Néhány alapvető gondolat a környezet-geokémiáról SZÖŐR GYULA 1
A környezet-geokémia kialakulása és kapcsolatrendszere A „geokémia tudomány" fogalmat elsőként 1838-ban írta le Schönbein svájci patikus, aki nagy előszeretettel vizsgálta, nyilvánvalóan gyógyítás céljából, a környező hegyek ásványait és kőzeteit. Több évnek kellett eltelnie, míg a múlt század 30-as éveire három nagy geokémiai műhelyben (Oslóban, Szentpéterváron és Washingtonban) megfogalmazták a geokémia alapvető törvényszerűségeit, és egyre inkább előtérbe került jelentősége, elsőrendű fontossága az ásványi nyersanyagok kutatásával, a bányászattal kapcsolatban. Goldschmidt oslói tudós 1933-ban határozta meg e tudományterület mibenlétét, amely kis változtatással, a következőképpen fogalmazható meg: A geokémia a Föld kémiájával foglalkozó tudományágazat, feladata meghatározni az ásványok, kőzetek, vizek, levegő kémiai összetételét, az elemek és vegyületeik földi eloszlását, az eloszlás és vándorlás törvényszerűségeit, változásait és jelenségeit a földtörténet során napjainkig. A geokémiai kutatások egyrészt szolgálják a tudományos megismerés folyamatát, másrészt a nyersanyagok és energiahordozók bányászatát. A múlt század második felében a geokémia speciális szakterületekkel gazdagodott, és, eleget téve újabb kihívásoknak, többszörösen összetett határtudományi ágazattá vált. Vizsgálatait kiterjesztette a Kozmoszra (kozmokémia), nevezetesen a Holdra (szelenokémia), az elemek izotópjaira (izotóp-geokémia), a szerves vegyületekre (organikus geokémia), a hidroszférára (hidrogeokémia), a bioszférára (biogeokémia), az emberi környezetekre (agrogeokémia, környezet-geokémia). Hazánkban az MTA Geokémiai Kutatólaboratóriuma kezdte el a rendszeres környezet-geokémiai kutatómunkát Póka Teréz vezetésével. Az első összefoglaló tanulmány a szelénnel volt kapcsolatos (GONDl, 1990). Ez a munka azért is fontos, mert kitűnően áttekinti a környezet-geokémia kibontakozását és jellegzetességeit. Ezek a következők: A talajok és a növényzet, ezen keresztül a teljes tápláléklánc elemháztartása nagymértékben függ a talajképző kőzet eredeti kemizmusától, nyomelemtartalmától. A „környezet-geokémia", „environmental geochemistry" kifejezés az irodalomban először csak 1973-ban bukkan fel (KOTHY, 1973), bár Nagy-Britanniában már a 60-as évek elején megalakult az első környezet-geokémiai kutatócsoport a rák szokatlan gyakoriságának vizsgálatára, 1985-ben megjelent az első összefoglaló tanulmány a környezet-geokémia és egészség kapcsolatáról (BOWIE és THORNTON, 1985).
1
tanszékvezető egyetemi tanár, Debreceni Egyetem, Ásvány- és Földtani Tanszék
351
A nyomelemek környezeti és élettani jelentőségéről kialakult vélemények az utóbbi évtizedekben alapvetően megváltoztak. Az ötvenes évekig az élő szervezetek anyagcseréje szempontjából hét nyomelemet (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, I) tartottak egyértelműen létfontosságúnak, esszenciálisnak (ARNON és STOUT, 1939). A nyomelemek környezeti élettani szerepét értékelve MERTZ (1980) a következőket írta: „Élettani szempontból a század első felét a vitaminok korának nevezhetjük, míg a század második felét a nyomelemek korának fogjuk tekinteni". A hatvanas évektől kezdődően a kutatások fejlődésének köszönhetően folyamatosan nőtt az élettanilag fontosnak tartott nyomelemek köre. Számos, korábban egyértelműen mérgezőnek, toxikusnak tekintett elemmel (pl. a „toxikus nehézfémekkel") kapcsolatban felismerték, hogy azok mérgező hatása a koncentráció függvénye; megfelelő mennyiségben kedvező hatásúak, míg hiányuk rendellenességeket, hiánybetegségeket okozhat. E felismerések fényében az élő szervezetek nyomelem ellátottságának vizsgálata iránt nagymértékben megnőtt a tudományos érdeklődés. A nyomelemeknek az élő organizmusokban és azok táplálékláncában betöltött szerepének felderítése azonban csak több tudományág összefogása, kutatási együttműködése keretében oldható meg. Az emberi betegségek nyomelem-hátteréről akkor kaphatunk megfelelő felvilágosítást, ha a humán biokémiai vizsgálatok mellett elemezzük a tápláléklánc nyomelem-tartalmát, a nyomelemek kémiai formáját és kötéstípusát, valamint a nyomelemek forrását képező geokémiai környezet jellegét is. A környezeti-élettani kutatásokban résztvevő tudományterületeket vázolja fel az I. táblázat.
