Verifying Concurrent Processes Using Temporal Logic

Brent T. Hailpern (auth.)

زمین شیمی فلزات سنگین و هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای رسوبات حوضه آبریز رودخانه کارون در استان خوزستانWORD

چکیده

 زمین­ شیمی فلزات سنگین و هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای رسوبات حوضه آبریز رودخانه کارون در استان خوزستان

 رودخانه کارون طویل‌ترین رودخانه ایران است که نیاز آب صنایع واقع در حاشیه خود از جمله صنایع فلزی، پتروشیمی، پالایشگاه و همچنین آب آشامیدنی شهرهایی مانند اهواز، آبادان و خرمشهر را تأمین می‌کند. در این مطالعه 34 نمونه رسوب سطحی برای ارزیابی آلودگی فلزات سنگین(مولیبدن، مس، سرب، روی، نیکل، کبالت، منگنز، آهن، آرسنیک، کادمیم، آنتیموان، وانادیم، کروم، آلومینیم و جیوه) و 19 نمونه برای مطالعه هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای(PAHs) جمع‌آوری وتجزیه شدند. نتایج ضریب غنی­شدگی نشان می‌دهد که عنصر جیوه نسبت به سایر عناصر غنی‌شدگی زیادی داشته و در سه ایستگاه گمرک خرمشهر، پتروشیمی و پالایشگاه آبادان شدیداً غنی شده است. سایر عناصر به غیر از مس، روی و سرب که در برخی ایستگاه‌‌ها مانند پالایشگاه آبادان و خروجی فاضلاب‌ها غنی‌شدگی متوسط تا بالا دارند غنی‌شدگی قابل توجهی نشان نمی‌دهند. با توجه به شاخص کیفیت رسوب و mERMQ محاسبه شده، ایستگاه پالایشگاه آبادان خطر زیست­شناختی متوسط تا بالایی دارد. آزمون تحلیل عاملی و تحلیل خوشه‌ای نشان می‌دهد که روند تغییرات غلظت عناصر آهن، آلومینیم، کروم، وانادیم، نیکل، کبالت، آرسنیک و منگنز در طول رودخانهکم و زمین‌زاد هستند و عناصر جیوه، مس، روی و سرب به دلیل منشأ مشترک در پایین دست برخی صنایع خاص و همچنین خروجی فاضلاب‌ها، بیشتر تحت تأثیر فعالیت‌های انسان‌زاد قرار گرفته‌اند. نتایج PAHها نشان می‌دهد غلظت کلی هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای در گستره 54/11-117730 میکروگرم بر کیلوگرم با میانگین 55/7034 میکروگرم بر کیلوگرم است. به طورکلی غلظت هر 16 ترکیب هیدروکربن آروماتیک چند حلقه‌ای و مجموع کل آنها در ایستگاه پالایشگاه آبادان از استانداردهای شاخص کیفیت رسوب(ERL و ERM) بیشتر می‌باشد. همچنین نسبت‌های ایزومری نشان داد ترکیبات PAH در ایستگاه‌های مختلف منطقه مطالعاتی منابع مختلفی دارند.

 کلمات کلیدی: رسوب، حوضه آبریز رودخانه کارون، فلزات سنگین، هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای، شاخص کیفیت رسوب.

  فهرست مطالب

 فصل اول:کلیات و مروری بر مطالعات پیشین.. 1

 1-1- مقدمه... 2

 1-2- زمین شیمی زیست محیطی... 3

 1-3- محیطزمین شیمیایی رسوبو ارزیابی زیست محیطی آن... 4

 1-4- فلزات سنگین... 6

 1-4-1- منابع طبیعی فلزات سنگین.. 7

 1-4-2- منابع انسان­زاد آلودگی فلزات سنگین.. 8

 1-4-3- توزیع فلزات سنگین در محیط رسوب.. 9

 1-4-3-1- آرسنیک.. 10

 1-4-3-2- کروم.. 11

 1-4-3-3- منگنز.. 13

 1-4-3-4- آهن.. 14

 1-4-3-5- کبالت.. 15

 1-4-3-6- نیکل.. 17

 1-4-3-7- مس.. 18

 1-4-3-8- روی.. 19

1-4-3-9- کادمیم.. 20

 1-4-3-10- جیوه.. 22

 1-4-3-11-سرب.. 24

 1-4-3-12- سلنیم.. 25

 1-4-3-13- وانادیم.. 26

 1-4-3-14- مولیبدن.. 28

 1-4-3-15- آلومینیم.. 29

 1-4-3-16- آنتیموان.. 31

 1-4-4- عوامل مؤثر بر تحرک مجدد فلزات سنگین در رسوبات.. 32

 1-4-5- ورود، متابولیسم و حذف فلزات سمناک از بدن.. 33

 1-5- هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای... 35

 1-5-1- منشأ هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای.. 38

 1-5-1-1- منابع طبیعی.. 41

 1-5-1-2- منابع انسان‌زاد.. 43

 1-5-2- چگونگی قرارگیری در معرض هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای 45

 1-5-3- راه‌های ورود و خروج هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای از بدن 46

 1-5-4- تأثیر هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای بر سلامت 46

 1-5-4-1- اثر بر سیتم ایمنی بدن.. 46

 1-5-4-2- سرطان.. 47

 1-5-4-3- سایر اثرها بر سلامتی.. 48

 1-5-5- هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای در محیط آبی.. 49

 1-5-6- هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای در محیط رسوب.. 50

 1-6- مطالعات پیشین... 51

 1-7- اهداف تفصیلی رساله... 53

   فصل دوم: موقعیت جغرافیایی و زمین‌شناسی منطقه مطالعاتی 55

 2-1- مقدمه... 56

 2-2- ویژگی­های جغرافیایی استان خوزستان... 57

 2-3- ویژگی آب و هوایی منطقه... 61

 2-4- زمین شناسی منطقه... 61

 2-5- چینه­نگاری ناحیه مورد مطالعه... 62

2-5-1-چینه­نگاری نواحی جنوب، غرب و جنوب شرق استان.. 63

2-5-1-1- سازند گچساران.. 64

2-5-1-2- سازند میشان.. 65

2-5-1-3- سازند آغاجاری.. 66

2-5-1-4- بخش لهبری.. 67

2-5-1-5- سازند بختیاری.. 67

2-5-1-6- نهشته­های کواترنر.. 68

2-5-2- چینه­نگاری نواحی شمال، شمال شرق و شمال غرب.. 68

2-5-2- 1- سازند سورمه.. 69

 2-5-2- 2-سازند کژدمی.. 70

 2-5-2- 3-سازند سروک.. 70

 2-5-2- 4-سازند سورگاه.. 71

 2-5-2- 5-سازند ایلام.. 72

 2-5-2-6- سازند گورپی.. 72

 2-5-2-7- سازند پابده.. 73

 2-5-2-8- سازند آسماری.. 73

 2-6- حوضه آبریز رودخانه کارون... 74

2-6-1-بخش میانی حوضه آبریز کارون بزرگ.. 77

2-6-2- بخش غربی حوضه آبریز کارون بزرگ.. 78

2-6-3- ریخت­شناسی(Morphology).. 79

2-6-4- سدهای موجود در منطقه مطالعاتی.. 81

2-6-5- فرسایش‌پذیری منطقه مطالعاتی.. 85

 2-6-6-شاخه­بندی حوضه آبریز کارون در استان خوزستان.. 89

 فصل سوم: مواد و روش‌ها... 93

 3-1- نمونه‌برداری از رسوبات حوضه آبریز کارون... 94

 3-2- روش نمونه‌برداری از رسوب... 98

 3-3- تعیین پارامترهای فیزیکوشیمیایی رسوب... 101

 3-3-1- pH.. 101

3-3-2- هدایت الکتریکی(Electrical Conductivity)102

3-3-3- ماده آلی.. 103

3-3-4- ظرفیت تبادل کاتیونی.. 106

 3-3-5- تعیین بافترسوب.. 108

 3-4- تحلیل داده‌ها... 111

 3-4-1- روش‌هایزمین‌شیمیایی تحلیل داده‌ها.. 111

 3-4-1-1- ضریب تمایز.. 111

 3-4-1-2- ضریب غنی‌شدگی.. 111

 3-4-1-3- شاخص زمین انباشت.. 113

 3-4-1-4- شاخص خطر بالقوه بومشناختی.. 114

3-4-1-5- دستورالعمل‌های کیفیت رسوب.. 115

3-4-2- روش‌های آماری.. 118

3-4-2-1- آمار توصیفی.. 119

3-4-2-2- ضریب همبستگی.. 119

 3-4-2-4- تحلیلمؤلفه‌های اصلی.. 120

 3-4-2-3- تحلیل خوشه‌ای.. 121

 3-5- ارزیابی آلودگی هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه­ای در رسوبات 122

