A környezetszennyezés folyamatai – szennyezı anyagok migrációja Migráció homogén és heterogén környezeti rendszerekben Homogén rendszer: felszíni- és karsztvíz, atmoszféra = egyetlen fázisból álló összefüggı rendszer→ egy összefüggı egyenletrendszerrel leírható Heterogén rendszer: talajvíz, kızetvíz, biológiai anyagok (élı szervezetek) = több fázisból álló, határfelületekkel tagolt rendszer → nem írható le egységes rendszerként
∂c = A + D + R + P + S (t ) ∂t Részfolyamatok: A – advekció, D – diffúzió, R – reakció, P – ülepedés S(t): forrástag, lehet állandó vagy idıben változó 1
A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció dinamikus (idıben és térben is változó) vagy sztatikus (csak térben változó, idıben stacionárius) átviteli folyamatot jelenthet. (Áttörés: dinamikusból sztatikus profil)
b: megfigyelés pont; c/c0: a pillanatnyi és a „végsı” koncentráció aránya
2
A környezetszennyezés folyamatai – migráció homogén környezeti közegben - vízi rendszerek Felszíni- és karsztvizek csoportosítása terjedési sajátosságaik szerint – 4 „alapmodell” Folyók – Rivers (jellemzık: hımérséklet, folyóágy geometriája, esés, térfogatáram, kapcsolat a talajvízzel [intrusion], lebegı szennyezés összetétele és koncentrációja) Torkolatok – Estuaries (jellemzık: fentiek + szalinitás, üledékképzıdés) Nyílt víz/nyílt part – Open shores (tó, tenger, óceán – jellemzık: ár-apály mozgások, stagnálás, hımérsékleti rétegzıdés) Tározók – Small ponds (jellemzık: fentiek + ki- és befolyás, vízhasználat) 3
A környezetszennyezés folyamatai – migráció homogén vizekben Szennyezés terjedése folyókban – terjedési szakaszok: 1. fázis: kezdeti keveredési tartomány= a beömlési sebességvektor iránya különbözik a folyási sebesség vektorának irányától, az effluens és a befogadó közeg hımérséklete eltér: a beömléstıl ≤ 100 ágymélységnyi távolságra [near-field] 2. fázis: teljes keveredés tartománya= a szennyezés már együtt halad a folyóval, de még nem telt el elég idı reakciók végbemenetelére: beömléstıl ≤ 10 - 20 km-ig [full mixing] 3. fázis: hosszú távú keveredés tartománya = reakció és ülepedés jelentısen megváltoztathatja a szennyezés eloszlását [far-field] 4
A környezetszennyezés folyamatai – migráció folyókban Szennyezés terjedése folyókban – a 2. fázisban még csak advekció és diffúzió „számít”, a koncentráció a függıleges rekeszekben már homogén.
x: folyási irány, y: keresztirány, z: függıleges irány u (y): x irányú folyási sebesség, függ y-tól
5
A környezetszennyezés folyamatai – migráció folyókban Az advekciós és diffúziós tagból álló összetett differenciálegyenlet pl. végeselem-módszerrel oldható meg. Az „f”-fel jelölt profilfüggvény Gauss-függvényt, valamint a parti visszaverıdés miatt periodikus tagokat tartalmaz.
•
Q c( x, w) = × f ( x, y, w) W W
∫ f (x = x
K
)dw ≡ 1
0 •
Q = c0 W
•
Q : a szennyezés idıben állandó beviteli sebessége [mól/s] W: a folyó állandó térfogatárama [m3/s] c0: „tökéletes” keveredés (végtelen turbulencia) esetén kialakuló egységes koncentráció
6
Terjedés folyókban Az elızı számítási modell grafikus képe
c0: tökéletesen kevert átfolyó tartályban kialakuló koncentráció („kádmodell”)
7
A környezetszennyezés folyamatai – migráció folyókban Néhány jellemzı adat: Folyók folyási sebessége : 0.1 – 2 m/s Térfogatáram: Duna (Mo.-n): 600 – 8000 m3/s Sió: maximum 30 m3/s Diffúziós együttható (vízben, fémionokra, lamináris áramlásnál): 0.5 – 5 × 10-9 m2/s Turbulencia esetén 4 – 6 nagyságrenddel nagyobb értékek!