Tápláléklánc ember állat növény talaj, víz földkéreg
Tudományterület orvostudomány koordinációs kémia, biokémia állatorvos-tudomány, állattenyésztés koordinációs kémia, biokémia növénytermesztés koordinációs kémia, biokémia talajtan, hidrológia talajkémia, vízkémia geológia geokémia, biogeokémia
I. táblázat Az élőlények táplálékláncának nyomelem-szintjét és változásait kutató tudományterületek (PAIS, 1989 alapján) A környezet-geokémia az elemmozgások és elemeloszlások vizsgálatával a földrajzi tájak új szempontú felosztását, a geokémiai osztályozást tette lehetővé. Megteremtői POLINOV (1952) és PERELMAN (1961]. E szemléletből kiindulva FORTESCUE (1967) megalkotta a tájprizma-szemléletet (1. ábra). A környezet-geokémiai jelenségek és ezek vizsgálatszintjei jellegzetes rendszert alkotnak, amely négy fő szempontból (ún. hierarchia szinten) közelíthető meg. Ezek: a tér, az idő, a kémiai felépítés és a kutatómunka szintje (2 . ábra).
352
A környezetben lejátszódó kémiai folyamatok térbeli vizsgálata lehet lokális (< 100 km2), regionális (100-1 000 000 km2) és globális (> 1 000 000 km2) méretű. A vizsgálatok során figyelembe vett geokémiai folyamatok időtartama alapján beszélhetünk geológiai, pedológiai (adott talajtípus kialakulásához szükséges időtartam egy vagy több mállási és klímaváltozási ciklus alatt), ökológiai (adott talajtípus kialakulásához szükséges idő, adott növénytakaróval) és technológiai időről.
1. ábra A geoszférák és a tájelemek összefüggését szemléltető általános tájprizma (FORTESCUE, 1980 alapján)
2. ábra A környezet-geokémiai kutatás hierarchiái (FORTESCUE, 1980 alapján)
353
A kémiai felépítés szempontjából egy kémiai komponens meghatározásakor alapvető szempont, hogy annak mely kémiai formáját vizsgáljuk. Ennek alapján megkülönböztetett szintek az izotóp, atomi (elemi), ion, komplexion, szerves komplex formák vagy az illető komponenseknek különböző módon és mértékben mátrixhoz kötött hányadai közötti arányok, amelyek a vizsgált mátrix (kőzet, talaj,) szerkezetével, ásványtani jellegével függenek össze. A kutatómunka szintjének két meghatározó összetevője van: az alkalmazott analitikai eljárás pontossága és a vizsgálat felépítésének elméleti módszerei. Az analitikai pontosság alapján tájékoztató minőségi (kvalitatív) és mennyiségi (kvantitatív) elemzési szintek különböztethetők meg, amelyet az analitikai módszer érzékenysége, az eredmények relatív szórása és a felhasznált standardoknak a vizsgált mátrixra való alkalmazhatósága határoz meg. A másik összetevő, a vizsgálat során alkalmazott elméleti módszerek skálája, amely magába foglalja az egyszerű leíró szinttől az összehasonlító és statisztikus szinten át a számításba vehető összes folyamat értékelésével folytatott ún. szimulációs rendszerelemzés szintjét, amely már nemcsak egy adott állapot, vagy jelenség értékelésére alkalmas, hanem geokémiai folyamatok előrejelzésére (prognosztizálására) is használható. A környezet-geokémia értelmezése a biogeokémiai ciklusfolyamatok tükrében Az élet környezetével szoros egységben és kapcsolatban nyilvánul meg mintegy 3,8 milliárd éve a Földön. A földtörténet során lejátszódó környezeti változások a mindenkori élőlények összességére hatással voltak, de ez fordítva is igaz, az élők is alakították, befolyásolták a levegő, a víz, a talaj összetételét. Az élettelen és élő természet kialakulása és evolúciója csak együttesen értelmezhető. Ezt a természetes kapcsolatot az emberi tevékenység befolyásolja, módosítja és meg is szakíthatja. Az élet kialakulását a Földön bolygónk jellegzetes kozmikus helyzete tette lehetővé, majd az élet fejlődését (evolúcióját) környezete befolyásolta a földtörténet kezdetétől napjainkig. A bioszféra létrejöttét attól az időszaktól számíthatjuk, amikortól kezdődően