 3-6- ترکیبات PAHسرطان‌زاو غیر سرطان‌زا... 124

 3-7- شناسایی منشأ هیدروکربن­های آروماتیک چندحلقه‌ای در رسوبات 126

 فصل چهارم: فلزات سنگین در رسوبات حوضه آبریز کارون... 130

4-1- مقدمه... 131

4-2- پارامترهای فیزیکوشیمیایی آب رودخانه... 131

4-3- پارامترهایفیزیکوشیمایی رسوب... 133

4-4- نتایجتجزیه نمونه‌های رسوب برای تعیین غلظت فلزات سنگین 141

 4-4-1- مولیبدن.. 142

 4-4-2- مس.. 144

 4-4-3- سرب.. 145

 4-4-4- روی.. 146

 4-4-5- نیکل.. 148

 4-4-6- کبالت.. 149

4-4-7- منگنز.. 150

4-4-8- آهن.. 151

4-4-9- آرسنیک.. 152

4-4-10- کادمیم.. 153

4-4-11- آنتیموان.. 154

4-4-12- وانادیم.. 155

4-4-13- کروم.. 156

4-4-14- آلومینیم.. 157

4-4-15- جیوه.. 159

4-5- مقایسه میانگین غلظت عناصر رسوبات حوضه آبریز رودخانه کارون با رودخانه‌های جهان... 160

4-6- تحلیل زمین‌شیمیایی داده‌ها... 163

4-6-1- ضریب تمایز.. 163

4-6-2- ضریب غنی‌شدگی.. 169

4-6-3- شاخص زمین انباشت.. 177

4-6-4- شاخص خطر بالقوه بوم‌شناختی.. 181

4-6-7- شاخص کیفیت رسوب.. 184

 4-7- تحلیل آماری داده‌ها... 187

4-7-1- ضریب همبستگی.. 192

4-7-2- تحلیل خوشه‌ای.. 196

4-7-3- تحلیل عاملی.. 198

 فصل پنجم:هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه­ای در رسوبات حوضه آبریز کارون... 203

5-1- مقدمه... 204

5-2- نتایج تجزیه هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای در رسوب حوضه آبریز کارون... 204

5-2-1- نفتالن:.. 207

5-2-2- اَسنفتن:.. 208

5-2-3- فلورن:.. 209

5-2-4-فنانترن:.. 211

5-2-5- آنتراسن:.. 212

5-2-6- فلورانتن:.. 213

5-2-7- پایرن:.. 215

5-2-8- بنزو(a) آنتراسن:.. 216

5-2-9-کرایزن:.. 217

5-2-10- بنزو(e) پایرن:.. 218

5-2-11- بنزو(b) فلورانتن:.. 220

5-2-12- بنزو(K) فلورانتن:.. 221

5-2-13- بنزو(a) پایرن:.. 222

5-2-14- دی‌بنزو(a,h) آنتراسن:.. 224

5-2-15- بنزو(ghi) پریلن:.. 225

5-2-16-ایندنو(1,2,3-cd) پایرن:.. 226

5-3- مجموع هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه ای(PAHs∑)... 229

5-4- راهنمای کیفیت رسوب... 231

5-5- مقایسه غلظت PAHهای رسوب حوضه آبریز کارون با برخی از رودخانه‌های جهان... 236

5-6- PAHهای سرطان‌زا و غیرسرطان‌زا در نمونه‌های رسوب... 237

5-7- تعیین میزان سمناکی نمونه‌های رسوب... 240

5-8- ترکیب PAHها بر اساس تعداد حلقه‌ها... 241

5-9- تعیین منشأهای احتمالی PAHها با استفاده از نسبت‌های ایزومری 243

5-10- تحلیل آماری داده‌ها... 247

5-10-1- تحلیل عاملی.. 251

5-12-2- تحلیل خوشه‌ای.. 254

فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات... 256

6-1- نتیجه‌گیری... 257

6-2- پیشنهادات... 264

Abstract 278

منابع فارسی... 265

منابع انگلیسی... 268

فهرست جداول

جدول 1- 1- فراوانی آرسنیک در محیط سنگ، خاک و آب.. 11

جدول 1- 2- فراوانی کروم در محیط‌های سنگ، خاک وآب.. 12

جدول 1- 3- فراوانی منگنز در محیط سنگ، خاک و آب.. 13

جدول 1 -4- فراوانی آهن در محیط سنگ، خاک و آب.. 15

جدول 1-5- فراوانی کبالت در محیط سنگ، خاک و آب.. 16

جدول 1- 6- فراوانی نیکل در محیط سنگ، خاک و آب.. 17

جدول 1- 7- فراوانی مس در محیط سنگ، خاک و آب.. 18

جدول 1- 8- فراوانی روی در محیط سنگ، خاک و آب.. 20

جدول 1- 9- فراوانی کادمیم در محیط سنگ، خاک و آب.. 21

جدول 1- 10- فراوانی جیوه در محیط سنگ، خاک و آب.. 23

جدول 1- 11- فراوانی سرب در محیط سنگ، خاک و آب.. 24

جدول 1- 12- فراوانی سلنیم در محیط سنگ، خاک و آب.. 26

جدول 1- 13- فراوانی وانادیم در محیط سنگ، خاک و آب.. 27

جدول 1- 14- فراوانی مولیبدن در محیط سنگ، خاک و آب.. 29

 جدول 1- 15- فراوانی آلومینیم در محیط سنگ، خاک و آب.. 30

جدول 1- 16- فراوانی آنتیموان در محیط سنگ، خاک و آب.. 31

جدول 1- 17- فرمول مولکولی، جرم مولی، انحلال پذیری، تمایل جذب (Log Kow).. 38

جدول 1- 18- منابع طبیعی و انسان‌زاد PAH.. 40

جدول 2- 1- مشخصات عمومی شهرستان ها براساس تقسیمات کشوری سال 1390 59

جدول 2- 2- خانوار و جمعیت شهرستان ها برحسب ساکن و غیرساکن 1390 60

جدول 2- 3- اطلاعات جغرافیایی تقسیمات اصلی حوضه آبریز کارون بزرگ 76

جدول 2- 4- سدهای موجود در حوضه کارون در محدوده استان خوزستان 83

جدول 2- 5- تقسیمات حوضه آبریز رودخانه کارون بزرگ در استان خوزستان 92

جدول 3- 1- موقعیت نقاط نمونه‌برداری از رسوب و مختصات جغرافیایی آن‌ها 97

جدول 3- 2- رده‌بندی ضریب غنی‌شدگی.. 113

جدول 3- 3- تعیین کیفیت رسوب با استفاده از شاخص زمین‌انباشت 114

جدول 3- 4- درجات خطر بالقوه بوم شناختی.. 115

جدول 3- 5- ERL، ERM، TEL و PEL عناصر مختلف.. 117

جدول 3- 6- رده‌بندی mERMQ.. 118

جدول 3- 7- ضریب همبستگی خوب برای خطاهای قابل قبول متفاوت 120

جدول 3- 8- معیار استاندارد آلودگی ترکیبات PAH برای رسوب 123

جدول 3- 9- مقادیر TEFو رده بندی IARC برای ترکیبات PAHs. 124

جدول 3 - 10- رده‌بندی آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان(IARC) در سال 2011 در مورد ترکیبات PAH.. 125

جدول 3- 11- نسبت‌های تشخیص منابع ترکیبات PAH در رسوبات 128

جدول 4- 1- خلاصه آماری پارامترهای فیزیکوشیمیایی آب رودخانه حوضه آبریز کارون.. 133

جدول 4- 2- پارامترهای فیزیکوشیمیایی رسوبات حوضه آبریز کارون 133

جدول 4- 3- خلاصه آماری پارامترهای فیزیکو‌شیمیایی رسوب.. 134

جدول 4- 4- خلاصه آماری غلظت عناصر در رسوبات حوضه آبریز کارون 142

جدول 4- 5- مقایسه میانگین غلظت عناصر رسوبات حوضه آبریز رودخانه کارون با رودخانه‌های جهان.. 162