8
A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció modellezésének célja a szennyezı anyagok koncentrációját jellemzı hely- és idıfüggés meghatározása. Idıben változó = dinamikus rendszereknél a terjedési differenciálegyenlet megoldása szükséges. Idıben [bizonyos idıtartamig] nem változó = sztatikus rendszernél elegendı a rendszer egyes (térben elkülönülı) elemei között fennálló koncentrációarányok meghatározása. A heterogén közegben végbemenı migráció leírását gyakran közelítik sztatikus rendszermodellel. Az azonos paraméterekkel (állapotjelzıkkel) jellemezhetı rendszerelemek a rekeszek (kompartmentek) – ez mind dinamikus, mind sztatikus rendszereknél alkalmazható egyszerősítés. 9
A migráció folyamatai – dinamikus vagy sztatikus rendszer Stacionárius esetben: KSL = cS/cL állandó Megoszlás két önmagában homogénnek tekintett kompartment között
10
Migráció heterogén közegben talajvíz Porozitás: n = pórustérfogat és összes térfogat aránya VL n≈ Telítettség: két- vagy háromfázisú rendszer VL + VS Modell: Vízáramlás és szennyezés koncentrációjának változása kompartmentek között A vízáramlás hajtóereje a hidraulikus (gravitációs és termodinamikus) potenciál – advekciót és diszperziót eredményez
p h = z+ ρ*g 11
Migráció heterogén közegben talajvíz
12
Migráció heterogén közegben talajvíz Differenciálegyenletrendszer megoldása az egyes kompartmentekre Két megoldási változat eredménye egy adott (x,y,z) pozíciójú kompartmentre – „csak” az adszorpciós modellben volt eltérés
13
Migráció heterogén közegben talajvíz A felszín alatti vizek minıségét érintı tevékenységekkel összefüggı egyes feladatokról szóló 33/2000. (III. 17.) kormányrendelet az • (A) háttérérték, • (B) szennyezettségi határérték és • (C1), (C2), (C3) intézkedési szennyezettségi határértékek mellett • (D) kármentesítési szennyezettségi határérték alkalmazását vezette be. A (D) kármentesítési szennyezettségi határértéket (= mentesítési célérték) kockázatfelmérésre támaszkodóan, a területhasználat figyelembevételével kell meghatározni a földtani közegre, illetve a felszín alatti vízre. 14
Migráció biológiai rendszerekben • Kompartmentek (rekeszek): az inhomogén élettelen rendszerekben (talaj, kızet) és az élılényekben meghatározhatók olyan morfológiailag vagy funkcionálisan jól elkülönülı részek, melyekben az inkorporált szennyezés eloszlása homogénnek tekinthetı. • Ez a feltételezés – ami sok esetben megegyezik a tapasztalattal - a kvantitatív viszonyok leírására arányosságok vagy differenciálegyenletek alkalmazását teszi lehetıvé. 15
Migrációt követı immisszió biológiai Idáig „tart” a környezeti közegben a rendszerekben migráció
16
Immisszió biológiai rendszerekben A kompartmentek közötti anyag- és energiaáram leírható: - „Krónikus” (Folyamatosan fennálló) helyzetben sztatikus arányosságokkal (CF módszer: concentration factors) - „Akut” (Csak rövid ideig fennálló, pl. baleseti) helyzetben dinamikus differenciál-egyenletekkel (SA módszer: system analysis) A hatás a káros anyag mindenkori koncentrációjától függ. 17
Immisszió biológiai rendszerekben – CF módszer Példa : takarmányból felvehetı fémionok koncentrációja ember által fogyasztott állati szövetekben ∧
csz = ∑ Fj × Q j × c j ≈ F ∑ Q j × c j j
j csz: koncentráció a szövetben [mól/kg] j: takarmány fajtája cj: koncentráció a takarmányban [mól/kg] Q: fogyasztás [kg/nap] F: átviteli (transzfer) tényezı [nap/kg] „egyensúlyban”
F függ: • a szennyezést képezı vegyülettıl • a szennyezést felvevı szövet metabolizmusától
18
Immisszió biológiai rendszerekben - CF módszer F transzfer együttható tej, hús és tojás „célszövet”-re (nap/kg) Elem (vízoldható vegyület)
Élelmiszer fajtája Tej (tehén)
Hús (tehén)
Hús (sertés)
Hús (tyúk)
Tojás (tyúk)
Kobalt
0,00007 *
0,0001*
0,002
2
0,1
Stroncium
0,0028
0,008
0,02
0,08
0,2
0,01
0,04
0,003
0,01
3
0,0079
0,05
0,24
10
0,4
Jód Cézium
*: szervetlen vegyületek
19
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer
Egyes növényi részek szennyezettsége egy gyors légköri kontaminációt követıen
20
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer
dci = ∑ k ji ⋅ c j − ∑ kij ⋅ ci dt j j
Egyszerő dif. egyenlet az „i”-edik rekeszre, ahová j rekeszbıl van be- és kijárat
Jódkinetikai kompartment modell a szarvasmarha esetén
21
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Inkorporáció az emberi szervezetben: belégzés vagy lenyelés útján 1
át
2
át
3
ki ki ki Belégzés: 3 szekvenciális kompartment: orr-garat (NP), légcsı-hörgık (TB), tüdı (P) – finomabb felosztásokat is alkalmaznak Lenyelés-emésztés: 4 szekvenciális kompartment: gyomor (S), Vékonybél (SI), felsı vastagbél (ULI), alsó vastagbél (LLI) 22
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Integrálegyenlet és grafikonja az 1. kompartmentre .
