SZENNYEZETT TERÜLETEK

SZENNYEZETT TERÜLETEK KÖRNYEZETI KOCKÁZATÁNAK FELMÉRÉSE Dr. Feigl Viktória Dr. Molnár Mónika, Dr. Gruiz Katalin 1

BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Kutatócsoport, E-mail: [email protected] A környezetvédelem alapjai, 2016.11.07.

ELŐADÁS TEMATIKA 



Vegyi anyagok a környezetben, veszély és kockázat Környezeti kockázatfelmérés 

Esettanulmány: Az ajkai vörösiszap katasztrófa környezeti hatásának felmérése



Környezettoxikológia

2

VEGYI ANYAGOK GYÁRTÁSA Növekvő tendencia a világ minden részében!

http://www.unep.org/pdf/GCO_Synthesis%20Report_CBDTIE_UNEP_September5_2012.pdf

Forrás: United Nations Environment Programme, 2012 3

KOCKÁZAT

VESZÉLY 

Vegyi anyag



Környezeti minták – szennyezett környezet

Veszélyessége: kémiai szerkezetéből adódó immanens tulajdonság Mindent ami problémát okoz meg kell ismerni!! Vegyi anyagok tesztelése

Vegyi anyag kikerül a környezetbe KOCKÁZATMENEDZSMENT 4

• Vegyi anyag kockázata a környezettel való kölcsönhatás révén nyilvánul meg

SZENNYEZŐFORRÁSOK TÍPUSAI 



Szennyezés eredete szerint:  Természetes eredetű források (vulkáni eredetű, ásványi eredetű stb.)  Emberi eredetű (antropogén) források Szennyezőforrás mérete szerint:  Pontszerű szennyezőforrások (pl. ipari emisszió, hulladéklerakók stb.)  Diffúz szennyezőforrások (kiülepedés a légkörből, műtrágyák használata stb.)

5

http://apesnature.homestead.com/chapter17.html

A TALAJ SZENNYEZETTSÉG FŐBB FORRÁSAI EURÓPÁBAN (2014-ES ADATOK) A talajszennyezés főbb lokális forrásai Hulladék lerakás és kezelés Ipari és kereskedelmi tevékenység Tárolás Egyéb Szállítási balesetek Hadászat Nukleáris tevékenység

Átlag (22 ország) (%) 38,1 34,0 10,7 8,1 7,9 3,4 0,1

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/progress-in-management-of-contaminated-sites-3/assessment

6

SZENNYEZŐANYAGOK A TALAJBAN •

Toxikus nehézfémek (Pb, Cd, Ni, Hg, Cu, Zn)

•

Ásványolaj és ásványolajtermékek

•

Policiklikus aromás szénhidrogének (PAH)

•

Aromás szénhidrogének (BTEX: benzol, toluol, etilbenzol, xilol)

•

Fenolok

•

Klórozott szénhidrogének, poliklórozott bifenilek (PCB) és egyes származékaik

•

Cianidok

EU – European Environment Agency felmérése (2011)

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/overview-ofcontaminants-affecting-soil-and-groundwater-in-europe

Hasonló adatok felszíni vizekre és talajvízre!

7

ESETTANULMÁNY:

Fókuszban: a felszíni vizek üledéke és a talaj

PÉLDA A KÖRNYEZETI KOCKÁZAT FELMÉRÉSÉRE

AZ AJKAI VÖRÖSISZAP KATASZTRÓFA KÖRNYEZETI HATÁSAINAK FELMÉRÉSE

8

AJKAI KATASZTRÓFA – 2010. OKTÓBER 4.

