توزیع مکانی و بررسی شکل‌های شیمیایی فلزات سنگین در خاک‌های اطراف کارخانه زغال شویی زرند

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 عضو هیأت علمی دانشگاه شهید باهنر کرمان

3 گروه علوم و مهندسی خاک/دانشگاه شهید باهنر کرمان

4 دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست/ دانشگاه پیام نور، تهران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی محیط زیست به فلزات سنگین، یکی از ره‌آوردهای صنعتی شدن اجتماعات بشری می‌باشد. فلزات سنگین از آلاینده‌های پایدار محیط زیست می‌باشند، که از نتایج مهم پایداری این فلزات، انباشته شدن تدریجی فلزات در خاک می‌باشد. اگرچه مقدار کل فلزات سنگین در خاک یک شاخص مفید برای ارزیابی آلودگی خاک است، اما نمی‌تواند معیار مناسبی در ارتباط با فراهمی، تحرک و سمیت فلزات باشد. فلزات سنگین در خاک به شکل‌های مختلف شامل شکل محلول، شکل تبادلی، شکل متصل به مواد آلی، شکل متصل به اکسیدها و شکل باقی‌مانده وجود دارند که قابلیت دسترسی آن‌ها متفاوت است. با توجه به اطلاعات کم در ارتباط با آلودگی منطقه زرند، این پژوهش با هدف بررسی وضعیت آلودگی و توزیع شکل‌های شیمیایی فلزات مس، سرب و کادمیوم در خاک‌های اطراف کارخانه زغال‌شویی در زرند انجام شد.
مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه در 75 کیلومتری شمال غربی شهرستان کرمان و در نزدیکی شهر زرند قرار گرفته است. در این مطالعه بر اساس پوشش گیاهی غالب، چهار منطقه در اطراف کارخانه زغال‌شویی تفکیک و با استفاده از روش نمونه‌برداری سیستماتیک تصادفی، تعداد 135 نمونه مرکب (5 نمونه در هر نقطه) از عمق صفر تا 30 سانتی‌متری خاک جمع آوری و به آزمایشگاه انتقال یافت. برای تعیین غلظت کل فلزات سنگین، 20 میلی‌لیتر محلول پنج نرمال اسید نیتریک به 2/0 گرم نمونه خاک افزوده و به مدت 10 دقیقه حرارت داده شد. بعد از 24 ساعت، نمونه‌ها سانتریفیوژ و غلظت فلزات در عصاره با استفاده از دستگاه جذب اتمی اندازه‌گیری شد. جهت تفکیک شکل‌های شیمیایی فلزات سنگین شامل شکل تبادلی، قابل اکسید (متصل به مواد آلی)، قابل احیا (متصل به اکسیدهای آهن و منگنز) و شکل باقیمانده از روش عصاره‌گیری متوالی استفاده شد. در پایان هر مرحله، غلظت فلزات سنگین درعصاره‌ها با استفاده از دستگاه جذب اتمی تعیین شد. شاخص زمین‌انباشتگی جهت تعیین میزان آلودگی در منطقه مورد مطالعه با استفاده از غلظت کل فلزات تعیین شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد میانگین غلظت کل فلزات مس، سرب و کادمیوم در منطقه از میانگین غلظت استاندارد ارائه شده توسط دفتر آب و خاک معاونت محیط زیست انسانی بیشتر بود. براساس نتایج شاخص زمین‌انباشتگی، هر چهار ناحیه مورد مطالعه دارای آلودگی شدید سرب هستند، در حالی‌که مس و کادمیوم در محدوده غیرآلوده تا کمی آلوده قرار دارند. همچنین نتایج بررسی تغییرات مکانی فلزات مورد مطالعه بیانگر این بود که بیشترین مقدار کادمیوم و مس در جهت شمال غربی و غرب کارخانه با کاربری کشاورزی مشاهده شد. این نتایج نشان دهنده وضیعت نگران کننده فلزات مس، سرب و کادمیوم در منطقه چهار با کاربری کشاورزی می‌باشد. نتایج تفکیک شیمیایی فلزات مس و سرب در منطقه مطالعاتی نشان داد در هر چهار منطقه شکل باقیمانده این فلزات دارای بیشترین مقدار و شکل تبادلی کمترین مقدار را به خود اختصاص داده و از روند شکل باقیمانده > شکل متصل به اکسیدهای آهن و منگنز > شکل متصل به مواد آلی > شکل تبادلی تبعیت می‌کند.
