Zak³ad Ge o che mii i Ochro ny Œro do wi ska In sty tut Che mii
Aka de mia Œwiê to krzyska ul. Chê ci ñ ska 5, 25-020 Kie l ce zmig@pu.kie l ce.pl
Ba da nia geo che mi cz ne w oce nie sta nu œro do wi ska na wy bra nych przyk³adach
z Gór Œwiê to krzy skich
Ge o che mi cal stu dies in the en vi ron men tal qu a li ty as ses s ment ba sed on the se le c ted exa m p les
from the Œwiêtokrzyskie Mountains (sout h - cen tral Po land)
Abs tract: En vi ron men tal ge o che mi stry is the stu dy on the cy c ling, as well as spa tial and te m po ral di stri bu tion of ele ments and the ir iso to pes in the Earth’s ou te r most la y ers. Un li ke bio che mi stry, the stu dy of bio geo che mi stry re pre sents per haps a more ho li stic ap pro ach to deal with in ter ac tions be twe en li ving or ga nisms and en vi ron men tal abio tic sy stems. The se two dis ci p li nes of ge o s cien ces de scri be the en vi ron ment and dy na mic pro ces ses that take pla ce in it. They help us to bet ter un de r stand all the po ten tial ha zards that can je o par di ze a fra gi le na tu re ba lan ce. This re port sum ma ri zes some of the case stu dies con du c ted in the Œwiêtokrzyskie Mo un ta ins sin ce 1994. They in clu ded: (1) Ba se li ne con cen tra tions of ele ments and or ga nics (PAHs, phe nols, PCBs, chlo ri na ted pe sti ci des) in rocks, so ils, spring wa ters, pine ne e d les and bark, li chens, mos ses in the Œwiêtokrzyski Na tio nal Park using a “bar bell“ ANOVA stu dy de sign; (2) Ge o che mi cal in ter ac tions be twe en rocks, so ils, wa ters and some plant bio in di ca tors at se le c ted plots; (3) Ge o che mi cal ba c k gro und and na tu ral (ge o ge nic) pol lu tion so u r ces, (4) Con cen tra tions of Cd in le a ves and twigs of Sa lix vi mi na lis in the Œwiêtokrzyskie Mo un ta ins and S. gla u ca in Ala ska (USA) in clo se col la bo ra tion with the U.S.
Ge o lo gi cal Su r vey, De nver; (5) Che mi stry and qu a li ty of su r fa ce and spring wa ters. Multi disci pli na ry cha ra c ter and ho li stic ap pro ach of ge o che mi stry to dif fe rent problems of the en vi ron men t de te r mi ne the development of this stu dy, lin king ge o s cien ces with bio lo gi cal and medical sciences.
Key words: en vi ron men tal ge o che mi stry, bio geo che mi stry, Œwiêtokrzyskie Mo un ta ins, Poland S³owa klu czo we: ge o che mia œro do wi ska, bio ge o che mia, Góry Œwiê to krzy skie, Polska
Ge o che mia œro do wi ska jest dys cy p lin¹ ge o che mii, za j muj¹c¹ siê obie giem oraz prze strzen nym i cza so wym rozk³adem pie r wia stków che mi cz nych i ich izo to pów w ze w nê trz nych wa r stwach Zie mi, wchodz¹cych w sk³ad ró ¿ nych ele men tów œro do wi ska przy rod ni cze go. Pocz¹tki tej dys cy p li ny siê gaj¹ lat sze œ æ dzie si¹tych XX wie ku i wi¹¿¹ siê ze wzro stem obaw opi nii pu b li cz nej w zwi¹zku z po stê puj¹c¹ de gra dacj¹ œro do wi ska przy rod ni cze go i po ga r sza - j¹cym siê sta nem zdro wo t nym po pu la cji lu dz kiej pod wp³ywem za nie czy sz -
Pro ble my Eko lo gii Krajo bra zu, tom XVI Wa r sza wa 2006
czeñ stri c te antro poge ni cz nych lub na tu ra l nych mody fi ko wa nych dzia³al no œ - ci¹ go spo darcz¹ cz³owie ka. Ge o che mia œro do wi ska roz wi nê³a siê z ge o che mii pro spe kcy j nej (z ang. exp lo ra to ry ge o che mi stry), ad ap tuj¹c jej za awan so wan¹ me to dy kê ba dañ dla po trzeb ochro ny œro do wi ska. Te same me to dy i te ch ni ki sto so wa ne w po szu ki wa niu z³ó¿ su ro w ców mi ne ra l nych mo ¿ na obe c nie wy - ko rzy sty waæ w moni to ro wa niu za nie czy sz czeñ, lo ka li za cji Ÿró de³ za nie czy sz - czeñ lub ska ¿eñ, wy zna cza niu kon cen tra cji bio do stê p nych itp. Ze wzglê du na bar dzo sze ro ki przed miot ba dañ, ge o che mia dzie li siê na wie le dys cy p lin, wœród któ rych naj starsz¹ jest bio ge o che mia. Dys cy p li na ta bada udzia³ or ga ni - z mów ¿y wych w pro ce sach geo che mi cz nych lub te¿ ina czej – za j mu je siê obie giem oraz rozk³adem prze strzen nym i cza so wym pie r wia stków w bio s fe - rze (Kaba ta - Pen dias, Pen dias 1992, 2001). Cel i za kres ba dañ bio ge o che mii œro do wi ska nie ró ¿ ni¹ siê zna cz nie od kla sy cz nej bio ge o che mii (bio ge o che mii pro spe kcy j nej), tak, ¿e obie dys cy p li ny s¹ czê sto uto ¿ sa mia ne. Jed nak bio ge o - che mia œro do wi ska, w od ró ¿ nie niu od bio ge o che mii pro spe kcy j nej, bada in ter - akcje geo che mi cz ne, za chodz¹ce miê dzy or ga niz ma mi ¿y wy mi a ele men ta mi abio ty cz ny mi we wspó³cze s nych eko sy ste mach oraz ich wp³yw na stan zdro wot - ny or ga ni z mów. Wœród nauk o œro do wi sku przy rod ni czym ge o che mia œro do wi - ska wy ró ¿ nia siê bar dzo zró ¿ ni co wan¹ te ma tyk¹ ba dawcz¹ oraz sze ro kim spe k - trum sto so wa nych me tod i te ch nik ba da w czych, obe j muj¹cych m.in. oz na cze nia sk³adu mi ne ral ne go, kon cen tra cji pie r wia stków i zwi¹zków che mi cz nych oraz sto sun ków izo to po wych w ma kro- i mi kro ob sza rze ba da nych pró bek.