9

NÉHÁNY ADAT A KATASZTRÓFÁRÓL 800 000 m3 13-as pH-jú vörösiszap áradása  10 halálos áldozat, 60 sérült  3 elárasztott falu: Kolontár, Devecser, Somlóvásárhely  Több, mint ezer hektár mezőgazdasági terület 10 km-en a Torna-patak völgyében  Torna, Marcal, Rába, Mosoni-Duna szennyeződése 

10

A VÖRÖSISZAP 





  

Timföldgyártás mellékterméke (Bayer eljárás), nagy vastartalmú, jellegzetes színű pH értéke 12−14 között változik, erősen lúgos, maró hatású Fő összetevői: ◦ vas-, alumínium-, szilícium-, titán-, nátrium- és kalcium-oxidok, ◦ fémek: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn, stb. Nagy fajlagos felület: 10 m2/g. Apró szemcseméret: 90% <75 µm, átl. <10 µm Nedvességtartalma átl. 45−50% 11

A KÖRNYEZETI KOCKÁZAT SZENNYEZŐFORRÁS

KIALAKULÁSA TERJEDÉSI ÚT

jelenlegi oldott szennyezőanyag csóva

HATÁSVISELŐ / EXPOZÍCIÓ

feltételezett csóva

Környezeti kockázat akkor alakulhat ki, ha a szennyezőanyagok a vízzel- vagy a levegővel történő terjedés útján vagy direkt kontaktus révén (pl. a szennyezett talaj közvetlen lenyelésével) a hatásviselők (élőlények vagy ember) expozícióját okozzák.

A környezeti kockázat az ökoszisztéma, illetőleg az emberi egészség romlásának, károsodásának várható mértéke és bekövetkezési valószínűsége. Forrás: BGT Hungária 12. kép Kft.

13

AZ ÜLEDÉKEK VIZSGÁLATA

AZ AJKAI VÖRÖSISZAP KATASZTRÓFA HATÁSA A FELSZÍNI VIZEK ÜLEDÉKÉRE

14

A VÍZFOLYÁSOK ÉRINTETTSÉGE









Torna → Marcal → Rába → Mosoni-Duna Torna és Marcal (pH = 12) élővilága teljesen kipusztult, 10 alatti pH Mosoni-Dunában Beavatkozások  azonnali: gipsz és ecetsav adagolása Vörösiszap és gipsz kiülepedett a folyóvízi üledékben (finom szemcseméret) 15 A vörösiszap terjedési iránya (MTI)

VÍZFOLYÁSOK ÉRINTETTSÉGÉNEK VIZSGÁLATA ANGOL KUTATÓKKAL EGYÜTTMŰKÖDVE

Kolontár, gát, 2010.11.30.

Gáttól érkező víz a Tornába

16

Torna a Marcalba

Marcal

ÜLEDÉKMINTÁK

Gipsz adagoló pont

Marcal üledéke

17

A SZÁRÍTOTT ÜLEDÉKMINTÁK

18

A MINTÁK TIPIZÁLÁSA Probléma: a referenciaminták nem reprezentálhatnak egy egész folyószakaszt Tipizálás alapja: indikátor elemtartalmak  „Vörösiszapos”: kics. Na>600 mg/kg  „Gipszes”: össz. S>2000 mg/kg  „Kevéssé szennyezett” (egyik vagy másik anyag által)  „Referencia” (torkolatok felvizéről)

kics. Na

össz. S

pH

mg/kg

mg/kg

-

16,2

139,1

8,81

T3

776

4517,7

9,06

T4

697

1048

9,22

T5

789

1281,5

8,66

T6

1749

2317,7

9,12

60,2

155,4

9,05

1888

1371,2

9,88

M4

564

861,8

8,67

M5

110

1566,2

8,35

61

757,7

8,51

M7

195

3887,1

8,39

M8

139

2074,1

8,81

M9

37,2

2897,4

8,16

M10

95,2

4965,5

7,98

M11

77

4542,4

8,31

R1 (REF)

50,3

457,9

8,26

R2

80,4

595,1

8,41

60

567,7

8,14

T2 (REF)

M1 (REF) M2*

M6*

MD1

19

ÜLEDÉKMINTÁK KÉMIAI ANALÍZISÉNEK EREDMÉNYEI 

 