جدول 4- 6- آزمون نرمال بودن غلظت کلی عناصر و پارامترهای فیزیکوشیمیایی رسوب.. 189

جدول 4- 7- ماتریس همبستگی پیرسون برای عناصر سنگین مورد مطالعه 194

جدول 4- 8- تحلیل عاملی فلزات سنگین.. 199

فهرست شکل‌ها

 شکل 1- 1- راههای جذب، متابولیسم و دفع مواد بالقوه سمناک از بدن 34

شکل 1- 2- ساختار 16 هیدروکربن آروماتیک چند حلقه‌ای لیست EPA 37

شکل 2- 2- موقعیت جغرافیایی منطقهی مورد مطالعه 58

شکل 2- 3- نقشه زمینشناسی استان خوزستان.. 63

شکل 2- 4- سدهای موجود در حوضه آبریز کارون در استان خوزستان 84

شکل 2- 5- فرسایش پذیری حوضه آبریز کارون در استان خوزستان 88

شکل 2- 6- نمودار شماتیک سرشاخههای حوضه کارون بزرگ 91

شکل 3- 2- موقعیت نقاط نمونه برداری از رسوب برای تعیین غلظت فلزات سنگین 95

شکل 3- 3- موقعیت نقاط نمونه برداری از رسوب برای تعیین غلظت هیدروکربن‌های آروماتیک.. 96

شکل 3- 4- نمونه برداری از رسوب رودخانه.. 99

شکل 3- 5- الف) انداره‌گیری پارامترهای فیزیکوشیمیایی آب رودخانه، ب) شماره‌گذاری نمونه‌های رسوب.. 100

شکل 3- 6- الف) خشک کردن نمونه‌های رسوب در دمای اتاق، ب) خرد کردن و الک کردن نمونه‌های رسوب.. 100

شکل 3- 7- اندازه‌گیری pH رسوب.. 102

شکل 3- 8- اندازه‌گیری هدایت الکتریکی رسوب.. 103

شکل 3- 9- اندازه‌گیری درصد مواد آلی در رسوب 105

شکل 3- 10- مراحل اندازه‌گیری ظرفیت تبادل یونی 107

شکل 3- 11- مراحل تعیین بافت رسوب.. 110

شکل 4- 1- ظرفیت تبادل کاتیونی در ایستگاه‌های مختلف 136

 شکل 4- 2- pH رسوب در ایستگاه‌های مختلف.. 137

شکل 4- 3- نمودار پراکندگی pH آب و رسوبات حوضه آبریز کارون 137

شکل 4- 4- هدایت الکتریکی رسوب در ایستگاه‌های مختلف 138

شکل 4- 5- نمودار پراکندگی EC آب رودخانه و رسوبات حوضه آبریز کارون 139

شکل 4- 6- درصد مواد آلی رسوب در ایستگاه‌های مختلف 140

شکل 4- 7- نمودار تعیین بافت رسوبات حوضه آبریز کارون 141

شکل 4- 8- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر مولیبدن در نمونه‌های رسوب 143

شکل 4- 9- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر مس در نمونه‌های رسوب 145

شکل 4- 10- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر سرب در نمونه‌های رسوب 146

شکل 4- 11- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر روی در نمونه‌های رسوب 147

شکل 4- 12- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر نیکل در نمونه‌های رسوب 149

شکل 4- 13- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر کبالت در نمونه‌های رسوب 150

شکل 4- 14- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر منگنز در ایستگاه‌های مختلف 151

شکل 4- 15- نمودار هیستوگرام و غلظت عنصر آهن در ایستگاه‌های مختلف 152

شکل 4- 16- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت عنصر آرسنیک در ایستگاه‌های مختلف.. 153

شکل 4- 17- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت کادمیم در ایستگاه‌های مختلف 154

شکل 4- 18- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت آنتیموان در ایستگاه‌های مختلف.. 155

شکل 4- 19- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت عنصر وانادیم در ایستگاه‌های مختلف.. 156

شکل 4- 20- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت عنصرکروم در ایستگاه‌های مختلف.. 157

شکل 4- 21- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت عنصرآلومنیوم در ایستگاه‌های مختلف.. 158

شکل 4- 22- نمودار هیستوگرام و تغییرات غلظت عنصرجیوه در ایستگاه‌های مختلف.. 160

شکل 4- 23- نمودار افزودگی-کاهیدگی ضریب تمایز فلزات سنگین در رسوبات 164

شکل 4- 24- نمودار جعبه‌ای ضریب غنی‌شدگی.. 171

شکل 4- 25- نمودار جعبه‌ای ضریب غنی‌شدگی عنصر جیوه 172

شکل 4- 26- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی آرسنیک در حوضه آبریز کارون 173

شکل 4- 27- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی کادمیم در حوضه آبریز کارون 173

شکل 4- 28- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی مس در حوضه آبریز کارون 174

شکل 4- 29- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی جیوه در حوضه آبریز کارون 174

شکل 4- 30- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی منگنز در حوضه آبریز کارون 175

شکل 4- 31- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی مولیبدن در حوضه آبریز کارون 175

شکل 4- 32- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی نیکل در حوضه آبریز کارون 176

شکل 4- 33- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی سرب در حوضه آبریز کارون 176

شکل 4- 34- مدل نقطه‌ای ضریب‌ غنی‌شدگی روی در حوضه آبریز کارون 177

شکل 4- 35- نمودار جعبه‌ای شاخص زمین‌انباشت رسوبات 179

شکل 4- 36- نمودار افزودگی-کاهیدگی I geo در نمونه‌های رسوب 181

شکل 4- 37- مقادیر E_r فلزات سنگین در نمونه‌های رسوب 182

شکل 4- 38- مقادیر E_r جیوه در نمونه‌های رسوب.. 183

شکل 4- 39- مدل نقطه‌ای توزیع مکانی RI در رسوبات حوضه آبریز کارون 183

شکل 4- 40- مقایسه غلظت عنصر مس در نمونه‌های رسوب با استاندارد کیفیت رسوب.. 185

شکل 4- 41- مقایسه غلظت عنصر نیکل در نمونه‌های رسوب با استاندارد کیفیت رسوب.. 185

شکل 4- 42- مقایسه غلظت عنصرکروم در نمونه‌های رسوب با استاندارد کیفیت رسوب.. 186

شکل 4- 43- مقایسه غلظت عنصرجیوه در نمونه‌های رسوب با استاندارد کیفیت رسوب.. 186

شکل 4- 44- مقادیر mERMQ نمونه‌های رسوب.. 187

شکل 4- 45- نمودار Q-Q فلزات سنگین در نمونه‌های رسوب 190

شکل 4- 46- روند تغییرات غلظت عناصر در ایستگاه‌های مختلف نمونه برداری 195

شکل 4- 47- تحلیل خوشه‌ای فلزات سنگین مورد مطالعه 197

شکل 4- 48- نقشه پراکنش نقطه‌ای فاکتور 1 آزمون تحلیل عاملی 201

شکل 4- 49- نقشه پراکنش نقطه‌ای فاکتور 2 آزمون تحلیل عاملی 201

شکل 4- 50- نقشه پراکنش نقطه‌ای فاکتور 3 آزمون تحلیل عاملی 202

شکل 4- 51- نقشه پراکنش نقطه‌ای فاکتور 4 آزمون تحلیل عاملی 202

شکل 5- 1- ساختار شیمیایی نفتالن.. 207

شکل 5- 2- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت نفتالن در نمونه‌های رسوب 208

شکل 5- 3- ساختار شیمیایی اَسنفتن.. 208

شکل 5- 4- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت اَسنفتن در نمونه‌های رسوب 209

شکل 5- 5- ساختار شیمیایی فلورن.. 210

شکل 5- 6- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت فلورن در نمونه‌های رسوب 210

شکل 5- 7- ساختار شیمیایی فنانترن.. 211

شکل 5- 8- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت فنانترن در نمونه‌های رسوب 212

شکل 5- 9- ساختار شیمیایی آنتراسن.. 212

شکل 5- 10- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت آنتراسن در نمونه‌های رسوب 213

شکل 5- 11- ساختار شیمیایی فلورانتن.. 214

شکل 5- 12- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت فلورانتن در نمونه‌های رسوب 214

شکل 5- 13- ساختار شیمیایی پایرن.. 215

شکل 5- 14- نمودار جعبه‌ای غلظت پایرن در نمونه‌های رسوب 216

شکل 5- 15- ساختار شیمیایی بنزو (a) آنتراسن 216

شکل 5- 16- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(a) آنتراسن در نمونه‌های رسوب.. 217

شکل 5- 17- ساختار شیمیایی کرایزن.. 217

شکل 5- 18- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت کرایزن در نمونه‌های رسوب 218

شکل 5- 19- ساختار شیمیایی بنزو(e) پایرن.. 219

شکل 5- 20- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(e) پایرن در نمونه‌های رسوب 219

شکل 5- 21- ساختار شیمیایی بنزو(b)فلورانتن.. 220

شکل 5- 22- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(b) فلورانتن در نمونه‌های رسوب.. 221

شکل 5- 23- ساختار شیمیایی بنزو(k)فلورانتن.. 221

شکل 5- 24- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(k) فلورانتن در نمونه‌های رسوب.. 222