Wpro wa dza ne do œro do wi ska sub stan cje za nie czy sz czaj¹ce lub to ksy cz ne po wo duj¹ zak³óce nia na tu ra l nych cy klów geo che mi cz nych. Na le ¿y jed nak pod kre œliæ, ¿e an tro po pre sja nie musi mieæ wy³¹cz nie cha ra kte ru che mi cz ne - go, lecz rów nie¿ fi zy cz ny, np. ods³oniê cie piry to no œ nych fo r ma cji ska l nych w wy ni ku ro bót gó r ni czych lub bu do w la nych mo¿e przy spie szyæ ut le nie nie pi ry tu (FeS2) i in nych sia r cz ków me ta li, pro wadz¹c do spa d ku pH (wzro stu za - kwa sze nia) wód i gleb oraz remo bi li za cji me ta li ciê ¿ kich (Nor d strom i in.
2000), nie kie dy z kata stro ficz ny mi sku t ka mi dla œro do wi ska (Agu i lar i in.
2004). Po wa ¿ ne nie bez pie czeñ stwo dla œro do wi ska przy rod ni cze go stwa rza te¿ co raz wiê ksza iloœæ wy twa rza nych syn te ty cz nie zwi¹zków or ga ni cz nych.
Szcze gó l ny nie po kój budz¹ ich w³aœci wo œci kan ce ro gen ne, zw³asz cza zwi¹zków aro ma ty cz nych i chloro wcoor gani cz nych.
Wa ¿ nym aspe ktem ge o che mii i bio ge o che mii œro do wi ska s¹ ba da nia te re - no we (z ang. field scre e ning), obe j muj¹ce ró ¿ ne czyn ni ki fi zy cz ne, che mi cz ne i bio lo gi cz ne œro do wi ska. Dok³adna ana li za tych czyn ni ków oraz w³aœci we po bie ra nie pró bek umo ¿ li wiaj¹ pra wid³ow¹ in ter pre ta cjê wy ni ków oz na czeñ mine ralo gi cz nych, che mi cz nych i izo to po wych. Du¿e zna cze nie w ba da niach te re no wych maj¹ te¿ ana li zy po lo we wód (i nie kie dy gleb) przy u¿y ciu urz¹dzeñ prze no œ nych, a szcze gó l nie oz na cze nia zmien nych w cza sie pa ra me - trów, np. pH, prze wodnoœæ ele ktro lity cz na w³aœci wa, po ten cja³u re doks,
stê¿eñ Fe2+/Fe3+, amo nu, azo ta nów (III) i (V) itp. Ba da nia te re no we umo¿liwiaj¹ dodatkowo selekcjê próbek do szczegó³owych analiz labo ra to ry j - nych (Migaszewski, Ga³uszka 2003).
W ni nie j szej pra cy przed sta wio no ki l ka przyk³adów pro je któw ba da w czych z za kre su tytu³owej te ma ty ki, rea li zo wa nych w Gó rach Œwiê to krzy skich przez zespó³ badawczy autora.
Ba da nia geo che mi cz ne i bio geo che micz ne na ob sza rach na tu ra l nych
Pod sta wo wy kie ru nek ba da w czy ze spo³u sta no wi¹ oz na cze nia kon cen tra cji pie r wia stków œla do wych i wielo pier œcie nio wych wê glo wo do rów aro ma ty cz - nych oraz ba da nia in ter akcji geo che mi cz nych w sy ste mach ska³y – gle by – bio wska Ÿ ni ki ro œlin ne (so s na, po ro sty, mchy) – po wie trze na ob sza rach na tu - ra l nych o nie wie l kim wp³ywie za nie czy sz czeñ antro poge ni cz nych. Ba da nia te zo sta³y za ini cjo wa ne w 1994 r., obe j muj¹c g³ów nie ob szar Œwiê to krzy skie go Par ku Na ro do we go. Pro wa dzo ne one by³y w ra mach ki l ku pro je któw: U.S. – Po land Ma ria Cu rie-Sk³odo wska Jo int Fund II, Na ro do we go Fun du szu Ochro - ny Œro do wi ska i Go spo dar ki Wod nej oraz prac w³as nych i sta tu to wych Pa ñ - stwo we go In sty tu tu Geo logi cz ne go i Aka de mii Œwiê to krzy skiej w Kie l cach.
