Projects

INSTITUTE OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING

POLISH ACADEMY OF SCIENCES in Zabrze

Most Viewed

mospesil plakat

 Cel projektu:

 

Projekt ma na celu określenie mobilności oraz sezonowości zmian form specjacyjnych arsenu, chromu oraz antymonu w wodach i osadach dennych oraz roślinach przybrzeżnych silnie zanieczyszczonych ekosystemów rzek Górnego Śląska (Kłodnica, Bytomka, Biała Przemsza, Rawa). Celem projektu jest również opracowanie nowych metod oznaczania jonowych form arsenu, antymonu i chromu i ich zastosowanie do badania zawartości tych analitów z wykorzystaniem techniki łączonej HPLC-ICP-MS

Wykonawcy:

     dr Magdalena Jabłońska-Czapla – kierownik
mgr inz Sebastian Szopa – główny wykonawca

Obiekt badań:

Rzeki Kłodnica, Bytomka, Biała Przemsza i Rawa przepływają przez jeden z najbardziej uprzemysłowionych obszarów Polski. Zakłady przemysłowe, gęsta zabudowa mieszkaniowa i przemysł ciężki są odpowiedzialne za poważne zanieczyszczenie wód powierzchniowych. Obserwowany od wielu lat stały spadek poziomu wód gruntowych i coraz częstsze susze w lecie powodują, że często więcej niż 90% przepływu tych rzek stanowią różne go rodzaju ścieki. Regulowanie koryt rzek w zlewni Kłodnicy, ma prowadzić do zmniejszenia powierzchni naturalnych terenów zalewowych (w tym eliminacji terenów podmokłych w dolinach rzek), mimo to, w czasie ulewnych deszczów często dochodzi do zalewania terenów przybrzeżnych. Warunki te są szczególnie niebezpieczne ze względu na zanieczyszczenie osadów dennych przez toksyczne pierwiastki. Wraz z wodami powodziowymi poza koryto rzeki mogą przedostawać się zdeponowane osady denne, co jest poważnym zagrożeniem dla tysięcy ludzi żyjących w jej bezpośrednim sąsiedztwie. Badania metali i niemetali w próbkach środowiskowych, w tym rzek Górnego Śląska były prowadzone od wielu lat. Dotyczyły jednak oznaczania całkowitej zawartości analitów (metoda absorpcji spektrometrii atomowej) bądź metali/metaloidów związanych z określonymi frakcjami form metali (np. według metodologii Tessier). Natomiast badania wody i osadów dennych z wykorzystaniem technik spektroskopowych pozwalają jedynie na określenie całkowitej zawartości pierwiastków, co jest niewystarczające, aby w pełni ocenić zagrożenia dla środowiska. Jednak jak wykazują badania nie całkowita zawartość analitu, lecz to forma jonowa, w jakiej on występuje ma decydujące znaczenie dla organizmów żywych. Konieczne jest jednoczesne zastosowanie technik rozdziału i detekcji, takich jak na przykład układu HPLC-ICP-MS (chromatografia cieczowa połączona ze spektrometrią mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie) [1-4].

W wyniku wieloletnich zaniedbań Górny Śląsk wciąż jest "ekologiczną bombą", a jej rzeki są potencjalnym źródłem zanieczyszczenia innych regionów Polski. Wybrane do badania rzeki (Kłodnica, Bytomką, Biała Przemsza i Rawa) są jednym z najbardziej zanieczyszczonych rzek Polski, które jako dopływy głównych rzek (Wisły i Odry), powodują rozprzestrzenianie się tych zanieczyszczeń na dużym terenie Polski. Co więcej, te stosunkowo niewielkie rzeki stanowią poważne zagrożenie dla mieszkańców podczas powodzi, które często są tragiczne i ich skutki powodują trwałe zanieczyszczenia terenów zalewowych.