شکل 5- 25- ساختار شیمیایی بنزو(a)پایرن.. 222

شکل 5- 26- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(a) پایرن در نمونه‌های رسوب 223

شکل 5- 27- ساختار شیمیایی دی بنز(ah)آنتراسن 224

عنوان و شماره صفحه

شکل 5- 28- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت دی‌بنزو(a,h) آنتراسن در نمونه‌های رسوب.. 225

شکل 5- 29- ساختار شیمیایی بنزو(ghi) پریلن.. 225

شکل 5- 30- نمودار هیستوگرام و جعبه‌ای غلظت بنزو(ghi) پریلن در نمونه‌های رسوب.. 226

شکل 5- 31- ساختار شیمیایی ایندنو(1,2,3-cd)پایرن 227

شکل 5- 32- نمودار جعبه‌ای و هیستوگرام غلظت ایندنو (1,2,3,-cd) پریلن 227

شکل 5- 33- نمودار جعبه‌ای غلظت کل هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌‌ای‌230

شکل 5- 34- غلظت ترکیبات PAH در ایستگاه‌های مختلف و مقایسه آن با ERL و ERM... 234

شکل 5- 35- نمودار جعبه‌ای PAHهای سرطان‌زا و غیر سرطان‌زا 239

شکل 5- 36- غلظت Benzo(a)Pyren در نمونه‌های رسوب.. 239

شکل 5- 37- مقدار TEQ در نمونه‌های مختلف رسوب 240

شکل 5- 38- الگوی ترکیب PAHها براساس اندازه حلقه ها در نمونه های رسوب 242

شکل 5- 39- تعیین منشأ نمونه‌های رسوب با استفاده از نسبت ایزومری An/An+Ph و IcdP/IcdP+BghiP. 245

شکل 5- 40- تعیین منشأ نمونه‌های رسوب با استفاده از نسبت ایزومری BaA/BaA+Ch و IcdP/IcdP+BghiP. 245

شکل 5- 41- نمودار Q-Q غلظت PAHها در رسوبات.. 249

شکل 5- 42- نمودار خوشه‌ای ایستگاه‌های نمونه برداری رسوب 255

کلیات و مروری بر مطالعات پیشین

 1-1- مقدمه

 توسعه سریع فعالیت‌های بشر از قبیل معدنکاری، صنعت و کشاورزی در چند دهه اخیر به طور پیوسته به افزایش آلودگی محیط‌زیست منجر شده است. در این میان، سامانه‌های آبی زمینی و به ویژه رودخانه‌ها در برابر آلودگی آسیب‌پذیرتر هستند. در این سامانه‌ها بسیاری از آلاینده‌ها جذب سطحی رسوبات می‌شوند، بنابراین می‌توان از رسوب برای پایش آلودگی در سامانه‌های آبگین استفاده کرد. ترکیب رسوبات علاوه بر شرایط طبیعی، نشان‌دهنده فعالیت‌های انسان در حوضه آبریز است. آلودگی فلزات سنگین و ترکیبات آروماتیک چند حلقه‌ای از جمله نگرانی‌های زیست‌محیطی هستند که می‌توانند از منابع مختلف انسان‌زاد و زمین‌زاد وارد سامانه‌های رودخا‌نه‌ای شوند. فلزات سنگین به دلیل پایداری محیطی، تمرکز و سمناکی زیست‌شناختی، جذب و واجذب، پتانسیل اکسایش-کاهش، ته‌نشست، انحلال‌پذیری، کیلیتی شدن و خطرات بوم‌شناختی توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای نیز به دلیل سمناکی پایدار، آسیب به ژن‌ها، سرطان‌زایی و اثر منفی بر تولیدمثل در مطالعات زیست‌محیطی اهمیت زیادی دارند. بررسی زمین‌شیمی رسوبات آبگین، اطلاعات مهمی در مورد عناصر(به ویژه فلزات بالقوه سمی حل شده، معلق و ته‌نشین شده) و اطلاعات مهمی در مورد تاریخچه و فعالیت‌های حاکم بر منطقه در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد. رسوبات آلوده شاخص‌های بسیار مهم آلودگی محیط‌های آبگین هستند، بنابراین برای پی بردن به شرایط سامانه آبگین بررسی زمین شیمیایی رسوب بسیار ضروری است.

 1-2- زمین شیمی زیست محیطی

بسیاری از مباحث زیست محیطی نیازمند آشنا بودن با اصول زمین شیمی، و تحرک آلاینده‌هاست. زمین شیمی زیست محیطی مفهومی گسترده است که می‌تواند شامل هر فرایند زمین‌شیمیایی در سطح یا نزدیک به سطح زمین باشد که با سامانه‌ها و فرایندهای بی شماری در ارتباط است. در واقع مطالعات زمین‌شیمی زیست محیطی بیشتر بر فرایندهای شیمیایی مؤثر بر انسان و محیط زیست آن متمرکز است. این مطلب می‌تواند شامل شیمی آلاینده‌ها(در آب، خاک و هوا)، فروکاهی منابع طبیعی از جمله تغییر شیمیایی و تغییر اقلیم باشد(ODay, 1999). این علم با شرایط زیست شناختی، شیمیایی و فیزیکی محیط مانند دما، حالت ماده، اسیدینگی، پتانسیل اکسایش-کاهش، هدایت الکتریکی و فعالیت باکتریایی در ارتباط است. تمام این عوامل بر تحرک، گسترش، توزیع، ته‌نشینی و غلظت فلزات و شبه فلزات بالقوه سمناک که به تندرستی اندامگان‌ها در یک بوم سامانه آسیب می رساند، اثر دارد. داده‌های زمین شیمیایی زیست‌محیطی، شرایط نابی را تعیین می‌کند که در آن تهدیدی برای ساکنین یک بوم سامانه وجود نداشته باشد، خواه این خطرات ناشی از نفوذ شیمیایی حاصل از هوازدگی سنگ‌ها و تخریب آن‌ها باشد و خواه از محیط زیستی باشد که در آن خطر آلودگی عناصر شیمیایی از فعالیت‌های انسانی ناشی می‌شود(Siegel, 2002). بنابراین ابتدا باید محیط‌هایی را که در معرض خطر آلودگی (طبیعی یا انسانزاد) هستند شناسایی و سپس این خطرها را توصیف و با استفاده از روشهای فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی آنها را کاهش داده، و یا از بین برد. به این منظور ابتدا باید رفتار زمین شیمیایی عناصر به خوبی شناخته شود (Wong et al, 2006). نقش زمین‌شیمیدان‌ها، بررسی غلظت بالای فلزات بالقوه سمناک در یک بوم‌سامانه، و پی بردن به منابع احتمالی فلزات است. زمین‌شیمیدان‌ها اصول تحرک‌پذیری شیمیایی در فازهای گازی، جامد و مایع را برای تعیین سرنوشت و مسیرهای ورودی فلزات به بوم‌سامانه‌ها به کار گرفته، و غلظت طبیعی هر نمونه‌ را تعیین می‌کنند تا سلامت اندامگان‌ها، و محیط‌های در ارتباط با آن‌ها را کنترل کنند. زمین‌شیمیدان‌ها به پاسخ فلزات آلاینده به شرایط فیزیکی، شیمیایی و زیست‌شناختی پی برده و مؤثرترین، اقتصادی‌ترین و اجتماعی‌ترین روش‌ها را برای حل مشکل آلایندگی فلزات سمی موجود به کار می‌برند. از این دانش برای برنامه‌ریزی پروژه‌های توسعه، همراه با جلوگیری از تخریب‌های آتی ناشی از ورود آلاینده‌های فلزی بالقوه سمی به محیط استفاده می‌شود(Siegel, 2002).