نتیجه‌گیری: فلزات مس، سرب و کادمیوم باتوجه به میانگین غلظت ارایه شده توسط دفتر آب و خاک معاونت محیط زیست انسانی در وضیعت نگران کننده‌ای قرار دارند با این وجود نتایج جزء‌بندی شیمایی نشان داد که شکل باقی‌مانده فلزات سنگین که قابلیت دسترسی پایینی دارد بیشترین شکل را به خود اختصاص داده است. براساس نتایج شاخص زمین‌انباشتگی فلز سرب در محدوده آلودگی قرار دارد، اما بررسی توزیع فلزات در مناطق مورد مطالعه نشان داد که در مقایسه با کادمیوم و مس بخش عمده‌ای از سرب کل به شکل باقیمانده در خاک رسوب کرده است. بر اساس این نتایج فلزات کادمیوم و مس دراین مناطق نسبت به فلز سرب خطرسازتر بوده و امکان انتقال این فلزات به چرخه غذایی بیش از فلز سرب می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spatial distribution of heavy metals and fractionation in soils around a coal washing factory (Zarand)

نویسنده [English]

  • Majid Hejazi Meh 2
چکیده [English]

Background and objectives: Environmental pollution by heavy metals has been known as a serious problem associated with industrialization. Due to high stability nature, heavy metals could be accumulated in soils at toxic levels and insert to human food chain. The total concentration of heavy metals can indicate the extent of contamination, but is not usually an accurate indication of the bioavailability, mobility and phyto-toxicity and thus the fractionation procedures have been used to show environmental risks of toxic metals. Heavy metals in soils occurred in soluble, exchangeable, organically bound, oxides bound and residual fractions. There is limited information about bioavailability heavy metals in soils around coal washing factories of Iran. This study was conducted to investigate the distribution of chemical fractions of copper, lead and cadmium in a coal washing factory located in Zarand.
Materials and Methods: The study area (Zarand coal washing plant) is located about 70 kilometers from Kerman city (Western Iran). A nested grid sampling scheme was adopted using Google Earth. In this study, 4 areas were selected according to dominant vegetation. Composite soil samples (5 samples per point) were systematically collected from 0 to 30 cm depth. Soil samples were air dried and passed through a 2 mm sieve. For determination of total concentration of heavy metals (Cu, Cd and pb), 20 mL of 5N HNO3 was added to 0.2 g of soil samples and heated for 10 minutes and then kept at room temperature for 24 h. after centrifuge, the concentration of heavy metals was determined using atomic absorption spectrometer. Chemical fractions of heavy metals including acid-soluble/exchangeable fraction, reducible (bound to Fe-Mn oxides), oxidizable (bound to organic matter) and residual fractions were sequentially extracted. After each successive extraction, separation was carried out by centrifugation at 3000 rpm for 30 min. the supernatant was filtered with Whatman 42 filter. The concentration of Cu, Cd and pb in supernatant was determined using atomic absorption spectrophotometer.
Results: The results showed that the total contents of Cu, Pb and Cd in 4 areas was higher than the standard range provided by Iranian soil and water office of human environment Bureau, showing the serious pollution of studied heavy metals in soils. Based on Geoaccumulation Index (GI), site 4 were highly polluted by Pb whereas Cu and Cd were in non- polluted to slightly polluted status. Spatial distribution of heavy metals showed that the highest content of Cd, Pb and Cu were found in the northwest and the west direction of factory with agricultural land use showing the alarming status of this area. In all sites, the residual and exchangeable fractions of heavy metals had the greatest and lowest values among other fractions, respectively. The distribution of studied metals (Cu, Cd and Pb) were lined in the order of residual fraction > reducible fraction > oxidizable fraction > exchangeable fraction.
Conclusion: According to average concentration presented by soil and water office of human environment Bureau, Cu, Pb and Cd values are in alarming status. The changes in chemical fractions of Cu and Pb following the order of residual> Reducible > Oxidizable fraction > exchangeable. Based on Geoaccumulation Index (GI), the areas were highly polluted by Pb. The results showed that in comparison with Cd and Cu, the main fraction of Pb is deposited in residual fraction in soil. Based on these results, the Cd and Cu are more dangerous than Pb in this region and are capable to transport in food chain.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Environmental pollution
  • coal washing
  • fractionation
  • Heavy metals
  • lability
1.Acosta, J.A., Faz, A., Martínez-Martínez, S., Zornoza, R., Carmona, D.M., and Kabas, S.