W ba da niach tych wy ko rzy sta no po raz pie r wszy w kra ju sche mat lo ka li za cji sta no wisk i opró bo wa nia przy u¿y ciu me to dy „sztan gi” (bar bell) wraz z ocen¹ zmien no œci wy ni ków me tod¹ ana li zy wa rian cji ANOVA, wzo ro wa ne na do - œwia d cze niach U.S. Ge o lo gi cal Su r vey. W ba da nym par ku „sztan ga” sk³ada³a siê z jed ne go d³ugie go ra mie nia, dwóch œred nich i czte rech kró t kich, przy po - mi naj¹cych si l nie sp³asz czon¹ li te rê H. Ko ñ ce tych osta t nich wy zna cza³y osiem ob sza rów cz¹stko wych, a w ka ¿ dym z nich po dwa sta no wi ska ba da w - cze w od leg³oœci 0,5–1 km (od stro ny do wie trz nej i za wie trz nej) (ryc. 1).
D³ugoœæ ra mion „sztan gi” by³a zwi¹zana z po wie rz ch ni¹, kszta³tem i to po gra - fi¹ par ku: 12,6 km (po ziom 1), 4,4 km (po ziom 2), 2,5 km (po ziom 3) i 0,5 km (po ziom 4). Za kres ba dañ obe j mo wa³ ana li zy che mi cz ne (oz na cze nia 22–28 pie r wia stków, pH, TIC, TOC) i mine ralo gi cz ne (z za sto so wa niem ska nin go - we go mi kro sko pu ele ktro no we go z ana li za to rem ren t ge no wskim) oraz oz na - cze nia stabilnych izotopów siarki.
Wy mie nio ne ba da nia umo ¿ li wi³y usta le nie wyj œcio wej (ba zo wej) kon cen tra cji pie r wia stków œla do wych (m.in. Mi ga sze wski, Pas³awski 1996) i zwi¹zków or ga - ni cz nych (Mi ga sze wski 1999) w ró ¿ nych po zio mach gle bo wych i wy bra nych bio wska Ÿ ni kach ro œlin nych (ple chach po ro stu Hy po gy mnia phy so des, igie³ i kory sosny Pi nus sy l ve stris oraz czê œcio wo tka nek mchów Hy lo co mium splen dens, Hypnum cu pres sifo r me i Ple u ro zium schre be ri) (tab. 1, 2). Wœród zwi¹zków or - ga ni cz nych naj bar dziej przy da t ne do da l szych ba dañ oka za³y siê wielo pier œcie - nio we wê glo wo do ry aro ma ty cz ne, w mnie j szym sto p niu fe no le, poli chlo ro wa ne bi fe ny le i pe sty cy dy (Mi ga sze wski 1999; Mi ga sze wski i in. 2002).
Wy ni ki uzy ska ne w 1994 r. sta no wi³y po ziom od nie sie nia do stwier dze nia zmian w rozk³ad zie prze strzen nym i cza so wym pie r wia stków œla do wych w gle bach, ple chach po ro stu oraz ig³ach i ko rze so s ny w ko le j nych fa zach ba dañ pro wa dzo nych w 1997 i 2002 r. (m.in. Mi ga sze wski 1998; Mi ga sze - wski i in. 2001, 2004a, b). Na pod kre œle nie zas³ugu je fakt, ¿e mimo pe w nej mo dy fi ka cji sche ma tu opró bo wa nia, wy ni ki ana liz che mi cz nych s¹ do sie bie bar dzo zbli ¿o ne. Do ty czy to szcze gó l nie ta kich pie r wia stków jak: As, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, S, Ti, V i Zn w gle bach i ig³ach oraz Ba i pH w gle - bach i Hg w ig³ach. Ró ¿ ni ce miê dzy kon cen tra cja mi tych pie r wia stków i pH z 1994 i 2002 r. wa haj¹ siê na ogó³ w prze dzia le 10–20%, czy li w gra ni cach suma ry cz ne go b³êdu zwi¹za ne go z po bie ra niem, przy go to wa niem i ana liz¹ pró bek.
Naj wiê ksza zmien noœæ sk³adu che mi cz ne go w po zio mach gle bo wych (Ol, Ofh, A i B) by³a zwi¹zana z mnie j szy mi od leg³oœcia mi – 0,5 km i 2,5 km, Ryc. 1. Lo ka li za cja sta no wisk ba da w czych w ob rê bie sche ma tu „sztan gi” w Œwiê to - krzy skim Par ku Na ro do wym w 2002 r.
Fig. 1. Lo ca li za tion of in ve sti ga tion si tes wi t hin the “bar bell” de sign in the Œwiêtokrzyski Na tio nal Park in 2002
a w po zio mie B do da t ko wo – 4,4 km. Z ko lei zmien noœæ sk³adu che mi cz ne go igie³ so s ny by³a zwi¹zana z ró ¿ ny mi in ter wa³ami, co mo ¿ na t³uma czyæ zró¿ ni - co wa nym sk³adem litologi czno-pe trografi cz nym pod³o¿a ska l ne go (kwa r cy ty, pia sko w ce i mu³owce kwar cy ty cz ne, ³upki ila ste, gli ny zwa³owe, pia ski flu - wio gla cjal ne, les sy) i zmien ny mi wa run ka mi hy dro logi czny mi, jak rów nie¿
to po gra fi¹ modyfikuj¹c¹ rozk³ad emisji zanieczyszczeñ lokalnych oraz ponad regio na l nych.