c be . Q be (1 − exp( − ( k 1, át + k1, ki ).t ) ) C1 = k 1, át + k 1, ki C [mól/kg] I. szakasz: felvétel és kiürülés C1,max
II. szakasz: kiürülés
Hatás: a koncentráció integráljával, azaz az éppen jelenlévı káros anyag mennyiségével arányos
C 1 = C 1, max . exp (− ( k1, át + k 1, ki ).t ) ) t [óra] 23
A környezetszennyezés folyamatai – 3) immisszió Immisszió: a szennyezı anyag/energia káros hatásának megnyilvánulása – Formája: külsı hatás vagy inkorporáció – Alanya: ember, növények, állatok, természeti tárgyak, emberi alkotások Hatások élettelen anyagokra: • fizikai átalakulás • kémiai változás A „közismert” környezetkárosító hatások immissziója összetett: erózió, felmelegedés, sugárzások, zaj stb. A hatások az átalakult anyag mennyiségével és/vagy a koncentrációváltozásokkal jellemezhetık, gyakran azokkal arányosak.
24
Immisszió – hatás biológiai rendszerekre Az immisszió biológiai hatása vonatkozhat • ökorendszerre • fajokra • egyedekre A hatás érheti • az adott helyen és idıben élı populáció egyedeit – szomatikus hatás • a következı generáció(ka)t – genetikus hatás Az immissziós hatások elleni intézményes védelem az ember kivételével az ökorendszerekre (természetvédelem) és a fajokra (diverzitás fenntartása) terjed ki. Az embert egyedi védelem illeti meg. (Biodiverzitás Egyezmény 1993. Rio de Janeiro) 25
Immisszió – hatás biológiai rendszerekre Példa az összetett hatásra: felszíni víz hıterhelése (erımő hőtıvizének kibocsátása) A felmelegedés akár 4-5 mg/l -rel is csökkentheti az oldott oxigén mennyiségét. Közvetlen hatások: Fokozódik a vízi növények aktivitása, ami az oxigén elvonás fokozódását okozza, a felszínen elterülı magasabb hımérséklető víz pedig az oxigén felvételét akadályozza. Az oldhatóság növekedése következtében az összes sótartalom növekedhet. Fokozódik a vízben levı toxikus anyagok hatása, ezáltal csökken a letális értékhez tartozó koncentráció nagysága. 10 oC-os hımérséklet emelkedés átlagosan megkétszerezi a biokémiai reakciók sebességét. Közvetett hatások: Életjelenségek zavarai (légzés fokozódása, fotoszintézis növekedés, egyedfejlıdési rendellenességek) A mérgezéssel szembeni csökkenı ellenállás Zavarok a szaporodásban és a kritikus fejlıdési szakaszokban A populációk összetételének változása
26
Immisszió biológiai rendszerekben – példák a sejti hatásokra A fémtoxicitás molekuláris mechanizmusai • 1. A mérgezı fémionok kapcsolódnak az enzimmolekulák funkciós csoportjaihoz. [Ólommérgezés – vérszegénység - az ólomionok a hemoglobin bioszintézisében ható enzimek mőködését gátolják.] • 2. A szükséges fémiont egy mérgezı kiszorítja az enzim aktív helyérıl. [Az alumíniumionok a magnézium aktiválta enzimekben a magnéziumionok helyébe lépnek- foszfátanyagcsere zavar oszteomalácia (csontlágyulás)] [Kadmium – cink versengés, a gyorsabban beépülı, erısebb kötést létesítı kadmiumion válik az enzim integráns részévé - rendkívüli csonttörékenység] • 3. Megváltozik a biomolekuláknak a funkció szempontjából elınyös térbeli felépítése. [A DNS konformációváltozásának következményei lehetnek: rák, torzfejlıdés - kadmium, berillium, higany hatására] • 4. A hidrofil fémionból lipofil molekula képzıdhet - be tud jutni a sejtek belsejébe. [Higany -baktériumok hatására metilhigany-klorid - súlyos károsodást okoz az agysejtekben és a központi idegrendszerben.] 27