 1-3- محیط زمین­شیمیایی رسوب و ارزیابی زیست محیطی آن

 رسوب، لایه‌ای از مواد کانیایی و آلی است که توسط فرایندهای شیمیایی، فیزیکی و زیست‌شناختی و تحت تأثیر هوازدگی شیمیایی و فیزیکی از سنگ اولیه یا بستر جدا شده و توسط عواملی چون آب، باد و یخسار به صورت حل‌شده، کلوئیدی، معلق و غلتان انتقال می‌یابد. این لایه بر اثر تغییراتی چون تغییر در سرعت آب، چگالی ذرات، اندازه ذرات، واکنش‌های شیمیایی و زیست‌شناختی در بستر رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، باتلاق‌ها، خلیج‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها نهشته می‌شود(Berkowitz et al, 2008). علاوه بر این، تخلیه‌هایی که از فعالیت‌های شهری، صنعتی و معدنکاری صورت می‌گردد منابع بالقوه ذرات هستند. ویژگی‌های فیزیکی مانند اندازه و چگالی رسوب در فرایند رسوبگذاری و حمل‌ونقل آن مهم هستند. رسوبات، مخلوطی ناهمگن از ذرات هستند که اندازه آن‌ها از میلی‌متر تا میکرون تغییر می‌کند و از نظر اندازه به سه رده گراول، ماسه و گل(سیلت و رس) تقسیم می‌شوند. گراول ویژگی‌های سنگ بستر را نشان می‌دهد. سیلت‌ها علاوه بر ویژگی‌های سنگ بستر، ممکن است فلزات را بصورت جذب سطحی همراه داشته باشد. غنی شدگی شدید فلزات در رسوبات رس اندازه و ماده آلی، در رسوبات معلق، رسوبات نهشته شده، شیل‌ها، کانی‌های اکسید آهن و منگنز و فازهای سنگی معادل آن‌ها مشاهده شده است(Seigel, 2002). جزء رسی سیلت مساحت سطحی بالایی دارد و به دلیل شیمی سطح آن احتمال بیشتری برای جذب آلاینده‌های آلی و فلزات سنگین دارد(Tessier et al. 1984). جزء ماسه‌ای و سیلت درشت‌دانه اغلب شامل کوارتز و گاهی کربنات‌ها(پوسته صدف، مرجان و غیره) و سیلیکات‌های دیگر مانند فلدسپات‌ها و یا قطعات سنگی است. ذرات رسی اغلب سیلیکات‌های ثانویه هستند. دیگر کانی‌های ثانویه مانند اکسیدهای آلومینیم و آهن در جزء سیلت ریزدانه و رس فراوان است. بیشتر آلاینده‌های انسان‌زاد با جزء رسی و سیلتی همراه است. رسوب یک مخزن و منبع اصلی مواد غذایی برای موجودات زنده آبی است. ترکیب رسوب علاوه بر اینکه شرایط طبیعی منابع آن‌ها را نشان می‌دهد می‌تواند نشان‌دهنده فعالیت‌های انسان در حوضه رودخانه‌ها، مصب‌ها و سواحل نیز ‌باشد. بیشتر جوامع انسانی در اطراف رودخانه‌ها و یا دیگر منابع آبی تشکیل می‌شوند و از این رو رسوبات آبرفتی، دریاچه‌ای و دریایی نیازمند مدیریت هستند. تجمع فلزات سنگین در رسوبات سطحی محیط‌های آب، به وسیله فرایندهای زیست‌شناختی و زمین‌شناختی رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به کاهش رشد، یا کاهش تولیدمثل و تنوع گونه‌های حفار رسوب و در نهایت مرگ ماهی‌ها منجر شود(Olubunmi et al., 2010)؛ بنابراین بررسی زمین‌شیمیایی رسوبات رودخانه‌ای برای پی بردن به شرایط سامانه‌های آبی امری حیاتی است، چرا که اطلاعات مهمی در مورد عناصر، به ویژه فلزات بالقوه سمی حل شده، معلق، و نهشته شده و دیگر آلاینده‌ها مانند هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد. علاوه بر این، رسوبات، اطلاعاتی در مورد تاریخچه فرایندهای تأثیرگذار در منطقه به ویژه آلودگی‌های طبیعی و انسان‌زاد به دست می‌دهد.

 1-4- فلزات سنگین

 از جمله نگرانی‌های زیست‌محیطی که امروزه در کانون توجه سازمان‌های زیست‌محیطی و بهداشتی قرار گرفته است، آلودگی ناشی از فلزات سنگین است. فلزات سنگین زیرمجموعه‌ای از عناصر موجود در جدول تناوبی هستند که اغلب ویژگی‌های فلزی دارند. این دسته از عناصر شامل فلزات واسطه، شبه‌فلزات، لانتانیدها و اکتینیدها می‌شود. تعاریف مختلفی بر اساس چگالی، عدد اتمی، عدد جرمی، ویژگی‌های شیمیایی و سمناکی برای این دسته از عناصر ارائه شده است. نام فلزات سنگین اولین بار توسط IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry) برای این عناصر انتخاب شد اما از آنجا که این اصطلاح تعاریف مختلفی را شامل می‌شود، امروزه اصطلاح فلزات سمناک، کاربرد بیشتری دارد(Sarkar, 2002). برخی فلزات‌سنگین مانند آرسنیک، مولیبدن، سلنیم، مس، روی، کروم، آهن و منگنز جزء عناصر ریزمغذی ضروری هستند و کمبود یا مصرف بیش از حد آن‌ها موجب مسمومیت موجودات زنده می‌شود. گروه دیگری از فلزات سنگین برای سلامت انسان مضر بوده و هنگامی که از راه هوا، آب آشامیدنی، غذا، یا ترکیبات شیمیایی انسان‌زاد، آزاد می‌شود از راه تنفس، بلع و جذب پوستی، وارد بدن انسان می‌شوند. اگر سرعت ورود و تجمع این عناصر در بافت‌های بدن سریع‌تر از مسیر سم‌زدایی باشد، به تدریج سموم در بدن تجمع می‌یابد. قرارگرفتن در معرض غلظت‌های بالا، برای ایجاد سمناکی در بدن ضروری نیست، بلکه تجمع فلزات سنگین در بافت‌های بدن به تدریج رخ داده و در طول زمان می‌تواند به غلظت‌های سمی، و بسیار فراتر از گستره غلظت مجاز برسد(Suruchi et al, 2012). از نقطه نظر آلودگی زیست‌محیطی، فلزات را می‌توان به سه گروه تقسیم کرد(Wood, 1974):

- غیر سمناک(سدیم، منیزیم، آهن، پتاسیم، کلسیم، آلومینیم، استرانسیم، لیتیم، روبیدیم)

- سمناک ولی بسیار انحلال ناپذیر یا بسیار کمیاب(تیتانیم، هافنیم، زیرکنیم، تانتالیم، گالیم، لانتانیم، اسمیم، ایریدیم، روتنیم، باریم، رودیم)

- بسیار سمناک و نسبتاٌ دسترس‌پذیر(بریلیم، کبالت، نیکل، مس، روی، قلع، کروم، آرسنیک، سلنیم، نقره، کادمیم، جیوه، تالیم، سرب، آنتیموان، بیسموت)

نقش فلزات سنگین در محیط زیست از دیرباز مورد توجه بسیاری از پژوهشگران بوده است. فلزات سنگین پس از ورود به محیط به دلیل خاصیت تجمع‌پذیری، تجزیه‌نا‌پذیری و مقاومت در برابر تغییرات زیست‌شناختی، می­توانند طی حرکت در چرخه حیات به تدریج در بافت‌های مختلف بدن، به ویژه در موجودات رده‌های بالای زنجیره غذایی انباشته شوند و مشکلات زیادی را برای سلامت موجودات زنده به وجود آورند. این فلزات به صورت گونه‌های انحلال‌پذیر در آب یا به صورت بخشی جدایی نا‌پذیر از جامدات معلق انتقال یافته یا در اثر تبخیر وارد جو می‌شوند، و یا اینکه در رسوبات بستر انباشته شده و توسط اندامگان‌ها جذب می‌شود. از آنجا که بیشتر فلزات در محیط آب در مقادیر کم نیز سمی هستند حتی تغییرات به نسبت کوچک در غلظت آن‌ها، از اهمیت زیادی برخوردار است(Hornberger et al., 1999). بنابراین بررسی و پایش نحوه ورود این عناصر از منابع مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی به منابع پذیرنده آب، خاک و غذا توجه بسیاری از پژوهشگران محیط‌زیست و بهداشت را به خود جلب نموده است.

  1-4-1- منابع طبیعی فلزات سنگین

در سامانه‌های طبیعی، عناصر از سنگ‌ها، کانی‌ها، گازها و بخارات فعالیت‌های آتشفشانی، آتش‌سوزی جنگل‌ها و چشمه‌های آبگرم وارد محیط ‌‌شده، در خاک باقی می‌مانند و یا وارد آب‌های سطحی و سفره‌های آب زیرزمینی می‌شوند. با توجه به شرایط فیزیکی، شیمیایی و زیست‌شناختی محیط، و پتانسیل زیست‌دسترس‌پذیری، عناصر از طریق آب یا خاک به شبکه غذایی راه می‌یابند.