2011. Multivariate statistical and GIS-based approach to evaluate heavy metals behavior in
mine sites for future reclamation. J. Geochem. Exp. 109: 1. 8-17.
2.Adriano, D.C. 2001. Trace elements in the terrestrial environment. Springer-Verlag,
New York.
3.Ajayi, A., and Kamson, O.F. 1983. Determination of lead in roadside dust in Lagos City by
atomic absorption spectrophotometry. Environ. Int. 9: 397-400.
4.Black, C.A., Evans, D.D., White, J.L., Ensminger, L.E., and Clark, F.E. 1965. American
Society of Agronomy: Madison. WI, USA, Pp: 1179-1237.
5.Cao, S., Duan, X., Zhao, X., Wang, B., Ma, J., Fan, D., Sun, C., He, B., Wei, F., and Jiang, G.
2015. Levels and source apportionment of children's lead exposure: Could urinary lead be
used to identify the levels and sources of children's lead pollution. Environmental Pollution.
199: 18-25.
6.Chen, C.W., Kao, C.M., Chen, C.F., and Dong, C.D. 2007. Distribution and accumulation of
heavy metals in the sediments of Kaohsiung Harbor, Taiwan. Chemosphere. 66: 8. 1431-1440.
7.Chongyu, C., Liu, J., Wang, Y., Sun, L., and Yu, H. 2013. Multivariate and geostatistical
analyses of the spatial distribution and sources of heavy metals in agricultural soil in Dehui,
Northeast China. Chemosphere. 92: 5. 517-523.
8.Dong, J., Yang, Q.W., Sun, L.N., Zeng, Q., Liu, S.J., Pan, J., and Liu, X.L. 2011. Assessing
the concentration and potential dietary risk of heavy metals in vegetables at a Pb/Zn mine
site, China. Environmental Earth Sciences. 64: 5. 1317-1321.
9.Förstner, U., Ahlf, W., Calmano, W., and Kersten, M. 1990. Sediment criteria development.
Springer Berlin Heidelberg, Pp: 311-338.
10.Fytianos, K., Katsianis, G., Triantafyllou, P., and Zachariadis, G. 2001. Accumulation of
heavy metals in vegetables grown in an industrial area in relation to soil. Bulletin of
environmental contamination and toxicology. 67: 3. 423-430.
11.Gleyzes, C., Tellier, S., and Astruc, M. 2002. Fractionation studies of trace elements in
contaminated soils and sediments: a review of sequential extraction procedures. TrAC
Trends in Analytical Chemistry. 21: 6. 451-467.
12.Hamze, A.D., and Zerisfi, A.M. 2010. This hydrochemical some toxic elements in Zarand
coal washing factory waste and clearing it. J. Appl. Geol. 3: 182-194. (In Persian)
13.Hower, J.C., and Robertson, J.D. 2003. Clausthalite in coal. Inter. J. Coal Geol.
53: 4. 219-225.
14.Huang, S.H. 2014. Fractional distribution and risk assessment of heavy metal contaminated
soil in vicinity of a lead/zinc mine. Transactions of Nonferrous Metals Society of China.
24: 10. 3324-3331.
15.Kaasalainen, M., and Yli-Halla, M. 2003. Use of sequential extraction to assess metal
partitioning in soils. Environmental Pollution. 126: 2. 225-233.
16.Karami, M., Afyuni, M., Khoshgoftarmanesh, A.H., Papritz, A., and Schulin, R. 2009. Grain
zinc, iron and copper concentrations of wheat grown in central Iran and their relationships
with soil and climate variables. J. Agric. Food Chem. 57: 10876-10882.
17.Keller, A., and Schulin, R. 2003. Modelling regional-scale mass balances of phosphorus,
cadmium and zinc fluxes on arable and dairy farms. Europ. J. Agron. 20: 1. 181-198.
18.Kim, J.Y., Kim, K.W., Ahn, J.S., Ko, I., and Lee, C.H. 2005. Investigation and risk
assessment modeling of As and other heavy metals contamination around five abandoned
metal mines in Korea. Environmental Geochemistry and Health. 27: 2. 193-203.
19.Li, J., Xie, Z.M., Zhu, Y.G., and Naidu, R. 2005. Risk assessment of heavy metal
contaminated soil in the vicinity of a lead/zinc mine. J. Environ. Sci. (China). 6: 881-885.