Rzeka Kłodnica jest prawobrzeżnym dopływem Odry. Długość rzeki wynosi 84 km, a całkowita powierzchnia zlewiska 1,125.8 km2. W górnej części rzeki znajdują się duże miasta - Katowice, Ruda Śląska, Mikołów, Świętochłowice, Bytom, Zabrze, Gliwice i wraz z nimi wiele zakładów przemysłowych, w tym kopalń węgla. Zlewnia rzeki na tym odcinku ma charakter przemysłowy. Zlewnia dolnego odcineka rzeki od zapory Dzierżno Wielkie do ujścia do Odry w Kędzierzynie-Koźlu, ma charakter rolniczy. Kłodnica od źródła jest zanieczyszczona ściekami przemysłowymi i komunalnymi. Dowody wskazują znaczne przekroczenia stężeń azotu i fosforu oraz wysokie zasolenie jak również wysokie stężenie zawiesin. Zawartość metali ciężkich w osadach jest znacznie wyższa niż w osadach rzecznych z innych polskich regionów niepoddanych silnej presji antropogenicznej. Najlepszym przykładem wskazującym na silne zanieczyszczenie jest stężenie ołowiu [5].

                      klodnica 1 m                       klodnica 2 m

                            Kłodnica ul. Odrowążów                                    Kłodnica ul. Zamkowa
                            Gliwice                                                                  Ligota Łabędzka, Gliwice

  

Rzeka Bytomka o długości 22,0 km i zlewni 147,8 km2 jest prawobrzeżnym dopływem Kłodnicy. Rzeka nie ma naturalnych źródeł - początek rzeki to rów Karbowski, kolektor ścieków komunalnych i przemysłowych. Następnie przepływa ona przez obszary miejskie w Rudzie Śląskiej, Zabrzu i Gliwicach, gdzie w dzielnicy Sośnica, wpada do Kłodnicy. W całym swoim biegu Bytomka przepływa przez obszar silnie zurbanizowany, prawie na całej długości jest uregulowana, a jej koryto jest wybrukowane lub zabetonowane. Bytomka ma bardzo ubogie dorzecze. Jest zasilana głównie przez ścieki z kopalni, zrzuty ścieków z zakładów przemysłowych, ścieki komunalne i wody deszczowe. Poprzez szereg rowów i kolektorów doprowadza się do Bytomki duże ilości silnie zanieczyszczonych ścieków, co stanowi 80 - 90% średniego przepływu tej rzeki[6]. Bytomka jest zanieczyszczona odpadami, zarówno komunalnymi, jak i przemysłowymi. W rzece występują znaczne przekroczenia większości wskaźników fizyko-chemicznych, w szczególności amoniaku, azotu, fosforu, zawiesiny ogólnej, jonów chlorkowych i bardzo niskie poziomy rozpuszczonego tlenu. Wysokie przewodnictwo wody spowodowane jest silnym zasoleniem ścieków kopalnianych [7].

                      bytomka 3 m                       bytomka 4 m

                            Bytomka ul. Potokowa,                                    Bytomka ul. Bytomska,
                            Ruda Śląska                                                        Zabrze Biskupice 

 

Długość rzeki Biała Przemsza wynosi ok. 64 km i zlewni to 880 km2. Rzeka wypływa z torfowisk położonych w pobliżu Wolbromia, na wysokości 380 m nad poziomem morza. Rzeka ta przepływa przez dwa województwa – małopolskie i śląskie. W Mysłowicach, na wysokości 250 m n.p.m., Biała Przemsza łączy się z Czarną Przemszą i razem tworzą one Przemszę - lewobrzeżny dopływ Wisły. Wody Białej Przemszy i jej dopływów, zanim dotrą one do Zagłębia, charakteryzują się bardzo dobrą jakością, ale w Sosnowcu wody tej rzeki są już silnie zanieczyszczone i wykazują przekroczenia większości wskaźników jakości wody. Największe zmiany, które miały miejsce w dorzeczu Białej Przemszy są spowodowane przez działania odwadniające kopalni (wprowadzanie ścieków o wysokim zasoleniu, obniżenie poziomu wód gruntowych i bardzo niskie temperatury). Temperatura, w tym przypadku, jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za silne przekształcenie całego ekosystemu. Rzeka mimo spadku przepływu wody i typowej dla wód nizinnych, stała się rzeką górską. Teren przyległy do rzeki (lasy, bagna) graniczące z wodami zamieszkane są przez organizmy wodne, charakterystyczne dla ekosystemów górskich.