Tab. 1. Sta ty sty ka su ma ry cz na dla wy bra nych pie r wia stków i pH z po zio mów gle bo wych: A (bez na wia sów) i B (w na wia sach) w Œwiê to krzy skim Par ku Na ro do wym w 2002 r.
Ta b . 1. Sum ma ry sta ti stics for se le c ted ele ments and pH in the soil ho ri zon s – A and B (in pa ren t he ses) in the Œwiê to krzy ski Na tio nal Park in 2002
Sk³ad nik Sto su nek (m:n)
Œred nia ge o metr. Za kres ob ser wo wa ny
Za kres ocze ki wa ny 0,05 mg·kg–1
As 16:16
(6:10)
10 (6)
6–16 (<5–20)
5–19 (2–20)
Cd 1:16
(0:10)
<0,5 (<0,5)
– –
– –
Co 16:16
(10:10)
3 (6)
1–16 (1–17)
0,5–15 (1–30)
Cr 16:16
(10:10)
10 (10)
8–17 (6–19)
6–17 (5–20)
Cu 16:16
(10:10)
10 (4)
4–32 (2–22)
3–31 (1–16)
Fe 16:16
(10:10)
8962 (10071)
5300–27300 (6100–31000)
4077–19701 (4028–25180)
Hg 16:16
(10:10)
0,18 (0,06)
0,072–0,603 (0,029–0,121)
0,052–0,638 (0,019–0,169)
Mn 16:16
(10:10)
407 (719)
89–3693 (70–3186)
33–4988 (94–5490)
Ni 16:16
(10:10)
6 (5)
4–27 (2–29)
2–16 (1–21)
Pb 16:16
(10:10)
89 (26)
29–478 (11–67)
18–441 (7–97)
S 16:16
(10:10)
468 (130)
230–1580 (80–270)
136–1616 (60–283)
Zn 16:16
(10:10)
58 (35)
32–119 (19–98)
27–124 (14–86)
pH 16:16
(10:10)
4,24 (4,87)
3,50–5,81 (4,40–5,55)
3,11–5,80 (4,17–5,69) m – iloœæ próbek o kon cent racj ach pow y¿ej gra nicy wyk ryw alnoœci, n – ca³ko wita il oœæ pr óbek
Tab. 2. Sta ty sty ka su ma ry cz na dla wy bra nych pie r wia stków w jed no ro cz nych (2001 – bez na wia sów) i dwu le t nich (2000 – w na wia sach) ig³ach so s ny w Œwiê to krzy skim Par ku Na ro do wym w 2002 r.
Ta b . 2. Sum ma ry sta ti stics for se le c ted ele ments in the 1- and 2-y e ar old, i.e. 2001 and 2000 (in pa ren t he ses), pine ne e d les in the Œwiêtokrzyski Na tio nal Park in 2002
Pie r wia stek Sto su nek (m:n)
Œred nia ge o metr. Za kres ob ser wo wa ny
Za kres ocze ki wa ny 0,05 mg·kg–1
Cd 3:8
(3:8)
1,9 (0,4)
<0,5–3,5 (<0,5–0,7)
0,4–10,1 0,2–0,9
Cu 8:8
(8:8)
4 (3)
3–6 (3–4)
2–6 (2–4)
Fe 8:8
(8:8)
61 (68)
42–107 (55–88)
34–113 (47–98)
Hg 8:8
(8:8)
0,02 (0,034)
0,016–0,027 (0,025–0,043)
0,014–0,030 (0,025–0,047)
Mn 8:8
(8:8)
831 (1254)
584–1152 (842–1745)
547–1263 (770–2043)
Ni 8:8
(6:8)
2 (2)
1–8 (<1–5)
1–9 (<1–6)
Pb 1:8
(0:8)
4 (<5)
<5–7 –
2–6 –
S 8:8
(8:8)
1105 (1087)
914–1255 (1024–1163)
914–1336 (986–1198)
Ti 8:8
(8:8)
2 (2)
2–3 (1–3)
2–4 (1–4)
Zn 8:8
(8:8)
46 (53)
37–57 (43–76)
33–64 (34–77) m:n – ob jaœ nienia w ta beli 1
Œred nie geo me try cz ne kon cen tra cje Cd, Hg i Pb w gle bach par ku s¹ po ni -
¿ej ma ksy ma l nych dopu sz cza l nych wa r to œci (tab. 3). Po je dyn cze prze kro - cze nia zare je stro wa no ty l ko dla Pb (po zio my Ofh i A) oraz Cd w ig³ach P. sylvestris i ple chach H. phy so des. Za gad nie nie to po win no byæ jed nak dok³ad nie zba da ne w sze r szym aspe kcie z uw z glêd nie niem ki l ku ga tun ków ro œlin, przy u¿y ciu dok³ad nie jszej me to dy ana li ty cz nej (ICP-MS). Wy so kie kon cen tra cje Hg w ple chach H. phy so des (0,189–0,214 mg·kg–1), po do b nie jak Mn w ig³ach so s ny P. sy l ve stris (584–1745 mg·kg–1), na le ¿y wi¹zaæ z bioa kumu lacyj ny mi w³aœci wo œcia mi tych ga tun ków lub ich po szcze gó l - nych czê œci. Wa r to œci d34S (2,33–4,75‰) w ig³ach so s ny œwiadcz¹ o po do - bnych Ÿród³ach antro poge ni cz nych i na tu ra l nych siar ki oraz wa run kach fra - kcjo no wa nia izo to po we go.
