده صورت می گیرد، احتمال همپوشانی طیفی وجود دارد که بایستی اصلاح گردد و اگر دستگاه دارای حساسیت کافی باشد، توصیه می شود اندازه گیری فلزات در بیش از یک طول موج انجام شود.

برای اطمینان از درستی نتایج یک نمونه شاهد که تمامی مراحل آماده سازی نمونه را طی کرده است باید تهیه شود و همراه با آنالیز نمونه اندازه گیری شود.

7-نتیجه گیری آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان 

این مقاله بر آلودگی فلزات سنگین خاک و سلامتی انسان و مشکل آلودگی فلزات سنگین در خاک‌های کشاورزی تاکید دارد که منجر به ایجاد مخاطرات جدی برای سلامت انسان و حیات گیاهان می شود و ایمنی مواد غذایی را به خطر می اندازد.

کروم، نیکل، کادمیوم، سرب  از جمله فلزاتی هستند که در محیط یافت می شوند و تاثیرات منفی بر روی محصولات کشاورزی می گذارند . مصرف گیاهان آلوده سلامت انسان را به خطر می اندازد و بر اندام ها تاثیر گذاشته و باعث بروز بیماری های جدی می شود. با توجه به موارد ذکر شده اندازه گیری فلزات سنگین و بررسی تاثیرات آن بر سلامتی انسان از اهمیت زیادی برخوردار است.

آزمایشگاه محیط زیست ایمن کیا صنعت

اهمیت آزمایشگاه محیط زیست