 1-4-2- منابع انسان‌زاد آلودگی فلزات سنگین

فعالیت‌های بشر از جمله تولیدات صنعتی، معدنی، کشاورزی، و حمل‌و‌نقل غلظت بالایی از فلزات سنگین را واردزیست‌کره می‌کند. فلزات سنگین ناشی از منابع انسان‌زاد در خاک، قابلیت جابجایی بیشتری نسبت به منابع طبیعی تشکیل خاک داشته و از لحاظ زیست‌شناختی زیست‌دسترس‌پذیرتر هستند(Sardar et al., 2013). منابع اولیه آلودگی فلزات سنگین، احتراق سوخت‌های فسیلی، ذوب فلز مانند ذوب کانسنگ‌ها، زباله‌های شهری و دفع پسماند، آفت‌کش‌ها، سموم و فاضلاب است(Nriagu, 1979, 1996; Pendias and Pendias, 1989; Rai, 2009). در مناطقی که باطله‌های معدنی حاوی سولفیدهای غنی از فلز هستند آلودگی فلزات سنگین و زهاب اسیدی معدن، از مهم‌ترین نگرانی‌ها به شمار می‌آیند(Concas et al., 2006; Rai, 2008).

پساب‌ها، فلزات سنگین را از طریق فرایندهای مختلف، که یکی از مهم‌ترین آن‌ها آبیاری می‌باشد به خاک و سامانه‌های آب وارد می‌کنند(Khan et al., 2008). بخش بزرگی از فلزات سنگین حتی پس از تصفیه پساب‌ها در تصفیه‌خانه نیز جدا نشده و بنابراین باعث آلودگی خاک و در پی آن زنجیره‌غذایی می‌شوند(Fytianos et al., 2001). آلودگی فلزات سنگین در هوا از راه فعالیت‌های انسانی افزایش می‌یابد. ذوب و سوزاندن زغال‌سنگ، نفت و مواد زائد، فلزات سنگین را وارد جو می‌کند(Chen et al., 1989).

عواملی مانند رشد صنعتی و ترافیک باعث گسیل کنترل نشده آلودگی و فلزات سنگین در محیط می‌شود، این امر به ویژه در شهرهای با اندازه متوسط و در کشورهای در حال توسعه اهمیت بیشتری دارد. آلودگی فلزات سنگین ممکن است به دلیل عواملی مانند آبیاری با آب آلوده، افزودن کودها و آفت‌کش‌های فلز-پایه، گسیل‌های صنعتی، حمل‌ونقل، فرایند برداشت، ذخیره‌سازی یا فروش محصول، در محصولات زراعی رخ دهد(Radwan and Salama, 2006; Tuzen and Soylak, 2007; Duran et al., 2007).

 1-4-3- توزیع فلزات سنگین در محیط رسوب

 توانایی آب‌ در حفظ حیات موجودات آبزی و نیز مناسب بودن آن‌ برای استفاده‌های دیگر به غلظت عناصر جزئی آن وابسته است. برخی از فلزات مانند منگنز، روی، و مس در غلظت های کم برای عملکرد فیزیولوژیکی بافت‌های زنده و نیز انجام بسیاری از فرایندهای زیست‌شیمیایی ضرورت دارند. افزایش غلظت این فلزات در آبهای طبیعی در اثر تخلیه فاضلاب، پساب‌های صنعتی و یا فعالیت‌های معدنکاری و کشاورزی اثرات سم‌شناختی شدیدی بر انسان و بوم‌سامانه‌های آبی دارد. رفتار فلزات در سامانه‌های آبگینبه ترکیب رسوب بستر، ترکیب رسوبات معلق و شیمی آب بستگی دارد. طی فرایند جذب سطحی، آبکافت و ته‌نشست، تنها بخش کوچکی از یون‌های فلزی آزاد بصورت حل‌شده در آب باقی می‌مانند. اندازه‌گیری آلاینده‌ها در آب با توجه به نوسانات بار آلودگی تخلیه شده در رودخانه و زمان ماند کم آن‌ها، قطعی نیست(Varol, 2011)؛ اما مطالعه رسوبات رودخانه، به دلیل زمان ماند طولانی فلزات سنگین امکان‌پذیر بوده و اهمیت زیادی دارد(Gaur et al., 2005).

ترکیب هر رسوب می‌تواند شرایط طبیعی(زمین شناختی) و فعالیت‌های انسان‌زاد را نشان دهد. غلظت عناصر در رسوب نه تنها به منابع انسان‌زاد و سنگ‌شناختی بستگی دارد بلکه وابسته به خصوصیات بافتی، محتوای مواد آلی، ترکیب کانیایی و محیط رسوب‌گذاری در رسوبات است(Chakravarty et al., 2009).اندازه ذرات رسوب بر مساحت سطحی آن، سرعت ته‌نشینی و نرخ رسوب‌گذاری مواد معلق در ستون آب و همچنین درجه تفکیک مواد شیمیایی تأثیر می‌گذارد. به طور کلی فلزات سنگین، با بخش دانه‌ریز رسوب همراه هستند که در مناطق کم تلاطم رودخانه ته‌نشین می‌شود(Lin et al., 2003). اکسی هیدروکسیدهای آهن و مواد آلی طبیعی و سایر کلوئیدها، نقش مهمی در جذب سطحی فلزات سنگین کمیاب توسط رسوبات دارد (Tsai et al., 2003). در ادامه به توضیح برخی فلزات سنگین موجود در رسوب پرداخته می‌شود.

 1-4-3-1- آرسنیک

 آرسنیک به صورت ترکیبات آلی و غیر آلی در حالت‌های سه ظرفیتی و پنج ظرفیتی، در محیط‌زیست وجود دارد(Fowler et al., 2011). این عنصر با غلظت‌های 5/2-5/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم در پوسته زمین و بیش از 13 میلی‌گرم بر کیلوگرم در رسوبات رسی یافت می‌شود(Kabata-Pendias, 2007). آرسنیک به صورت گونه‌های خنثی و دارای بار منفی در محیط زیست یافت می‌شود. در شرایط اکسنده، این عنصر در حالت 5+و در شرایط کاهنده گونه غالب آن به حالت 3+ وجود دارد. از آنجا که As در محلول به شکل گونه‌های با بار منفی حضور دارد، با کاهش pH جذب سطحی آن‌ها افزایش می‌یابد(سطح دارای بار منفی کمتر یا دارای بار مثبت می‌شود). گونه‌های آرسنات(5+)در سطح آهن هیدروکسید، کمپلکس‌های درون کره تشکیل می‌دهند و در pH نزدیک به خنثی، به شدت جذب سطح رسوب می‌شوند، درحالی‌که گونه‌های آرسنیت(3+)تنها به شکل ضعیف در تمام pHها جذب سطحی می‌شوند. در محیط بسیار اکسیدکننده که برای تشکیل گونه‌های آرسنات مطلوب است، جذب سطحی این عنصر توسط اکسی هیدروکسیدها صورت گرفته و از محلول آبگین خارج می‌شود. اگر شرایط محیط کاهنده شود، آرسنات پیوند یافته تبدیل به آرسنیت خواهد شد و می‌تواند از ذرات آزاد و وارد فاز محلول ‌شود(Eby, 2004). جدول 1-1 فراوانی آرسنیک را در محیط‌های سنگ، خاک و آب نشان می‌دهد.

جدول 1- 1- فراوانی آرسنیک در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر (mg Kg-1)
پوسته زمین	5/2-5/0
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	5/2-5/0 5/2-1
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	2/1-5/0 5/2-1
خاک­ها	5/3
کمی ماسه­ای	30-1/0>
رسی متوسط و سیلتی	27-3/1
بسیار رسی	23-2
آهکی	-
آلی	67-1/0>
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 4/0-3/0 7/3-2/1 4/9-11/0

 1-4-3-2- کروم

 فراوانی کروم در محیط‌های مختلف در جدول 1-2 آورده شده است. الگوی توزیع کروم در سنگ‌ها نشان‌دهنده تمرکز این عنصر در سنگ‌های آذرین مافیک و رسوبات رسی است. تمام کانی‌های کروم‌ در مقابل هوازدگی شیمیایی مقاوم هستند. گونه‌زایی کروم در بسیاری از شرایط محیطی، وابسته به Eh-pH است. زمین‌شیمی کروم پیچیده است زیرا به راحتی از یک حالت اُکسایش به حالت دیگر تبدیل می‌شود. ارتباط رفتار زمین‌شیمیایی کروم با آهن و منگنز موجب افزایش غلظت آن در گرهک‌های منگنز رسوبات بستر دریا و خاک‌های آهن‌دار شده است. به‌طور طبیعی ترکیبات کروم، دارای ظرفیت‌های 3+(کرومیک) و 6+(کرومات) هستند. کروم در حضور مواد آلی اغلب به شکل کمپلکس‌های انحلال‌پذیر سه ظرفیتی حضور دارد و به شکل هیدروکسیدهای نامحلول ته‌نشین می‌شود؛ بنابراین با اضافه کردن مواد آلی می‌توان برای پاکسازی مکان‌های آلوده به کروم استفاده کرد. محیط‌های آلاینده مانند صنایع آبکاری، دباغی چرم و نساجی مقدار زیادی کروم وارد آب‌های سطحی می‌کنند(Kabata-Pendias et al., 2007).