20.Li, Z., Ma, Z., van der Kuijp, T.J., Yuan, Z., and Huang, L. 2014. A review of soil heavy
metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment. Science of the
total environment. 468: 843-853.
21.Muller, G. 1969. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River. Geol. J.
2: 108-118.
22.Nannoni, F., Protano, G., and Riccobono, F. 2011. Fractionation and geochemical mobility
of heavy elements in soils of a mining area in northern Kosovo. Geoderma. 161: 1. 63-73.
23.Qian, Y., Chen, C., Zhang, Q., Li, Y., Chen, Z., and Li, M. 2010. Concentrations of
cadmium, lead, mercury and arsenic in Chinese market milled rice and associated population
health risk. Food Control. 21: 12. 1757-1763.
24.Quality standards of soil resources and their manuals. 2011. Human envroment fellowship,
office of soil water, 166p. (In Persian)
25.Quevauviller, P., Rauret, G., López-Sánchez, J.F., Rubio, R., Ure, A., and Muntau, H. 1997.
Certification of trace metal extractable contents in a sediment reference material (CRM 601)
following a three-step sequential extraction procedure. Science of the Total Environment.
205: 2. 223-234.
26.Rastmanesh, F., Moore, F., and Keshavarzi, B. 2010. Speciation and phytoavailability of
heavy metals in contaminated soils in Sarcheshmeh area, Kerman Province, Iran. Bulletin of
environmental contamination and toxicology. 85: 5. 515-519.
27.Rhoades, J.D. 1996. Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of
Soil Analysis. 3: 417-435.
28.Shahabpour, J., Doorandish, M., and Abbasnejad, A. 2005. Mine-drainage water from coal
mines of Kerman region, Iran. Environmental Geology. 47: 7. 915-925.
29.Shahbazi, A., Safyanian, A.R., Mirghafuri, N.A., and Eyngholaei, M.R. 2012. Soil
contamination with heavy metals pollution index factor, the factor accumulation and a
comprehensive index of pollution (Case study: city Nahavand). Environ. Dev. J. 3: 5. 31-38.
(In Persian)
30.Shayestehfar, M., and Rezaei, A. 2011. Copper mine pollution rate and distribution of heavy
metals using geochemical data and statistical analysis. J. Min. Engin. 6: 11. 34-25.
(In Persian)
31.Solgi, E., Esmaili-Sari, A., Riyahi-Bakhtiari, A., and Hadipour, M. 2012. Soil contamination
of metals in the three industrial estates, Arak, Iran. Bulletin of environmental contamination
and toxicology. 88: 4. 634-638.
32.Stoltz, E., and Greger, M. 2002. Accumulation properties of As, Cd, Cu, Pb and Zn by four
wetland plant species growing on submerged mine tailings. Environmental and Experimental
Botany. 47: 3. 271-280.
33.Tessier, A., Campbell, P.G., and Bisson, M. 1979. Sequential extraction procedure for the
speciation of particulate trace metals. Analytical chemistry. 51: 7. 844-851.
34.Thomas, G.W. 1996. Soil pH and soil acidity. Methods of soil analysis. 3: 475-490.
35.Walkley, A., and Black, I.A. 1934. An examination of the Degtjareff method for determining
soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil
Science. 37: 1. 29-38
36.Wang, J., Zhang, C.B., and Jin, Z.X. 2009. The distribution and phytoavailability of heavy
metal fractions in rhizosphere soils of Paulowniu fortunei (seem) Hems near a Pb/Zn smelter
in Guangdong, PR China. Geoderma. 148: 3. 299-306.
37.Zhang, X., Lin, F., Jiang, Y., Wang, K., and Feng, X. 2009. Variability of total and available
copper concentrations in relation to land use and soil properties in Yangtze River Delta of
China. Environmental Monitoring and Assessment. 155: 205-213.
38.Zhang, X.W., Yang, L.S., Li, Y.H., Li, H.R., Wang, W.Y., and Ye, B.X. 2012. Impacts of
lead/zinc mining and smelting on the environment and human health in China.
Environmental Monitoring and Assessment. 184: 2261-73.
39.Zhong, Y.F., and Holland, P.W. 2011. HomeoDB2: functional expansion of a comparative
homeobox gene database for evolutionary developmental biology. Evolution and development.
13: 6. 567-568.
40.Żukowska, J., and Biziuk, M. 2008. Methodological evaluation of method for dietary heavy
metal intake. J. Food Sci. 73: 2. 21-29.