Marcalban: megnövekedett Al, As, V és Mo koncentráció 2 km-en belül a forrástól: Cr, Ga, Ni (pH <13.1) Határérték feletti mennyiségek: Torna-patak és a Marcal felső része As, Cr, Ni, V a reziduális fázishoz kötve – immobilis Néhány kiülepedési „forró ponton” As, Cr, V gyenge savasan extrahálható 20

William M. Mayes, Adam P. Jarvis, Ian T. Burke, Melanie Walton, Viktória Feigl, Orsolya Klebercz and Katalin Gruiz: Dispersal and attenuation of trace contaminants downstream of the Ajka bauxite residue (red mud) depository failure, Hungary, Environmental Science & Technology, 45 (12), 5147–5155, 2011

A GIPSZADAGOLÁS HATÁSÁNAK VIZSGÁLATA







Sav és gipsz adagolása a folyóvízbe: pH csökkentése és a lúgos pH-n mobilis oxianionok mobilitásának csökkentése Másodlagos karbonátok kialakulása: As, Cr és Mn megkötése

A gipszadagolás által leginkább érintett területeken 36%-a a C-nek az atmoszférából származott: CO2 megkötés!

21 Renforth, P., Mayes, W.M., Jarvis, A.P., Burke, I.T., Manning, D.A.C. and Gruiz, K.: Contaminant mobility and carbon sequestration downstream of the Ajka (Hungary) red mud spill: The effects of gypsum dosing, Science of the Total Environment 421–422 (2012) 253–25

AZ ÖKOSZISZTÉMÁRA

GYAKOROLT HATÁS

VIZSGÁLATÁNAK EGYIK ESZKÖZE: A

KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIA

A környezettoxikológia a vegyi anyagoknak az ökológiai rendszerek szerkezetére és funkciójára gyakorolt (káros) hatását vizsgálja és ebből igyekszik előrejelzést adni a teljes ökoszisztémára (része az ember).  Teljes ökoszisztémák minden részletére kiterjedő vizsgálata nem lehetséges, ezért kiválasztott, jellemző fajok vagy laboratóriumi tesztorganizmusok válasza alapján következtetünk az ökoszisztéma egészére. 

22

http://thechronicleflask.wordpress.com

http://king.portlandschools.org

KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIAI

TESZTEK

- PÉLDÁK

KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIA

EGY FAJT ALKALMAZÓ

23

ALIIVIBRIO FISCHERI BIOLUMINESZCENCIA GÁTLÁSI TESZT Tesztorganizmus: Aliivibrio fischeri Tengeri baktérium, fényt emittál A kurtafarkú tintahal hordozza a Aliivibrio fischeri-t az úgynevezett "fényszervben".  A teszt elve a Aliivibrio fischeri által emittált lumineszcens fény detektálása; toxikus anyagok jelenlétében a fényemisszió csökken. 

Kurtafarkú tintahal Euprymna scolopes

Folyadék kultúra Baktériumszuszpenzió mikroszkópos képe jól megvilágított helyen (fluoreszcens festett sejtek)

Folyadék 24 kultúra sötétben

KONCENTRÁCIÓ-VÁLASZ ÖSSZEFÜGGÉS Szigmoid görbe

LOEC NOEC

EC20

EC50

EC10, EC20, EC50, EC90 = hatásos koncentráció (Effect Concentration), mely a mérési végpont 10, 20, 50, 90%-os csökkenését okozza NOEC = (No Observed Effects Concentration), az a legnagyobb koncentráció, amelynek 25 nincs megfigyelhető hatása LOEC = (Lowest Observed Effects Concentration) az a legkisebb koncentráció, amelynek hatása már megfigyelhető

