Γεωχημικό αποτύπωμα υπερβασικών περιβαλλόντων στην ποιότητα υπογείων νερών, με έμφαση στο χρώμιο και το αρσενικό

Abstract

Τα δυνητικά τοξικά στοιχεία είναι μια από τις σοβαρότερες απειλές στο περιβάλλον εξαιτίας της τοξικότητας και των επιπτώσεών τους στους ζώντες οργανισμούς. Το γεωχημικό αποτύπωμα, η κινητικότητα και οι αυξημένες συγκεντρώσεις των δυνητικά τοξικών στοιχείων σε νερά και εδάφη είναι αποτέλεσμα γεωγενών (αλληλεπίδραση νερών-πετρωμάτων) και ανθρωπογενών (χρήσεις γης) παραγόντων. Η Ελλάδα είναι μια από τις χώρες με τις μεγαλύτερες εμφανίσεις οφιολιθικών συμπλεγμάτων, το κατώτερο τμήμα των οποίων αποτελείται από τα υπερβασικά πετρώματα. Τα πετρώματα αυτά είναι εμπλουτισμένα σε δυνητικά τοξικά στοιχεία όπως χρώμιο (Cr), κοβάλτιο (Co), χαλκός (Cu), νικέλιο (Ni) και αρσενικό (As). Ειδικά το χρώμιο και το αρσενικό, έχουν προσελκύσει την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία 15 χρόνια εξαιτίας των υψηλών συγκεντρώσεών τους σε υπόγεια νερά σε πολλές χώρες του κόσμου συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας, της τοξικότητάς τους ακόμα και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις και της δυνατότητας κινητοποίησής τους – υπό συγκεκριμένες συνθήκες - στο συνηθισμένο εύρος pH των υπογείων νερών. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση των γεωγενών και ανθρωπογενών παραγόντων που (αλληλ-)επιδρούν στην κινητικότητα δυνητικά τοξικών στοιχείων σε εδάφη και νερά σε υπερβασικά περιβάλλοντα. Η δειγματοληψία περιλαμβάνει 175 δείγματα επιφανειακών και υπογείων νερών και 59 δείγματα πετρωμάτων και εδαφών, από τρεις διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας. Οι περιοχές που μελετήθηκαν είναι: α) η περιοχή Λουτρακίου-Σχίνου-Γερανείων Ορέων, β) η λεκάνη Ψαχνών-Πολιτικών, Κεντρικής Ευβοίας και γ) η λεκάνη Σαριγκιόλ, Δυτικής Μακεδονίας. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν την ταυτοποίηση των ορυκτολογικών φάσεων των πετρωμάτων και εδαφών που συλλέχθηκαν και τον προσδιορισμό ενός μεγάλου συνόλου δεδομένων φυσικοχημικών και χημικών παραμέτρων για όλα τα δείγματα νερών (Τ, pH, Eh, EC, DO, TDS, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NO3-,ΝΟ2-, ΝΗ4+, PO43-, SO42-, Cl-, HCO3-, Ag, Al, As, Au, B, Ba, Be, Bi, Br, Cd, Ce, Co, Cr, Cr6+, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, In, La, Li, Lu, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, P, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Te, Th, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zn, Zr), εδαφών και πετρωμάτων (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, MnO, Ba, Ce, Cr, Cs, Dy, Er, Eu, Ga, Gd, Hf, Ho, La, Lu, Nb, Nd, Pr, Rb, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zr, As, Bi, Hg, Sb, Se, Tl, Ag, Cd, Co, Cu, Mo, Ni, Pb, Zn, P). Η επεξεργασία των δεδομένων και η ανάλυση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση στατιστικών αναλύσεων όπως συντελεστές συσχέτισης