Tab. 3. Œred nie geo me try cz ne i za kre sy (w na wia sach) kon cen tra cji Cd, Hg i Pb w gle bach, ig³ach so s ny P. sy l ve stris i ple chach po ro stu H. phy so des ze Œwiê to krzy skie go Par ku Na ro do we go w 2002 r. na tle ma ksy ma l nych dopu sz cza l nych kon cen tra cji (bold) w gle bach i ro œli nach upra w nych (Kaba ta - Pen dias, Pen dias 1993, 1999)
Ta b . 3. Ge o me tric me ans and ob se r ved ran ges of Cd, Hg and Pb con cen tra tions in so ils, P. sy l ve stris ne e d les and H. phy so des thal li from the Œwiêtokrzyski Na tio nal Park in 2002 ve r sus ac ces si b le con cen tra tions of the se ele ments in cu l ti va ted so ils and plants (Kaba ta - Pen dias et al. 1993, 1999)
Pie r wia stek Pro fi le gle bo we (n = 61)
Ig³y P. sy l ve stris (n = 16)
Ple chy H. phy so des (n = 2)
Cd (mg·kg–1)
<0,5–1,3*
(<0,5–2,5)
1,9** i <0,4***
(<0,5–3,5)
0,6 (0,6–0,7)
3–5 0,05–0,50
Hg (mg·kg–1)
0,036–0,220*
(0,028–0,603)
0,020** i 0,034***
(0,016–0,043)
0,201 (0,189–0,214)
2 0,05
Pb (mg·kg–1)
13–89*
(<5–478)
<5–7 (–)
11 (–)
100 30–300
* Za kresy œr edni ch geo met ryczny ch dla ró¿ nych poz iom ów gle bow ych.
Œred nie geo met ryczne dla igie³: ** jed nor oczny ch (2001) i *** dwu letn ich (2000)
Ba da nia t³a geo che micz ne go i na tu ra l nych (geo ge ni cz nych) Ÿró de³ za nie czy sz czeñ
Œci œle zwi¹zane z po wy¿sz¹ te ma tyk¹ s¹ ba da nia t³a geo che micz ne go ró ¿ - nych ele men tów œro do wi ska w wy bra nych sta no wi skach (po wie rz ch niach mo de lo wych), re pre zen tuj¹cych naj bar dziej ty po we eko sy ste my na tu ra l ne Gór Œwiê to krzy skich. Powi¹za nie kon cen tra cji rozk³adu pie r wia stków œla do - wych i zwi¹zków or ga ni cz nych (szcze gó l nie z gru py wielo pier œcie nio wych wê glo wo do rów aro ma ty cz nych) w pro fi lach gle bo wych i rosn¹cych obok bio - wska Ÿ ni kach ro œlin nych (so œ nie, po ro stach i mchach) po zwa la prze œle dziæ in - ter akcje geo che mi cz ne (obieg pie r wia stków) w ob rê bie i miê dzy wy mie nio ny - mi ele men ta mi œro do wi ska. Do ty ch czas wy ko na ne ba da nia umo ¿ li wi³y wy - zna cze nie re la cji geo che mi cz nych miê dzy ig³ami so s ny ró ¿ nych prze dzia³ów wie ko wych, okre œlo ny mi czê œcia mi mor folo gicz ny mi i ana tomi cz ny mi so s ny P. sy l ve stris, ple cha mi po ro stu H. phy so des a kor¹ ró ¿ nych ga tun ków drzew szpi l ko wych i li œcia s tych itp. (Mi ga sze wski, Pas³awski, 1996; Ga³usz ka 2003, 2005). Nie któ re gru py oz na cza nych pie r wia stków (aso cja cje geo che mi cz ne) osi¹ga³y ma ksy ma l ne za wa r to œci w okre œlo nych po zio mach gle bo wych, co na le ¿y t³uma czyæ pro ce sa mi so r pcji, sk³on no œci¹ do two rze nia pod sta wieñ izo mor fi cz nych lub wspó l nych zwi¹zków kom p le kso wych, np. Ca-Sr;
Cd-P-S-Zn lub Al - Ce. Stwier dzo no te¿ zmnie j sze nie bio do stêp no œci wie lu me ta li (Fe, Hg, Mn, Al) w rê dzi nach, mimo ¿e ich kon cen tra cje by³y wy ¿sze ni¿ w gle bach bieli cowo- r dza wych; me ta le te s¹ unie ru cha mia ne przez na tu ra - l ne sor ben ty lub wytr¹cane w po sta ci wê gla nów i wodorotlenków. Znaczenie aplikacyjne tych badañ polega równie¿ na mo¿liwoœci przybli¿onego odró¿nienia koncentracji naturalnych od antropogenicznych (Ga³uszka 2003, 2005), a stosunki izotopowe siarki i o³owiu pozwalaj¹ okreœliæ pochodzenie tych pierwiastków (tab. 4).