 

                      przemsza 5 m                                 przemsza 6 m 

                            Biała Przemsza, Klucze-Osada,                           Biała Przemsza, Dąbrowa Górnicza-Okradzionków,
                            most przy Trasie 791                                            ul. Białej Przemszy

Rawa to największy z dopływów rzeki Brynicy. Pośrednio zasila także wody Wisły. Brynica wpada, bowiem do Przemszy, a ta z kolei do Wisły. Swój początek rzeka bierze w Stawie Marcin w Rudzie Śląskiej. Następnie przepływa ona przez Świętochłowice, Chorzów, Katowice i Sosnowiec i wpływa do rzeki Brynicy, która po 850 m, łączy się z Czarną Przemszą. W miastach koryto tego cieku jest często całkowicie przykryte. Rawa ma 19,6 km długości, jest zasilana głównie przez wody deszczowe i ścieki komunalne oraz przemysłowe.

                      rawa 7 m

                          Rawa Katowice ul. Szabelniana

 

Dlaczego badania te są tak istotne?

Dane toksykologiczne świadczą o tym, że w wielu wypadkach nie całkowita zawartość danego pierwiastka, lecz udział jego poszczególnych form jonowych ma decydujący wpływ na organizmy żywe. Dlatego ważniejsza niż informacja na temat całkowitej zawartości jest wiedza na temat występowania każdej z form danego pierwiastka. Aktywność biologiczną i toksyczność wobec organizmów żywych wykazują przede wszystkim pierwiastki występujące w postaci jonowej. Wszystkie jony danego pierwiastka obecne w środowisku mogą występować w postaci wolnych anionów, kationów lub jonów związanych w kompleksy z ligandami organicznymi lub nieorganicznymi. Dotychczas stosowane techniki i metody analityczne takie, jak atomowa spektrometria absorpcyjna, stosowane są przede wszystkim do określania sumy zawartości danego pierwiastka i nie pozwalają na oznaczanie ich różnych form jonowych. Ponadto problemem jest oznaczanie niskich stężeń analitów w próbkach o obciążonej matrycy. Zgodnie z światowymi trendami w analityce środowiskowej oraz analityce specjacyjnej, konieczne jest stosowanie technik łączonych, w których metody separacyjne (np. chromatograficzne) łączy się z różnymi metodami detekcji (np. spektroskopowymi). W ramach się realizacji niniejszego projektu wykorzystuje się chromatograf cieczowy połączony z detektorem spektrometrii mas sprzężonym z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (HPLC-ICP-MS), który stwarza ogromne możliwości w zakresie analityki specjacyjnej. Są nimi niskie granice wykrywalności i oznaczalności, wysoka selektywność oznaczeń w próbkach o złożonej matrycy oraz co najważniejsze możliwość jednoczesnego oznaczania różnych jonowych form wybranych metali i metaloidów, które istotnie różnią się właściwościami fizyko-chemicznymi oraz toksykologicznymi.

Migracja jonów z osadów rzecznych do wody i odwrotnie jest procesem złożonym, a uzyskane wyniki badań pozwolą na ocenę zagrożeń dla środowiska, związanych z obecnością różnych form jonowych tych pierwiastków w wybranych rzekach Górnego Śląska.

Duże zawartości toksycznych form arsenu, antymonu i chromu w wodzie prowadzą do ich kumulowania przez florę i faunę tych rzek, a także przez roślinność nadbrzeżną. Warunkiem koniecznym do oceny zagrożeń środowiskowych związanych z obecnością różnych form jonowych arsenu, antymonu i chromu w wodach i osadach dennych badanych rzek jest opracowanie szczegółowych metodyk analitycznych opartych o technikę łączoną HPLC-ICP-MS.