 جدول 1- 2- فراوانی کروم در محیط‌های سنگ، خاک وآب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	185-126
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	3400- 170 50-10
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	40-20 16-5
خاک­ها کمی ماسه­ای رسی متوسط و سیلتی بسیار رسی آهکی آلی	54 350-2 300-10 1100-30 150-5 100-1
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 5/0-2/0 3/0 1/2-3/0

1-4-3-3- منگنز

منگنز از فراوان‌ترین عناصر کمیاب در سنگ‌کره است. منگنز عضوی از خانواده آهن بوده و به شدت با این عنصر در ارتباط است؛ بنابراین چرخه زمین‌شیمیایی منگنز، از چرخه آهن پیروی می‌کند. طی هوازدگی، منگنز موجود در کانی‌ها، اکسیدشده و می‌تواند متحرک شود. اکسیدهای منگنز باز نهشته می‌شوند و به شکل کانی‌های ثانویه منگنز و اغلب به شکل گرهک تمرکز می‌یابند. رفتار زمین‌شیمیایی پیچیده منگنز طی فرایند رسوب‌گذاری باعث تجمع این فلز در لایه‌های مختلف رسوبات شده است. غلظت منگنز در مواد معلق و رسوبات بستر معمولاً بیش از غلظت آن در آب است(Kabata-pendias et al., 2007). جدول 1-3 فراوانی منگنزدر محیط‌های سنگ، خاک و آب را نشان می‌دهد.

جدول 1- 3- فراوانی منگنز در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	1400-716
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	2000-850 1200-350
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	500-100 1000-200
خاک­ها
کمی ماسه­ای	2000-7
رسی متوسط و سیلتی	9200-50
بسیار رسی	3900-100
آهکی	7750-50
آلی	2200-10
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) - 4/0-2/0 130-02/0

1-4-3-4- آهن

آهن مهم‌ترین فلز و یکی از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده سنگ‌کُره است. غلظت میانگین آهن در پوسته زمین حدود 5 درصد است. فراوانی جهانی آهن حدود 5/4 درصد محاسبه شده و عنصری کمیاب در سنگ‌ و خاک‌ در نظر گرفته نمی‌شود(جدول 1-4). به هر حال آهن نقش خاصی در رفتار چند عنصر کمیاب داشته و جایگاه میانه‌ا‌ی بین ریزمغذی‌ها و درشت مغذی‌ها در گیاهان، حیوانات و انسان‌ دارد(Kabata-Pendias et al., 2007).

سرنوشت آهن طی فرایند هوازدگی تا حدود زیادی به سامانه Eh-pH و درجه اُکسایش ترکیبات آهن بستگی دارد. قاعده کلی کنترل‌کننده رفتار آهن به این شکل است که در شرایط اکسیدی و قلیایی نهشته می‌شود درحالی‌که شرایط کاهشی و اسیدی به متحرک شدن ترکیبات آهن‌دار منجر می‌شود. اکسیدهای آهن کلوئیدی نقش مهمی در جذب و ته‌نشینی سایر عناصر و یون‌ها دارند(Kabata-Pendias et al., 2007).

 جدول 1 -4- فراوانی آهن در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(%)
پوسته زمین	5
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	7/8- 7/3 7/2- 4/1
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	3-10 1-4/0
خاک­ها	5/3
کمی ماسه­ای	1-1/0
رسی متوسط و سیلتی	8/2- 8/0
بسیار رسی	3- 5/1
آهکی	5/0
آلی	9/4- 03/0
آب باران دریا رودخانه	40-11 2 66

 1-4-3-5- کبالت

 در پوسته زمین در سنگ‌های مافیک تمرکز یافته است(جدول 1-5). فراوانی کبالت در پوسته زمین mg/kg12 است. همچنین کبالت به احتمال زیاد در شیل‌های سیاه تمرکز می‌یابد. با توجه به خاصیت آهن‌دوستاین عنصر، احتمالاً با گوگرد، آرسنیک و سلنیم کانی تشکیل می‌دهد. چرخه زمین‌شیمیایی کبالت شباهت زیادی به چرخه آهن و منگنز دارد و با چند کانی این فلزات همراه است. تحرک پذیری کبالت در محیط‌های قاره‌ای بسیار اندک است. طی فرایند هوازدگی Co³⁺ناپایدار بوده و بصورت سولفید رسوب‌کرده یا توسط اکسی هیدروکسیدها جذب سطحی می‌شود. ظرفیت جذب کبالت به وسیلۀ اکسیدهای منگنز با منشأ زیستی یا غیر زیستی بسیار بالا است(Kabata-Pendias et al., 2007).

 جدول 1-5- فراوانی کبالت در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین سنگ­های آذرین مافیک اسیدی سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	12-10 200-35 15-1 10-3/0 3-1/0
خاک­ها	8
کمی ماسه­ای	5/5
رسی متوسط و سیلتی	7
بسیار رسی	12
آهکی	7
آلی	5/4
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 025/0 002/0 15/0

1-4-3-6- نیکل

میانگین غلظت نیکل در پوسته زمین حدود 20 میلی‌گرم بر کیلوگرم تخمین زده شده است و غلظت آن با افزایش اسیدینگی سنگ‌ها کاهش می‌یابد(جدول 1-6). نیکل در محیط‌های قاره‌ای، تحرک کمی دارد و بنابراین گونه‌های انحلال‌پذیر نیکل در محیط های آبی برای مدت طولانی به صورت حل‌شده باقی نمی‌مانند و به راحتی توسط مواد معلق و اکسی هیدروکسیدهای آهن و منگنز جذب سطحی می‌شوند و بر سطح رسوبات، نهشته می‌شوند. مواد آلی نیز قابلیت بالایی برای جذب نیکل دارند(Kabata-Pendias et al., 2007).

جدول 1- 6-فراوانی نیکل در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	20
سنگ­های آذرین الترامافیک مافیک اسیدی	2000-1400 160-130 20-5
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	20-5 20-5
خاک­ها	22-19
کمی ماسه­ای	33-7
رسی متوسط و سیلتی	25-11
بسیار رسی	50-23
آهکی	92-18
آلی	12-4
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 7/0-3/0 7/0 8/0

1-4-3-7- مس

غلظت مس در پوسته زمین 75-25 میکروگرم بر کیلوگرم است و الگوی فراوانی آن در سنگ‌ها نشان‌ می‌دهد که این عنصر در سنگ‌های آذرین مافیک و رسوبات رسی تجمع می‌یابد(جدول 1-7). گونه‌پذیری و اشکال شیمیایی مس در آب برای کنترل فرایندهای زیست‌زمین‌شیمیایی و زیست‌دسترس‌پذیری آن مهم است. انحلال‌پذیری نمک‌های مس در آب شیرین تحت شرایط کاهشی کاهش می‌یابد. غلظت مس در آب در تعادل دینامیک با غلظت این عنصر در رسوبات بستر است(Kabata-Pendias et al., 2007).

جدول 1- 7- فراوانی مس در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	27-25
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	50 120-10 30-5
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	30-5 10-2
خاک­ها
کمی ماسه­ای	70-1
رسی متوسط و سیلتی	100-4
بسیار رسی	140-7
آهکی	70-7
آلی	115-1
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 3/0-02/0 8- 1> 53/3-27/0

1-4-3-8- روی

روی در سنگ‌های ماگمایی به طور یکنواخت، پراکنده است درحالی‌ که در محیط‌های رسوبی و رسوبات رسی تمرکز می‌یابد(جدول 1-8).طی فرایند هوازدگی این عنصر بسیار متحرک بوده و به سرعت در واکنش با کربنات‌ها ته‌نشین می‌شود و یا توسط کانی‌ها و ترکیبات آلی به خصوص در حضور یون‌های گوگرد جذب می‌شود. روی در رودخانه‌ها به هیدروکسیدها، کانی‌های رسی و دیگر اجزاء رسوب متصل می‌شود. گونه‌پذیری یون روی با تغییر pH تغییر می‌کند به طوری که گونه غالب عنصر روی در pH 7، یون آزاد روی(98 درصد) و ZnSO₄ است و در pH 9 گونه‌های اصلی این عنصر یون ZnCO₃ و یون آزاد روی می‌باشند. منابع اصلی ورود روی به آب‌ها شامل زهاب اسیدی معدن، فاضلاب‌های صنعتی و شهری و رواناب شهری است اما بزرگ‌ترین حجم ورودی روی به منابع آبی از راه هوازدگی ذرات خاک حاوی این عنصرصورت می‌گیرد(Kabata-Pendias et al., 2007)

جدول 1- 8- فراوانی روی در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	80-52
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	120-40 100-40
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	30-15 25-10
خاک­ها	63
کمی ماسه­ای	61-31
رسی متوسط و سیلتی	61-47
بسیار رسی	75-35
آهکی	100-50
آلی	100-57
آب	(µg l-1)
باران دریا رودخانه	6/6-2/1 9/4-04/0 3/10-3/3