Tab. 4. Sk³ad izo to po wy o³owiu i siar ki w pro fi lu gle bo wym, wa pie niu, ga le nie i ig³ach so s ny Sto ków ki (Ga³usz ka 2003, 2005)
Tab. 4. Pb and S iso to pic ra tio in the soil pro fi le, li me sto ne, ga le na and pine ne e d les of Sto ków ka Mt. (Ga³usz ka 2003, 2005)
Ele ment 204/206 Pb
±0,001
207/206 Pb
±0,001
208/206 Pb
±0,002
d34S
‰ Ig³y jed no ro cz ne (so s na 1) 0,054 0,844 2,074 4,3 Ig³y jed no ro cz ne (so s na 2) 0,054 0,852 2,084 5,5
Of 0,054 0,848 2,089 22,1
A 0,055 0,849 2,089 16,0
BbrC 0,054 0,845 2,088 12,4
Cca 0,054 0,844 2,082 33,7
Wa pieñ 0,054 0,848 2,082 19,0
Ga le na 0,058 0,851 2,027 –8,4*
* Œred nia z 4 pom iarów (za kres od –2,5 do –12,6‰)
Ba da nia przy u¿y ciu ska nin go we go mi kro sko pu ele ktro no we go z ana li za - to rem ren t ge no wskim s¹ przy da t ne w oce nie wp³ywu py³ów po cho dze nia antro poge nicz ne go lub geo geni cz ne go na che mizm ró ¿ nych ele men tów œro - do wi ska przy rod ni cze go (Ma ne cki 1976), szcze gó l nie bio wska Ÿ ni ków ro œlin - nych (ryc. 2).
W 2004 r. za ini cjo wa no rów nie¿ ba da nia na tu ra l nych Ÿró de³ za nie czy sz - czeñ w Gó rach Œwiê to krzy skich, któ rych wy stê po wa nie jest œci œle zwi¹zane z okre œlo nym sk³adem litologi czno-pe trografi cz nym fo r ma cji ska l nych lub z obe cno œci¹ stref mine ra li za cji pi ry to wej (Mi ga sze wski, Ga³usz ka, mat.
nie publ.). Do naj bar dziej in te re suj¹cych na le¿¹ dwa zbio r ni ki wod ne po³o¿o ne na ob sza rze gó r ni czym Kie le c kich Ko pa l ni Kwa r cy tu w Wi œ niów - ce ko³o Kielc: „Pod wi œ niów ka” i „Szma ra g do we Je zio ro”. W obu zbio r ni - kach zare je stro wa no bar dzo ni skie i jed no cze œ nie zmien ne wa r to œci pH – od - po wie d nio 2,53–3,30 (Mi ga sze wski, Ga³usz ka, mat. nie publ.) i 3,09–4,41 (Do³êgo wska, mat. nie publ.) oraz bar dzo ni skie stê ¿e nia me ta li ciê ¿ kich,
w tym ¿e la za. Do szcze gó l nie uni ka to wych w ska li œwia to wej na le ¿y zbio r - nik wod ny w „Pod wi œ niów ce” (tab. 5). W po rów na niu z nad leg³ym s³upem wody, osa dy tego zbio r ni ka wy ka zuj¹ wy ra Ÿ ne wzbo ga ce nie w ar sen (od po - wie d nio 20–60 µg·l–1 i 1138 mg·kg–1), po chodz¹ce z ut le nie nia mikro kry - stali czne go As - pi ry tu.
W ra mach wspó³pra cy miê dzy naro do wej z U.S. Ge o lo gi cal Su r vey w De - nver (Ko lo ra do) pro wa dzi siê rów nie¿ po rów na w cze ba da nia bio geo che micz - ne, m.in. za wa r to œci ka d mu w li œciach i ga³¹zkach wie rz by Sa lix gla u ca z Ala - ski i S. vi mi na lis z Gór Œwiê to krzy skich (tab. 6), jak rów nie¿ ba da nia t³a geo - che micz ne go ze szcze gó l nym uw z glêd nie niem ob sza rów chro nio nych i na tu - ra l nych Ÿró de³ za nie czy sz czeñ. Nie jest wy klu czo ne, ¿e kadm two rzy to ksy cz - ne zwi¹zki z kwa sem sa li cy lo wym, chro ni¹ce ro œli nê przed pa so ¿y ta mi lub dra pie¿ ni ka mi. Z dru giej jed nak stro ny bar dzo wy so kie kon cen tra cje ka d mu w S. gla u ca z Ala ski mog¹ byæ przy czyn¹ zwiê kszo nej œmie rte l no œci wœród zwierz¹t tego regionu, od¿ywiaj¹cych siê liœæmi i ga³¹zkami wierzby, np.
bobrów, zajêcy, ³osi.