VÍZIBOLHA (DAPHNIA MAGNA) TESZT 

Daphnia magna tesztorganizmus 



http://www.youtube.com/watch?v=m4G2YFFZQcA

Akut teszt Daphnia magna immobilitási teszt (ISO 6341:1996, OECD 202), 24–48 óra  Daphnia magna szívritmus teszt 





http://www.youtube.com/watch?v=MJCnZ0p B3q4&feature=related

Krónikus teszt  Daphnia magna reproduktivitási teszt (ISO 10706:2000, OECD 211), 21 nap 

http://www.youtube.com/watch?v=b7UFjsAYr 3Y

26

BÉKALENCSE (LEMNA MINOR) TESZT A békalencsék a víz felszínén úszó egyszikű, lágyszárú vízinövények.  Ritkán virágoznak, általában testük sarjadzásával szaporodnak.  Mérés végpontja: levélkeszám, ép, zöld levélrészek területe, klorofill tartalom (etanolban extrahálva, mérés: spektrofotométer) 

27

Fehér mustár

NÖVÉNYI BIOTESZTEK

Sinapis alba réz-oldatban, növekvő koncentráció balról jobbra

 Alkalmazott tesztnövények: fehér mustár (Sinapis alba), kerti zsázsa (Lepidium sativum), retek (Raphynus sativus), búza (Triticum aestivum), angolperje (Lolium perenne) stb.  A növényi magokat közvetlenül a talajba ültetjük  28 direkt kontakt a növényi gyökerek és a talaj között, vagy szűrőpapírra mért tesztoldatra/vízmintára.

FOLSOMIA CANDIDA MORTALITÁSI TESZT A Folsomia candida (Collembola) az ugróvillások rendjébe tartozó, ősi rovar. Apró (3–4 mm hosszú) fehér állatkák.  Talajban élnek (m2-enként ~ 100 000 állatka). Fontos szerepük van a „talajfunkció” fenntartásában  Hasi tömlővel lélegeznek, talajgőzökre érzékenyen reagálnak → Illékony szerves szennyezőanyagokra érzékenyek.  Mérési végpont: pusztulás (akut), utódok száma (reprodukciós)

http://extension.m issouri.edu

29

Kifejlett állat petékkel Kifejlett egyedek fiatal állatokkal Kifejlett Collembola

TOXICITÁSI TESZTEK EREDMÉNYEI AZ ÜLEDÉKMINTÁKRA 

Az értékelés elve 



Skálázás toxicitási indexek alapján: a viszonyítási alap az adott teszten legkevésbé gátló minta (100%: leginkább gátol)

A mintatípusok átlagos relatív „toxicitása” a tesztekben

aerob heterotróf összsejtszám 100,0

Levonható következtetések Aerob heterotróf összsejtszámnál anomália!  Aliivibrio fischeri és Lemna minor: csak vörösiszapszennyezettségre érzékenyek  Sinapis alba és Heterocypris incongruens: vörösiszap- és gipszszennyezettség egyaránt érzékenyek  A kevéssé szennyezett minták toxicitása a tesztek többségén nem jelentősen nagyobb a referenciamintákénál

80,0



60,0 Heterocypris incongruens

Aliivibrio

40,0

Vibrio fischeri

20,0 0,0

Lemna minor

Sinapis alba szár

"vörösiszapos"

"gipszes"

"kevéssé szennyezett"

"referencia"

30

Orsolya Klebercz, William M. Mayes, Áron Dániel Anton, Viktória Feigl, Adam P. Jarvis, Katalin Gruiz: Ecotoxicity of fluvial sediments downstream of the Ajka red mud spill, Hungary, Journal of Environmental Monitoring, 14 (8), 2063-71, 2012

A TALAJ VIZSGÁLATA

AZ AJKAI VÖRÖSISZAP KATASZTRÓFA HATÁSA AZ ELÁRASZTOTT KISKERTI ÉS MEZŐGAZDASÁGI TALAJOKRA

31

TALAJOK VÖRÖSISZAP BORÍTOTTSÁGA MINTAVÉTELI HELYSZÍNEK http://www.katasztrofavedelem.hu/index2.php?pageid=lakossag_kolontar_satellite Somlóvásárhely Szántók – Mintavételi parcellák

Gátszakadás

Devecser V3-jelű minták V2-jelű minták

32 Kolontár

ELÁRASZTOTT TALAJOK ÁLLAPOTÁNAK FELMÉRÉSE – MINTAVÉTELEK

33

Integrált monitoring módszeregyüttes vörösiszappal szennyezett terület felméréséhez Talajminták vizsgálata Fizikai tulajdonságok

