Projekty

INSTYTUT PODSTAW INŻYNIERII ŚRODOWISKA

POLSKIEJ AKADEMII NAUK w Zabrzu

Najczęściej oglądane

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.

 

Rezultaty projektu:

W projekcie MoSpeSil (2013-2015) prowadzono badania ekosystemów czterech śląskich rzek: Białej Przemszy, Bytomki, Rawy, Kłodnicy pod kątem mobilności arsenu, antymonu oraz chromu i ich form specjacyjnych. W projekcie opracowano/zoptymalizowano metodykę pobierania, transportowania, przechowywania, przygotowania próbek wód, osadów dennych, roślin oraz oznaczania form specjacyjnych As, Sb oraz Cr w układzie HPLC-ICP-MS o silnie obciążonej matrycy. Badano mobilność i sezonowośc występowania ww. form specjacyjnych.

W wodach śląskich rzek przeważała utleniona forma arsenu, obecne były również znaczne ilości As(III) oraz wielokrotnie organiczne formy As takie jak MMA, DMA , rzadziej AsB. Badania wód pod kątem zawartości form specjacyjnych antymonu wykazały, że w ww. rzekach przeważała utleniona forma antymonu. Najwyższe stężenia Sb(V) znaleziono w wodach Rawy (4,00 ug/L), a następnie Kłodnicy (2,58 ug/L) oraz Bytomki (2,03 ug/L).

Spośród badanych rzek jedynie wody Białej Przemszy pod względem zawartości Sb spełniały wymagania zawarte w rozporządzeniu z 2014 r. [1]. Bytomka, Kłodnica i Rawa pod względem maksymalnej i średniej zawartości Cr(III) i Cr(VI) charakteryzują się podobnym poziomem zanieczyszczeń. Pod względem zawartości chromu wody badanych rzek spełniają wymagania stawiane wodom I i II klasy czystości wód powierzchniowych. Najwyższe stężenie Cr(VI) występowało w wodach rzeki Rawy. Sekwencyjna ekstrakcja chemiczna wykazała, że arsen i chrom są zdemobilizowane w osadzie dennym Białej Przemszy, a zawartość antymonu w frakcji jonowymiennej charakteryzowała się sezonową zmiennością. Arsen i chrom w osadach dennych Bytomki, Rawy i Kłodnicy związane były głównie z frakcją organiczno-siarczkową i tlenkową, w niewielkim zaś stopniu z jonowymienną. Świadczy to o demobilizacji tych pierwiastków w osadzie dennym. Antymon związany w dużym stopniu z frakcją jonowymienną , świadczy to o znacznej jego mobilności z osadów dennych do wód.

Najpopularniejszym gatunkiem roślin rosnącym przy brzegach badanych rzek była najbardziej odporna na działanie metali i metaloidów Pokrzywa Zwyczajna (Urtica dioica). Rosliny przybrzeżne zawierały znaczne ilości Cr, przy czym największą bioakumulację wykazywała pokrzywa w skarajnym przypadku w Bytomce w Rudzie Śląskiej oznaczono aż 36 mg/kg Cr oraz 1,68 mg/kg As. Rośliny przybrzeżne zawierały największe ilości As(V) oraz As(III), jak również metylowe pochodne takie jak MMA oraz DMA. AsB oznaczono jedynie w trzech próbkach roślinnych.

Śląskie rzeki takie jak Kłodnica, Bytomka i Rawa są silnie zanieczyszczone chromem, arsenem i antymonem. Wody jak i osady charakteryzowały się największym zanieczyszczeniem, w punktach pobierania mieszczących się w centrum aglomeracji górnośląskiej. W porównaniu w innymi rzekami Polski cechują się silnym zanieczyszczeniem. Badania tego typu nigdy nie były prowadzone w Polsce i dostarczyły istotnych danych w długoterminowym krajowym planie rekultywacji wód. Dostarczył danych dla samorządu terytorialnego potrzebnych do zrównoważonego zarządzania zanieczyszczonymi rzekami.

Efektem projektu były liczne krajowe i międzynarodowe publikacje naukowe, jak również liczne uczestnictwo w konferencjach i sympozjach naukowych, na których prezentowano i dyskutowano uzyskane rezultaty.


Publikacje naukowe:

  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. 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, Specjacja metali i metaloidów w rzekach Górnego Śląska na przykładzie Białej Przemszy. Nauka i Przemysł – metody spektroskopowe w praktyce, nowe wyzwania i możliwości, UMCS Lublin, ISBN 978-83-939465-6-3 Tom I, 417-429, 2015

Konferencje naukowe:

  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, 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, Specjacja metali i metaloidów w rzekach Górnego Śląska na przykładzie Białej Przemszy. 9-11 czerwiec 2015r Lublin, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej, Poland VIII Ogólnopolskie Sympozjum Nauka i przemysł – metody spektroskopowe w praktyce, nowe wyzwania i możliwości. presentation
  7. Magdalena Jabłońska-Czapla, Spektrometria ICP-MS – nowoczesna metoda analizy pierwiastków. 08 październik 2015 r. Ustroń, Poland IV Szkoła Optycznej Spektrometrii Emisyjnej, presentation
  8. Magdalena Jabłońska-Czapla, Metal(loids) speciation using HPLC-ICP-MS technique in Klodnica River, Upper Silesia, Poland. 13-14 kwiecień 2015 r., Wenecja, Włochy, XIII International Conference on Environment Science and Engineering, World Academy of Science Engineering and Technology, international Presentation/przewodniczenie sesji


Kolejnym efektem zrealizowanego projektu jest uzyskanie tytułu doktora habilitowanego przez kierownika projektu w lipcu 2016 r. 

Nasza siedziba