κατά Pearson, πολυκριτηριακές στατιστικές αναλύσεις (παραγοντική ανάλυση και ιεραρχική ανάλυση κατά συστάδες), υδροχημικών διαγραμμάτων και χαρτών χωρικής κατανομής, σε συνδυασμό με την αξιοποίηση ορυκτολογικών, γεωχημικών, υδροχημικών και υδρογεωλογικών δεδομένων. Οι χημικές αναλύσεις εδαφών και πετρωμάτων παρουσιάζουν υψηλές περιεκτικότητες σε MgO, FeO, As, Cr, Co και Ni, που και στις τρεις περιοχές υπερβαίνουν τη μέση περιεκτικότητα του φλοιού της Γης. Επιπλέον, ταυτοποιήθηκαν χρωμιούχες ορυκτολογικές φάσεις όπως σπινέλλιοι (χρωμίτης και χρωμιούχος μαγνητίτης), σερπεντίνης, πυρόξενος, αμφίβολος, χλωρίτης, κα. Η επεξεργασία των υδροχημικών δεδομένων και η υδρογεωχημική ανάλυση έδειξε ότι στις περιοχές μελέτης επικρατούν από ελαφρώς αλκαλικές έως αλκαλικές και οξειδωτικές γεωχημικές συνθήκες, οι οποίες δεν ευνοούν την κινητικότητα της πλειονότητας των δυνητικά τοξικών στοιχείων. Σε όλες τις περιοχές μελέτης βρέθηκαν αυξημένες συγκεντρώσεις χρωμίου που υπερβαίνουν το θεσμοθετημένο όριο για ανθρώπινη κατανάλωση των 50 μg L-1 του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας (ΠΟΥ). Η κυρίαρχη μορφή χρωμίου στα υπόγεια νερά είναι το εξασθενές χρώμιο. Οι μέγιστες συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου στην περιοχή Λουτρακίου-Σχίνου-Γερανείων Ορέων είναι 458,8 μg L-1, στη λεκάνη Ψαχνών-Πολιτικών είναι 131,1 μg L-1 και στη λεκάνη Σαριγκιόλ είναι 115 μg L-1. Η οξείδωση του τρισθενούς χρωμίου σε εξασθενές χρώμιο λαμβάνει χώρα από φυσικούς (ορυκτά οξείδια του μαγγανίου) και ανθρωπογενείς (οξειδοαναγωγικό ζεύγος NO2-/NO3-) οξειδωτικούς παράγοντες. Η στατιστική και χωρική ανάλυση (στατιστική επεξεργασία, συντελεστές συσχέτισης κατά Pearson, παραγοντική ανάλυση, ιεραρχική ανάλυση, χάρτες χωρικής κατανομής), που πραγματοποιήθηκε και στις τρεις μελέτες περιπτώσεων, υποδεικνύει τη στατιστική και χωρική συσχέτιση μεταξύ των παραμέτρων Cr−Cr6+−NO3-−P−Si αποτυπώνοντας το συνεργιστικό ρόλο των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στη διαμόρφωση της ποιότητας των υπογείων νερών στα υπερβασικά περιβάλλοντα. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε περιοχές που οι αγροτικές δραστηριότητες είναι έντονες, όπως στις λεκάνες Ψαχνών-Πολιτικών και Σαριγκιόλ, ο ρόλος των αγροχημικών προϊόντων (αζωτούχα και φωσφορικά λιπάσματα) είναι σημαντικός στις αυξημένες συγκεντρώσεις χρωμίου στα υπόγεια νερά και πρέπει να αγνοηθεί. Οι συγκεντρώσεις αρσενικού, στα δείγματα που αναλύθηκαν, υπερβαίνουν το θεσμοθετημένο όριο των 10 μg L-1 του ΠΟΥ για το πόσιμο νερό στην περιοχή Λουτρακίου-Σχίνου-Γερανείων Ορέων και σε μια φυσική πηγή στον ορεινό όγκο του Βερμίου. Ωστόσο, συστηματικά υψηλές συγκεντρώσεις αρσενικού εντοπίζονται μόνο στα υπόγεια νερά της περιοχής του Σχίνου. Οι αυξημένες συγκεντρώσεις αρσενικού αποδίδονται πιθανώς στους μηχανισμούς κινητοποίησης λόγω της θαλάσσιας διείσδυσης, στις αλκαλικές συνθήκες και στα αρχικά στάδια της απονιτροποίησης.