Ryc. 2. Cz¹stki py³ów w jed no ro cz nej igle so s ny zwy cza j nej z Wymys³owa ko³o Daleszyc w ob ra zie SEM: 3 cz¹stki sfe ry cz ne – gli no krze mia ny K, Na, Mg, Fe oraz 1 cz¹stka wrze cio no wa ta – tlen ki Fe, Al, Si
Fig. 2. SEM ima ge of par ti cu la tes in the 1-y e ar old Scots pine ne e d le of Wymys³ów near Daleszyce Mt.: 3 sphe ri cal ones – K, Na, Mg, Fe alumi nosi li ca tes and 1 spin dle- s ha ped one – Fe, Al, Si oxides
Tab. 5. Œred nie geo me try cz ne pH, prze wod noœci ele ktro lity czne j w³aœci we j (EC), po ten cja³u re doks (Eh), tem pe ra tu ry (T) oraz kon cen tra cji SO42–
, Fe2+ i Fe3+ w zbio r ni ku wod nym w „Pod wi œ niów ce”
Tab. 5. Ge o me tric me ans of pH, EC, Eh, tem pe ra tu re and SO42–
, Fe2+ i Fe3+ con cen tra tions in the “Pod wi œ niów ka” open pit wa ter
Data opró bo wa nia pH EC
µS·cm–1 Eh mV
T
°C
SO42– Fe2+ Fe3+* mg·l–1
25.03.2004 (n = 5) 2,92 595 – 9,2 146 – –
14.04.2004 (n = 6) 2,71 585 – 14,0 – – –
25.05.2004 (n = 4) 2,61 597 – 16,7 – 4,5 1,6
24.06.2004 (n = 3) 3,06 671 485 24,2 157* 4,0 2,0
30.07.2004 (n = 2) 3,26 601 – 23,7 – – –
31.08.2004 (n = 2) 3,01 809 – 19,5 187 3,0 1,6
26.09.2004 (n = 2) 3,13 630 – 16,0 285* 4,5 8,5
15.11.2004 (n = 3) 2,58 598 – 3,2 – – –
4 i 5.12.2004 (n = 5) 2,8 426 – 2,8 195 12,5 3,0
15.01.2005 (n = 3) 2,92 703 – 2,5 230 13 11
* Oznac zenia stê¿e nia jonów Fe2+ i Fe3 wy kon ano tyl ko dla 1 pró bki; stê ¿enie Fe3+ ob lic zono z ró¿n icy mi êdzy ca³ko wit ym st ê¿e niem Fe a st ê¿e niem Fe2+
Ba da nia che mi z mu i ja ko œci wód powie rz ch nio wych i ze Ÿró de³ Od 2003 r. wy ko nu je siê te¿ pra ce kar to gra ficz ne oraz kom p le kso we ba da - nia che mi z mu i sk³adu izo to po we go (d34S i d18O w sia r cza nach i d3H) wód ze Ÿró de³ Œwiê to krzy ske go Par ku Na ro do we go (Mi cha lik 2004). S¹ to pie r wsze tego ro dza ju ba da nia pro wa dzo ne na ob sza rach chro nio nych w kra ju. Wstê p ne ba da nia che mi z mu wód oko³o 70 Ÿró de³ sta³ych wy ka za³y nie wielk¹ zmien - noœæ pH. W 2003 r. wa r to œci pH wód ze Ÿró de³ waha³y siê od 3,78 do 7,07 (œred nio 5,82), na to miast ich prze wod ni c two ele ktro lity cz ne w³aœci we – od 32 do 511 µS·cm–1 (œred nio 93 µS·cm–1) (Mi cha lik, mat. nie publ.). Tak ni skie wa - r to œci s¹ zwi¹zane g³ów nie z ro dza jem ska³ bu duj¹cych zr¹b £yso gór oraz Góry Bu ko wej, Psa r skiej i Che³mo wej. W ich sk³ad zie do mi nuj¹ zwiêz³e i twar de kwa r cy ty i pia sko w ce kwar cy ty cz ne, bar dzo od po r ne na wie trze nie i po zba wio ne w³aœci wo œci bu fo ruj¹cych. Zde cy do wa na prze wa ga kwa r cu (SiO2) nad in ny mi s³abo roz pusz czal ny mi mi ne ra³ami w tych ska³ach, jak rów - nie¿ sto sun ko wo kró t ki czas obie gu wody w po kry wach zwie trze li no wych (ru mo szu ska l nym) oraz w stre fach spê kañ i usko ków, nie sprzy ja wy stê po wa - niu w niej wy so kich stê ¿eñ jo nów.
Przy to czo ne przyk³ady œwiadcz¹ o wyj¹tko wej po zy cji ge o che mii w na ukach o œro do wi sku przy rod ni czym. Jej inter dyscy plina r ny cha ra kter i ho li sty cz ne po - dej œcie do ró ¿ nych pro ble mów ochro ny œro do wi ska bê dzie wy zna cz ni kiem jej roz wo ju, ³¹cz¹cym na uki o Zie mi z na uka mi bio logi cz ny mi i me dy cz ny mi.
Tab. 6. Œred nie geo me try cz ne i ob ser wo wa ne za kre sy kon cen tra cji ka d mu w li œciach i ga³¹zkach wie rz by Sa lix vi mi na lis oraz gle bach z Gór Œwiê to krzy skich (La mo t he, mat. nie publ.), wie rz by S. gla u ca i gle bach z Fo r ty mi le Ri ver Wa te r s hed (Go ugh i in.
2001) oraz wie rz by S. gla u ca z cen tra l nej Ala ski (La mo t he, mat. nie publ.)
Tab. 6. Ge o me tric me ans and ob se r ved ran ges of Cd con cen tra tions in le a ves and twigs of Sa lix vi mi na lis and so ils of the Œwiêtokrzyskie Mountains (La mo t he, un publ.), S. gla u ca and so ils of Fo r ty mi le Ri ver Wa te r s hed (Go ugh et al. 2001) and S. gla u ca of cen tral Ala ska (La mo t he, un publ.)