 

Result of the project:

In the MoSpeSil project, ecosystems of 4 Silesian rivers (Biała Przemsza, Bytomka, Rawa, and Kłodnica) were researched for mobility of arsenic, antimony and chromium and their species. In the project, the researchers developed/optimized methodologies for sampling, transport, storage, water, bottom sediment and plant sample preparation and arsenic, antimony and chromium species determination with HPLC-ICP-MS for samples with highly complex matrices. Also, the mobility and seasonality of the discussed species were researched.

The oxidised arsenic form dominated in the water of the Silesian rivers. Apart from this form, significant As(III) amounts and multiple organic arsenic forms (such as MMA, DMA, and less often AsB) were also present. The antimony research showed that the oxidised antimony form dominated in the analysed samples. The highest Sb(V) concentrations were found in the waters of the Rawa River (4.00 ug/L), Kłodnica River (2.58 ug/L), and Bytomka River (2.03 ug/L). Among the examined rivers, only the Biała Przemsza River water met the requirements for the antimony contents included in the Regulation from 2014 [1]. The Bytomka, Kłodnica and Rawa Rivers demonstrated similar maximum and mean Cr(III) and Cr(VI) contents. For chromium, the examined river waters met the requirements for Classes I and II of the surface water purity. The highest Cr(VI) concentration was determined in the Rawa River water. The sequential chemical extraction demonstrated that arsenic and chromium were demobilised in the Biała Przemsza River bottom sediments, whereas the antimony content in the ion-exchange fraction demonstrated seasonal variability. Arsenic and chromium found in the Bytomka, Rawa and Kłodnica River bottom sediments were mainly bound with the organic-sulphide and oxide fractions. The elements were bound to the ion-exchanged fraction to a much lower extent. Such findings show that the discussed elements were demobilised in the bottom sediments. Antimony was bound to the ion-exchange fraction to a high extent, which proves its significant mobility from the bottom sediments and into the water.

The common nettle (Urtica dioica) was the most popular plant species growing at the examined river banks. It was most resistant to the metal and metalloid influence. The bank plants contained large chromium contents. The biggest accumulation was demonstrated by the nettle in the extreme case in the Bytomka River (Ruda Śląska), where the chromium and arsenic concentrations were 36 mg/kg and 1.68 mg/kg, respectively. The bank plants contained the biggest amounts of As(V) and As(III) as well as the methyl derivatives, such as MMA and DMA. AsB was only determined in 3 plant samples.

Silesian rivers (Kłodnica, Bytomka and Rawa) are highly polluted with chromium, arsenic and antimony. Both waters and bottom sediments were most polluted at the sampling points located at the Silesian agglomeration centre. The examined rivers are highly polluted in comparison with other Polish rivers. Such a research had not been conducted before. It provided significant data in the long-term national plan for the water reclamation. The data was necessary for the local government for the sustainable management of the polluted rivers.

The project yielded numerous national and international scientific publications and participation in many scientific symposia and conferences, in which the obtained results were presented and discussed.

Publications:

  1. Magdalena Jabłońska-Czapla, Arsenic, Antimony, Chromium, and Thallium Speciation in Water and Sediment Samples with the LC-ICP-MS Technique, International Journal of Analytical Chemistry, 2015 Article ID 171478, 13 pages, doi:10.1155/2015/171478 http://www.hindawi.com/journals/ijac/2015/171478/, IF=1.000
  2. Magdalena Jabłońska-Czapla, Antimony, Arsenic and Chromium Speciation Studies in Biała Przemsza River (Upper Silesia, Poland) Water by HPLC-ICP-MS. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2015, 12, 4739-4757, doi:10.3390/ijerph120504739 http://www.mdpi.com/1660-4601/12/5/4739, IF=1.990
  3. Magdalena Jabłońska-Czapla, Sebastian Szopa, Arsenic, antimony and chromium speciation using HPLC-ICP-MS in selected river ecosystems of Upper Silesia, Poland – a preliminary study and validation of methodology. Water Science and Technology: Water Supply, 16.2, 2016, 354-361, , doi:10.2166/ws.2015.146, http://ws.iwaponline.com/content/early/recent, IF=0.394
  4. Magdalena Jabłońska-Czapla, Metal(loids) speciation using HPLC-ICP-MS technique in Klodnica River, Upper Silesia, Poland. International Journal of Environmental, Chemical, Ecological, Geological and Geophysical Engineeringvol 9, No. 4, 2015
    http://waset.org/publications/10001083/metal-loids-speciation-using-hplc-icp-ms-technique-in-klodnica-river-upper-silesia-poland
  5. Magdalena Jabłońska-Czapla, Czy zawartość metali i metaloidów w rzekach Górnego Śląska stanowi zagrożenie? Laboratorium Przegląd Ogólnopolski, 5-6/2015, 58-61
  6. Magdalena Jabłońska-Czapla, Badanie zawartości metali i metaloidów w rzece Rawa. Laboratorium Przegląd Ogólnopolski, 11-12/2015,
  7. Magdalena Jabłońska-Czapla, Speciation of metals and metalloids in the Upper Silesian rivers – an example of the Rawa River. Nauka i Przemysł – metody spektroskopowe w praktyce, nowe wyzwania i możliwości, UMCS Lublin, ISBN 978-83-939465-6-3 Tom I, 417-429, 2015 

Conferences:

  1. Magdalena Jabłońska-Czapla, Problems and challenges in analytical speciation using combined techniques. 26-28 May 2014, Ślesin, Poland, Scientific Symposium: The new apparatus, old problems. - presentation
  2. Magdalena Jabłońska-Czapla, Arsenic, antimony and chromium speciation using HPLC-ICP-MS technique in selected rivers ecosystems of Upper Silesia, Poland – validation of methodology. June 17-20, 2014, Lausanne, Switzerland 38th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry, international presentation
  3.  Magdalena Jabłońska-Czapla, Sebastian Szopa, Arsenic, antimony and chromium speciation using HPLC-ICP-MS technique – validation of methodology. June 17-20, 2014, Lausanne, Switzerland 38th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry, international poster
  4. Magdalena Jabłońska-Czapla, Mobility of arsenic, antimony and chromium speciation forms in selected rivers ecosystems of Upper Silesia, Poland - methodology development and preliminary studies. June 17-20, 2014, Lausanne, Switzerland, 38th International Symposium on Environmental Analytical Chemistry, international poster
  5. Magdalena Jabłońska-Czapla oraz Sebastian Szopa, Determination of organic and inorganic arsenic forms in the samples with complex matrix using HPLC-ICP-MS technique, 16 May 2014, University of Silesia, Katowice, Poland, VIII Scientific Seminar: Current problems of Analytical Chemistry. poster
  6. Magdalena Jabłońska-Czapla, Speciation of metals and metalloids in the Upper Silesian rivers – an example of the Rawa River. 9-11 June 2015, Lublin, Maria Skłodowska-Curie University, Poland , 8th National Symposium: Science and Industry – spectroscopic methods in practice, new challenges and opportunities. National presentation
  7. Magdalena Jabłońska-Czapla, ICP-MS spectrometry – a modern method for element analysis.
    October 8, 2015, Ustroń, Poland, 4th Optical Emission Spectrometry, national presentation
  8. Magdalena Jabłońska-Czapla, Metal(loids) speciation using HPLC-ICP-MS technique in Klodnica River, Upper Silesia, Poland. 13-14 April 2015, Venice, Italy, XIII International Conference on Environment Science and Engineering, World Academy of Science Engineering and Technology international Presentation/ session chairing

Another result of the project is the habilitation of the project manager in July 2016.

 

Our location