Kémiai tulajdonságok

Biológiaiökotoxikológiai tulajdonságok Talajmikroflóra aktivitása

Arany-féle kötöttség Szárazanya g-tartalom

Toxicitás

pH

Aerob heterotróf sejtszám lemezöntéses eljárással

Bakteriális toxicitás: Aliivibrio fischeri lumineszcencia-gátlás

Humusztartalo m

FDA – fluoreszcein hidrolízis

Növényi toxicitás: Sinapis alba (kétszikű) növekedésgátlás

Iontartalom

Szubsztráthasznosít ás BIOLOG Ecoplate

Makrotápelem -tartalom Toxikus elemtartalom

Aerob és anaerob sejtszám határhígításos eljárással

Állati toxicitás: Folsomia candida mortalitás teszt

34

KÉMIAI MÉRÉSEK EREDMÉNYEI ELÁRASZTOTT KERTEK Na-tartalom a kertekben vett átlagmintákban

A kertekben vett átlagminták pH értékei 1000

9

900

8

800

200 100

V01 kontroll

V2-MF1A Kolontár, 5cm vi

V2-MF2A Kolontár, 8cm vi

20-30 cm

10-20 cm

5-10 cm

0-5 cm

20-30 cm

0 10-20 cm

0

20-30 cm

5-10 cm

10-20 cm

0-5 cm

1

300

20-30 cm

5-10 cm

10-20 cm

2

400

5-10 cm

0-5 cm

0-5 cm

3

500

20-30 cm

4

600

10-20 cm

5

700

5-10 cm

pH

6

0-5 cm

7

Na tartalom (mg/kg)

10

V3-MF2A 35 10 Devecser cm vi

KÉMIAI EREDMÉNYEK – TOXIKUS FÉMTARTALOM 

Toxikus fémtartalom határérték alatti - 6/2009 (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendelet  Kerteknél kivéve: Se és As  Feltételezés: nem a vörösiszappal összefüggő szennyezettség, lúgos közegben történő mobilizáció As magyar határérték: 15 mg/kg, helyszínspecifikus: 25 mg/kg  Se magyar határérték: 1 mg/kg, Eu: 3 mg/kg – ez alatti értékek 



Szántóknál kivéve: Cr, Ni, As  A határérték kétszeresét nem érik el – nem kockázatos 36

ÖSSZEFOGLALÁS - ÖKOTOXIKOLÓGIAI ÉS BIOLÓGIAI EREDMÉNYEK 



A talaj mikroflóráját nem gátolja a vörösiszap borítottság Kertek 



A trófikus szinteknél egyedül a növényteszt mutatott ki (kismértékű, kb.15%-os) gátlást

Szántók Vörösiszappal együtt vett mintáknál mindhárom trófikus szintről származó tesztorganizmussal van gátlás (A. fischeri 25%, S .alba 15–20%, Collembola 5–10%)  Vörösiszap eltávolítása után vett mintáknál a A. fischeri (15%) és a S. alba (5–10%) mutatott ki gátlást 

37

VÖRÖSISZAP BEKEVERÉSES MIKROKOZMOSZ KÍSÉRLET

38

A TALAJ PH-JÁNAK VÁLTOZÁSA A VÖRÖSISZAP-TARTALOM FÜGGVÉNYÉBEN A talaj pH-jának változása a vörösiszap-tartalom függvényében 13,00 12,50 12,00 11,50

pH

11,00 10,50 10,00 9,50 9,00 8,50 8,00 1

10

100

Vörösiszap koncentráció [%]

39

KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIAI TESZTEK Gátlási illetve pusztulási %-ok a pH függvényében 120