Tkan ka/po ziom gle bo wy
Góry Œwiê to krzy skie (n = 2)
Cen tra l na Ala ska (n = 5)
Fo r ty mi le Ri ver Wa te r s hed (n = 32)
Œr. Za kres Œr. Za kres Œr. Za kres
mg·kg–1
Wie rz ba – li œcie 4,2 3,5–4,8 8,82 5,15–20,3 0,78 0,22–2,4 Wie rz ba – ga³¹zki 5,2 4,9–5,4 6,96 3,76–18,9 1,00 0,17–3,5
Gle ba – po ziom A 0,20 0,14–0,27 – – 0,43 0,14–2,7
Gle ba – po ziom B – 0,12 – – 0,25 0,08–1,5
Gle ba – po ziom C – – – – 0,20 0,08–2,5
Li te ra tu ra
Agu i lar J., Do rron so ro C., Fernández E., Fernández J., Ga r cia I., Ma r tin F., Si món M., 2004: Soil pol lu tion by a py ri te mine spill in Spa in: evo lu tion with time. „En vi ron.
Pol lut.”, 132: 395–401.
Ga³usz ka A., 2003: Rozk³ad pie r wia stków œla do wych i sta bi l nych izo to pów siar ki i o³owiu w wy bra nych ele men tach œro do wi ska przy rod ni cze go Gór Œwiê to krzy skich. „Prz.
Geol.”, 51 (1): 66–72.
Ga³usz ka A., 2005: The che mi stry of so ils, rocks and plant bio in di ca tors in three eco sy - stems of the Holy Cross Mo un ta ins, Po land. „En vi ron. Mo nit As sess.” 110: 55–70.
Go ugh L.P., Crock J.G., Day W.C., Vo h den J., 2001: Bio geo che mi stry of Ar se nic and Ca - d mium, Fo r ty mi le Ri ver Wa te r s hed, Ea st - Cen tral Ala ska. „U.S. Geol. Surv. Prof. Pa - per”, 820: 109–134.
Kaba ta - Pen dias A., Pen dias H., 1992, 2001: Tra ce Ele ments in So ils and Plants. CRC Press, Inc. Boca Ra ton, Fla.
Kaba ta - pen dias A., Pen dias H., 1993, 1999: Bio ge o che mia pie r wia stków œla do wych.
Pañstw. Wyd. Nauk. Wa r sza wa.
Ma ne cki A., 1976: Aero mine ra lo gy – mi ne ra lo gy of at mo sp he ric dust. „Mi ne ral. Po lon.”, 7: 91–97.
Mi cha lik A., 2004: •ród³a Œwiê to krzy skie go Par ku Na ro do we go jako geo indy ka to ry œro - do wi ska przy rod ni cze go. „Par ki Na ro do we”, 3: 27–29.
Mi ga sze wski Z.M., 1998: Ge o che mi stry of so ils and ve ge ta tion of the Holy Cross Mts.
between 1994 and 1996. „Geol. Qu art.”, 42 (1): 99–110.
Mi ga sze wski Z.M., 1999: De te r mi ning or ga nic co m po und ra tios in so ils and ve ge ta tion of the Holy Cross Mts, Po land. „Wa ter, Air, and Soil Pol lut.”, 111: 123–138.
Mi ga sze wski Z.M., Ga³usz ka A., 2003: Za rys ge o che mii œro do wi ska. Wyd. Akad. Œwiêt.
w Kie l cach.
Mi ga sze wski Z.M., Ga³usz ka A., Pas³awski P., 2002: Po ly nuc le ar aro ma tic hy dro car - bons, phe nols and tra ce me tals in se le c ted soil pro fi les and plant bio in di ca tors in the Holy Cross Mo un ta ins, Sout h - Cen tral Po land. „En vi ron. In tern.”, 28/4: 303–313.
Mi ga sze wski Z.M., Ga³usz ka A., Pas³awski P., 2004: Ba se li ne ele ment con cen tra tions in so ils and plant bio in di ca tors of se le c ted na tio nal parks of Po land. „Geol. Qu art.”, 48 (4): 383–394.
Mi ga sze wski Z.M., Ga³usz ka A., Œwiercz A., Ku cha rzyk J., 2001: Ele ment con cen tra - tions in so ils, and plants bio in di ca tors in se le c ted ha bi tats of the Holy Cross Mts, Po - land. „Wa ter, Air, and Soil Pol lut.”, 129: 369–386.
Mi ga sze wski Z.M., Ga³usz ka A., Œwiercz A., Pas³awski P., Sta r na wska E., Styrcz K., Cwe ner A., Pa we lec J., Pod la ski R., Ro ma ñ ski M., 2004: Ba da nia geo che mi cz ne i bio geo chemi cz ne na ob sza rze trzech par ków na ro do wych: Ma gu r skie go, Œwiê to - krzy skie go i Wi gie r skie go z za sto so wa niem ana li zy wa rian cji (ANOVA). „Prz.
Geol.”, 52 (6): 507–515.
Mi ga sze wski Z.M., Pas³awski P.,1996: Tra ce ele ment and su l fur sta b le iso to pe ra tios in so ils and ve ge ta tion of the Holy Cross Mo un ta ins. „Geol. Qu art.”, 40 (4): 575–594.
Nor d strom D.K., Al pers C.N., Pta cek C.J. & Blo wes D.W., 2000: Ne ga ti ve pH and ex tre - me ly acid mine wa ters from iron mo un ta in su per fund site, Ca li fo r nia. „En vi ron. Sci.
Techn.”, 34(2): 254–258.