a Földet benépesítő élővilág, mintegy „visszacsatolással", életműködése révén jelentősen módosította a hidro-, atmo- és litoszféra összetételét, és az élő és élettelen természet egymásra hatásának eredményeként kialakultak a biogeokémiai ciklusfolyamatok. Kezdetben az élőlények anaerob körülmények közt folytatták életműködésüket. A fajok egyedszámát tekintve és elterjedésük tekintetében a kezdetleges életforma elhanyagolható hatást gyakorolt földtani környezetére. A fordulópont a határtalan mennyiségű napfényenergia hasznosítása, a fotoszintetizáló élőlények kialakulása volt. Majd ezt követően a légzés biokémiai folyamata nem csak a biológiai oxigénciklus kiteljesedését jelentette, de új oxidatív szakaszok kialakulását is a szén, a kén, a nitrogén, a vas és sok más elem földi körforgalmában. Az egyes elemek körforgalma a földtörténet során térben és időben változott. A változások kétségtelen kozmikus és geológiai okai mellett az élővilág evolúciója is determináns szerepet töltött be. Jó példa erre a szén globális ciklusának állapotváltozása a földtörténet korai, mintegy 2,5-3,5 milliárd évvel ezelőtti szakaszában (3. ábra).
354
3. ábra A szén globális ciklusa a fotoszintetizáló élőlények megjelenése előtt (a) és azt követően (b) (DES MARAIS, 1997 alapján). Az ábrán feltüntetett értékek dimenzió nélküli ún. tetszőleges értékek. KM U-i
A fotoszintézis megjelenése előtti szénciklust az alacsony biológiai szén produktivitás és az endogén geokémiai folyamatokból (hőfluxusok által) generált kibocsátás jelentősebb aránya jellemzi. A fotoszintézis megjelenése után kialakult hidroszféra - atmoszféra - bioszféra biogeokémiai körforgalomban a széntermelés két nagyságrenddel megnő, és az endogén szubciklusok köpenyeredetü fluxusának csökkenése tapasztalható. A környezetkémia (levegő-, víz-, talajkémia) analitikai eredményeit az esetek többségében csak a környezet-geokémiai kutatások közreműködése révén értelmezhetjük és valósíthatjuk meg a természetes környezet állapotának fenntartását, védelmét, ápolását és rehabilitációját. A geológia egyik alaptételének, J. Hutton aktualizmus elvének megállapítása: „a jelen eseményeinek ismerete kulcs a régmúlt történéseinek megértéséhez", fordítva is igaz. Az ősi környezetek és környezeti változások ismerete nélkül értelmezhetetlenek a közelmúlt és jelenkor, sőt a jövő eseményei. Az ok-okozati kapcsolat megértéséhez jó példa a hazai arzénes ivóvizek képződésének és megjelenésének környezetkémiai - környezet-geokémiai kutatása. Az Országos Közegészségügyi Intézet (OKI) a 80-as évektől kezdődően folyamatosan vizsgálta a közüzemi ivóvizek arzéntartalmát. Megállapította, hogy a DélAlföldön összefüggő területeken, máshol foltszerű elterjedésben meghaladja az átlagos hazai egészségügyi koncentráció értéket (50 ug/1). A jelenség magyarázatára több geológiai kutatást végző egyetemi tanszék (Szegedi, Miskolci Egyetem) és kutatóintézet (MAFI, Budapest; FIGNR, Hannover) több éves együttműködése adta meg a választ, és létrehozott egy térinformatikai rendszerrel összekapcsolt adatbázist hozott létre, amely a környezetvédelmi és környezetigazgatási gyakorlat alapjául szolgál. A hidrogeológiai, öskörnyezeti és környezet-geokémiai kutatások eredményeként vált ismerté, hogy az arzénes rétegvizek megjelenése leginkább a negyedidőszaki mocsári-ártéri képződményekhez rendelhető és jellegzetesen a különböző vízrendszerek keveredési zónájában jelentkezik. Az arzén arzénatok formájában vas és mangán kolloidok felületén csapódott ki a régmúltban. Ezek a kolloidok a kőzetátalakulási (diagenetikai) folyamatok következtében elbomlanak és az arzén, a környezet oxidációs-redukciós állapotának függvényében arzenit illetve arzenát formájában, újra oldatba kerülnek. A folyamat reduktív jellegét