Pusztulási és gátlási %

5% és 10% bekeverés Folsomia candida Folsomnia candida pusztulási %

100

80

60

Sinapisalba alba Sinapis csírázás gátlási %

40

20

Aliivibrio fischeri Vibrio Fischeri biolumineszcencia gátlási %

0 7

8

9

10

11

12

13

pH

40

KÖVETKEZTETÉSEK 10% alatt nem tapasztalható, ill. elfogadható gátlás  20–30%-os tartományban azonban számottevő  Remediáció: 3–4 cm-s vörösiszap-réteget szántással be lehetne forgatni 30–40 cm mélységben, a talajban ez az 5–10%-os tartománynak felel meg 

Ujaczki, É., Klebercz, O., Feigl, V., Molnár, M., Magyar, Á., Uzinger, N., Gruiz, K. (2015): Environmental toxicity assessment of the spilled Ajka red mud in soil microcosms for its potential utilisation as 41 soil ameliorant. Periodica Polytechnica – Chemical Engineering, Paper 7839, 9 p.

KOCKÁZATCSÖKKENTÉSI LÉPÉSEK   

      

Az emberi élet védelme és az életet veszélyeztető hatások megszűntetése. A gát lezárása: végső bezárás 7 hónappal a katasztrófa után A lúgos áradat semlegesítése: nagy mennyiségű gipsz hozzáadása a pH 9,5-esre állításához és a vízi ökoszisztéma védelméhez Lakókörnyezet és nyílt területek megtisztítása, sérült épületek és törmelékek eltávolítása A folyómedrek fokozatos megtisztítása Másodlagos szennyezőforrások eltávolítása: vörösiszappal borított felületek, mocsarak és tavak. Mezőgazdasági területek: vörösiszap eltávolítása vagy beszántása Hosszú távú monitoring: Na, lúgosság és szikesedés Újranövényesítés Talajkezelési technológiák verifikációja

42

GÁT LEZÁRÁSA

43

LAKÓKÖRNYEZET MEGTISZTÍTÁSA

44

MEZŐGAZDASÁGI TERÜLETEK MEGTISZTÍTÁSA

45

FELSZÍNI VIZEK – 2013. SZEPTEMBER Kolontár 2

Marcal 3

Marcal 9

46

Torna 3

KOLONTÁR – 2014 ŐSZ

47

DEVECSER – 2014 ŐSZ

48

REMEDIÁCIÓ SIKERESSÉGE A FELSZÍNI VIZEKNÉL ÉS A MEZŐGAZDASÁGI TERÜLETEKEN 



Felszíni vizek:  A vörösiszapnak nincs geokémiai lenyomata – a vörösiszappal és gipsszel szennyezett üledék eltávolítása sikeres volt!  Szennyezőanyagok a kis szemcseméretű (< 8 µm) vörösiszap szemcsékhez kötődve – gyorsan távoznak és kihígulnak a rendszerből Mezőgazdasági területek:  Sikeres remediáció!  A területnek csak 6,5%-a nem alkalmas átmenetileg takarmány és élelmiszer növények termesztésére

Anton et al. (2014) Geochemical recovery of the Torna–Marcal river system after the Ajka red mud spill, Hungary, Environmental Science: Processes and Impacts, 16, 2677-2685 Uzinger et al. (2015) Results of the clean-up operation to reduce pollution on flooded agricultural fields after the red mud spill in Hungary, Environ Sci Pollut Res, on-line

49

TOVÁBBI INFORMÁCIÓ





K Gruiz, E Vaszita, V Feigl O Klebercz, É Ujaczki, A Anton: Environmental risk assessment of red mud contaminated soil in Hungary, Proceedings of Aquaconsoil Conference, 16-19 April 2013, Barcelona, Spain, paper 2292, 2013 Katalin Gruiz, Emese Vaszita, Viktoria Feigl, Orsolya Klebercz, Attila Anton: Environmental risk assessment of red-mud contaminated land in Hungary, Proceedings CD of Geo-Congress 25–29 March 2012, Oakland, USA, 4156–4165, 2012



http://enfo.agt.bme.hu/drupal/keptar/432



http://soilutil.hu/node/21 és http://soilutil.hu/node/150

50