bizonyítja, hogy bakteriális eredetű metán, ammónia, vas és mangán értékek növekedése együtt jár a jelentős arzén-koncentrációkkal (VARSÁNYI et al., 1991; VARSÁNYI, 2000). A bányászat, az ipar és a mezőgazdaság történelmi fejlődése több elem, köztük a nehézfémek és metalloidok természetes biogeokémiai körforgalmát módosította. Kialakultak az antropogén szubciklusok, amelyekben ezek a kemikáliák közvetlen káros hatásai érvényesültek a természetes víz - kőzet (talaj) - élővilág kapcsolatrendszerében. Ezekre a változásokra leginkább az a jellemző, hogy ezek a kemikáliák már viszonylag kis koncentráció növekményei, a bioakkumuláció következtében bekerülvén a táplálékláncba eljutnak annak „csúcsfogyasztójához" az emberhez, súlyos egészségkárosodást, sőt pusztulást eredményeznek. A nehézfémek az emberi populációra gyakorolt hatását jól példázza a higany esete. A 4. ábra adatai napjaink, és az ipari forradalom előtti időszak jelentős geokémiai különbségére utal. A fém higanynak, mint a legnagyobb gőznyomás értékű nehézfémnek, az exogén szférákban való megjelenése kapcsolatban van a vulkáni működéssel és exhalációkkal a biometiiezés volatilizációs folyamataival, de az emberi tevékenység révén a
356
nagyhőmérsékletű ipari folyamatokkal, az ásványfeldolgozással, a kohósítással, a fosszilis energiahordozók égetésével is. A higany tartózkodási ideje az atmoszférában 1 év, a talajokban 1000 év, az óceán vizében 3200 év, az üledékes kőzetekben 2,5 x 108 év (BERGAN et al., 1999). Az atmoszféra - szárazföld, illetve atmoszféra - óceán közötti higanycsere mértéke jóval nagyobb, mint a folyók közvetítésével történő szárazföld - óceán transzport.
4. ábra Napjaink és az ipari forradalom előtti időszak higany ciklusának különbsége. A mennyiségi adatok a rezervoárokban x 108 g Hg, a fluxusokban x 108 g Hg/év értékek. Napjaink adatait a vastag számok jelölik (MASON et al., 1994 adatai alapján) Napjaink emberi tevékenysége alaposan megnövelte a természetes szárazföld atmoszféra - óceán higanymérleg fluxusait, sőt a folyóvizek higanytranszportjának mennyiségét is, továbbá jelentősen gyarapodott az atmoszféra és az óceán felső 100 m-es keveredési rétegében a higany összmermyisége. A szárazulatokra vonatkozóan a megváltozott ciklus úgy értelmezendő, hogy az emberi tevékenységgel leginkább befolyásolt térségekben, a természetes háttérkörnyezethez viszonyítva, lokálisan, akár több tízszeresére is megnőhet a higany koncentráció az édesvízi rendszerekben, valamint a talajokban.
357
Ezek a példák kiemelik a környezet-geokémia tudományterületének legfontosabb jellegzetességét: földtani léptékű időben és térben gondolkodik, az emberrel közvetve vagy közvetlenül kapcsolatos geoszférák (mint környezetek!) geokémiájával foglalkozik, és végső célja a Föld természeti állapotának, egyensúlyi viszonyainak megőrzése. A környezet-geokémia kiemelt feladatai A környezet-geokémia aktuális, leginkább a figyelem középpontjában álló feladatairól és célkitűzéseiről tájékoztat Barbara Sherwood Lollar professzor összefoglaló monográfiája (LOLLER, 2002). Napjaink környezet-geokémiai kutatása elsősorban az emberi környezet szennyezésére, az ezzel kapcsolatos környezet-változásokra, és ezeknek az egészségre gyakorolt hatásaira fordítja a figyelmet. A vizsgálatok kiterjednek a talaj; a felszíni-, talaj-, rétegvizek és tengerek; a légkör szennyezéseire, mind szervetlen, mind szerves geokémiai összefüggésben. A tudományterület legfontosabb célkitűzései: a kockázat, a toxicitás, és a szennyezéssel való érintkezés értékelése, továbbá a szennyezések sorsa és transzport folyamatai, a kármentesítés és hulladék elhelyezés problematikája, valamint a szennyezés forrásának azonosítása. A könyv külön-külön fejezetet szentel: • a nehézfémeknek, metalloidoknak, tápelemeknek • a radioaktív elemeknek és izotópoknak • a bányászat és ipar ásványi produktumainak • a másodlagosan keletkező ásvány-parageneziseknek • a halogénezett és nem halogénezett szénhidrogéneknek • a peszticideknek • az ózonnak. A fejezetek a környezet-geokémia legfontosabb irányvonalait reprezentálják, közülük talán a toxikus fémek, metalloidok, egyáltalában a nyomelemek kutatását lehet kiemelni (SIEGEL, 2002; TAKÁCS, 2001). A tudományterület tárgyát és feladatát Hetényi Magdolna akadémikus fogalmazta meg felsőoktatásunk számára, ennek idézete igen alkalmas a jelen fejezet összefoglaló gondolatának: „A környezet-geokémia elsősorban az emberrel többé-kevésbé közvetlen kapcsolatban lévő geoszférák - az atmoszféra, a hidroszféra és a litoszféra - geokémiájával foglalkozik. Ismerve az említett geoszférák ásványos és kémiai összetételét, vizsgálja az egyes elemek eloszlásmódját meghatározó törvényszerűségeket és az ezeket befolyásoló antropogén tevékenységeket. Törekszik részleteiben megismerni, végső soron akár előre is jelezni, az emberi beavatkozás következményeként megváltozó elemvándorlásokat és az esetleg így módosuló elemeloszlást. Legfőbb feladatának tekinti, hogy a várható káros hatásokat, problémákat lehetőség szerint előre jelezze, a már létező problémák elemzésével pedig segítse további, esetleg nagyobb károk megelőzését és minden lehetséges módon hozzájáruljon a Föld természetes állapotának megőrzéséhez. " (HETÉNYI, 1999, p. 6).
358
Irodalom ARNON, D.L., P.R. STOUT, 1939: The essentiality of certain elements in minute quantity of plants with speciel reference to copper. - Plant Physiol. 14, 371-375. o. BERGAN, T., L. GALLORDO, H. RODHE, 1990: Mercury in the global troposphere: A three-dimensional
study. - Atmos. Environ. 33. 1575-1585. o. BOWIE, S.H.U. and I. THORNTON, 1985: Environmental Geochemistry and Health. - Reidel Publ. Co. Dordrecht, 140. o. Des MARAIS, D.J., 1997: Long-term evolution of the biogeochemical carbon cycle. - In J.F. Banfield and K.H. Nealson (eds.): Geomicrobiology: Interactions between Microbes and Minerals. Review in Mineralogy. Vol., 35. (Miner. Soc. America), 429-448. o. FORTESCUE, J.A.C., 1967: Background scope and objecives. - Geol. Surv. Canada Paper, 67, 23. FORTESCUE, J.A.C., 1980: Environmental Geochemistry. -- John Wiley, New York GONDI F., 1990: A szelén a geokémiai környezetben. - Kandidátusi értekezés. MTA Geokémiai Kutatólaboratórium, Bp. 161.0. HETÉNYIM., 1999: Környezetgeokémia I. A hidroszféra- JATE Press, Szeged, 156 o. KOTHY, E.L. (ed.), 1973: Trace elements in the environment. - Adv. In chemistry Series 123, Washington D.C. LOLLAR, B.S. (ed.), 2002: Environmental Geochemistry. Vol. 9. - Treatise on Geochemistry (H.D. Holland and K.K. Turekian, eds.). Elsevier MASON, R.P., W.F. FITZGERALD, F.M.M. MOREL, 1994: The biochemical cycling of elemental
mercury: Anthropogenic influences. Geochim. Cosmochim. Acta. 58. 3191-3198. o. MERTZ, W., 1980: Implications of the new trace elements for human health. - Proc. 3rd Spurenelement Symp. Jena PAIS, I., 1989: A mikroelemek fontossága az életben.- Kertészeti és Élelmiszeripari Egyetem, Budapest PERELMAN, A.I., 1961: Tájgeokémia. - Geografgiz, Moszkva (orosz nyelven) POLINOV, B.B., 1952: Geokémiai tájak. - Geografgiz, Moszkva (orosz nyelven) SIEGEL, F.R., 2002: Environmental geochemistry of Potentially Toxic Metals. - Springer, 218. o. TAKÁCS S., 2001: A nyomelemek nyomában. - Medicina, 265. o. VARSÁNYI, I., FODORNÉ, Z., BARTHA, A., 1991: Arsenic in drinking water and mortality in the
southern Great Plain, Hungary. - Environ. Geochem. Health, 13, 14-22. o. VARSÁNYI Z.-NÉ, 2002: A Dél-Alföld felszín alatti vizei; hidrogeokémiai folyamatok és vízföldtani következtetések.- MTA Doktori értekezés
359