1-4-3-9- کادمیم

غلظت میانگین کادمیم در پوسته زمین 2/0-1/. میکروگرم بر کیلوگرم0 و فراوانی آن در سنگ‌های آذرین و رسوبی نسبتاً مشابه است(جدول 1-9). این عنصر به ندرت به صورت خالص در طبیعت یافت می‌شود. کادمیم و روی شعاع یونی و الکترونگاتیویته مشابهی داشته و به گروه عناصر گوگرددوست تعلق دارند. با این حال، تمایل کادمیم به گوگرد نسبت به روی قوی‌تر است و در نتیجه تحرک آن در محیط اسیدی بیشتر از روی است. در فرایند هوازدگی کادمیم شکل‌های ساده‌ای مانند CdO، Cd(OH)₂، CdCl₂ و CdF₂تشکیل می‌دهد که به راحتی متحرک هستند. کادمیم در فرایندهای رسوبگذاری از عنصر روی پیروی می‌کند. میانگین غلظت کادمیم در آب‌ رودخانه‌ها 08/0 میکروگرم بر لیتر است. کادمیم از منابع متفاوتی وارد سامانه رودخانه‌ای می‌شود که مهم‌ترین آن کوره ذوب فلزات غیرآهنی است. سمناکی کادمیم در آب با افزایش سختی آب کم می‌شود(Kabata-Pendias et al., 2007).

جدول 1- 9- فراوانی کادمیم در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	2/0- 1/0
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	22/0- 03/0 2/0- 05/0
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	05/0- 04/0˂ 1/0- 04/0
خاک­ها	5/0
کمی ماسه­ای	2/0- 01/0
رسی متوسط و سیلتی	3/0- 08/0
بسیار رسی	5/0-2/0
آهکی	8/0-4/0
آلی	5/2-2/0
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 05/0-01/0> 11/0-07/0 05/0-03/0

1-4-3-10- جیوه

جیوه عنصری است که نقش مهمی در تمدن انسانی داشته است و از دیرباز یک آلاینده زیست‌محیطی به شمار می‌آید. جیوه در پوسته زمین فراوانی کمی دارد و غلظت آن حدود 06/0-02/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم است، اما در رسوبات رسی و زغال‌سنگ تمرکز بیشتری دارد. جیوه در حالت‌های مختلفی از جمله جیوه فلزی مایع، بخار جیوه فلزی، Hg⁺غیر آلی (نمک‌های جیوه)، Hg²⁺غیر آلی (نمک‌های جیوه) و متیل جیوه وجود دارد. این عنصر گوگرد دوست با چند فلز ازجمله نقره، روی و کادمیم میل ترکیبی دارد. جیوه در آب به چندین شکل Hg⁰، Hg⁺، Hg²⁺، HgCl₂⁰، HgS₂^- و گونه‌های متیلی شده یافت می‌شود. متیلی شدن جیوه و زیست انباشت آن در بوم‌سامانه آبی به بار جیوه، فعالیت میکروبی، محتوای مواد مغذی، pH و پتانسیل اکسایش-کاهش، بار رسوب، دما و دیگر عوامل بستگی دارد. جیوه در آب ممکن است فرّار شده یا در رسوبات نهشته شود و ممکن است توسط زیوای آب جذب شود(Kabata-Pendias et al., 2007).

جیوه توسط باکتری‌ها سوخت و ساز می‌شود، توسط گیاهان جذب شده و در شبکه غذایی باقی می‌ماند و در هر زیست‌توده‌ای قابل تشخیص است. این عنصر به عنوان یک جزء کمیاب در لجن فاضلاب و سوخت‌های فسیلی شامل گاز طبیعی، گاز فشرده، نفت خام، زغال‌سنگ و بیتومین‌ وجود دارد(Littlepage, 2013).

غلظت جیوه در نفت خام و گاز طبیعی به شدت به موقعیت زمین‌شناختی بستگی دارد و از 01/ میکروگرم بر کیلوگرم تا 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم متغیر است (Wilhelm et al., 2000). این نوع جیوه معمولاً با مرز صفحات تکتونیکی در ارتباط است. ذخایر عظیم آن در مناطقی تشکیل می‌شود که فرورانش صفحات همراه با فعالیت آتشفشانی و چشمه‌های آب‌گرم رخ داده است. بیشترین غلظت جیوه در نفت خام و گازهای طبیعی بیشتر مربوط به این نواحی است. فرایند پالایش نفت باعث تمرکزترکیبات جیوه شده و گسیل آن‌ را به هوا، محصولات نفتی، پساب و پسماند جامد در پی دارد(Littlepage, 2013). جدول 1-10 فراوانی جیوه را درمحیط‌های سنگ، خاک و آب نشان می‌دهد.

جدول 1- 10- فراوانی جیوه در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	09/0- 02/0
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	01/0- 004/0 08/0- 03/0
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	05/0- 01/0 05/0- 02/0
خاک­ها	07/0
کمی ماسه­ای	7/0- 08/0
رسی متوسط و سیلتی	2/1- 01/0
بسیار رسی	5/1- 02/0
آهکی	5/0- 01/0
آلی	12/1- 04/0
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 02/0> 05/0-03/0 01/0-005/0

1-4-3-11-سرب

فراوانی سرب در محیط‌های سنگ، خاک و آب در جدول 1-11 آورده شده است. سرب به عنوان یک آلاینده مقاوم با اثرات منفی بر سلامت انسان‌، حیوانات و بوم سامانه از شناخته‌شده‌ترین آلاینده‌ها به شمار می‌آید.

جدول 1- 11- فراوانی سرب در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	15
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	8-1/0 25-10
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	10-5 10-3
خاک­ها	28-15
کمی ماسه­ای	40-5
رسی متوسط و سیلتی	50-10
بسیار رسی	90-10
آهکی	63-17
آلی	80-2
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) - 27/0-03/0> 8/3-04/0

این عنصر در محیط‌زیست عمدتاً به صورت Pb²⁺وجود دارد. غلظت سرب در آب به شدت به Eh، pH و محتوای نمک‌های محلول بستگی دارد. عوامل دیگری از جمله منابع آلاینده، محتوای سرب رسوبات، دما و انواع مواد آلاینده نیز نقش مهمی در غلظت سرب موجود در آب دارند. گونه‌های رایج سرب در آب عبارت‌اند از PbOH⁺، Pb^2+،PbHCO₅⁺و PbSO₄⁰.سرب در بیشتر محیط‌های آبی یکی از نامتحرک‌ترین عناصر به حساب می‌آید و انتظار می‌رود بخش عمده آن وارد رسوبات شود، از این رو غلظت سرب موجود در رسوبات بهترین نشانگر حضور سرب در محیط آب است(Kabata- pendias et al., 2007).

1-4-3-12- سلنیم

میانگین غلظت سلنیم در پوسته زمین حدود 05/0- 5/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم است. در سنگ‌های مافیک اندکی بیشتر تمرکز می‌یابد اما به ندرت از 1/0میلی‌گرم بر کیلوگرم تجاوز می‌کند(جدول 1-12). سلنیم در سنگ‌های رسوبی بیشتر با جزء رسی همراه است؛ بنابراین غلظت آن در سنگ‌های رسی بیش از ماسه‌سنگ و سنگ آهک است. گونه‌های رایج سلنیم، سلنیت(Se⁴⁺) و سلنات(Se⁶⁺) است که ترکیبات پایداری را در محیط‌های زمین‌شیمیایی تشکیل نمی‌دهند و ترجیحاً توسط کانی‌ها، مخصوصاً کانی‌های رسی، اکسید و هیدروکسیدهای آهن و منگنز جذب سطحی می‌شوند(Kabata-pendias et al., 2007). از آنجا که Se حل شده به شکل گونه‌های با بار منفی حضور دارد، با کاهش pH جذب سطحی آن‌ها نیز افزایش می‌یابد. در pH نزدیک به خنثی گونه‌های سلنیت به شدت جذب سطح می‌شوند درحالی‌که گونه‌های سلنات به طور ضعیف جذب سطح می‌شوند. سلنیم در شرایط اکسیدکننده معمولاً به صورت حل شده باقی می‌ماند و در شرایط کاهنده به ویژه در حضور گوگرد رسوب می‌کند(Eby, 2004).

جدول 1- 12- فراوانی سلنیم در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007)

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	50/0-05/0
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	12/0-01/0 05/0-01/0
سنگ­های رسوبی ماسه سنگ سنگ آهک	08/0-01/0 10/0-03/0
خاک­ها	33/0
کمی ماسه­ای	25/0
رسی متوسط و سیلتی	35/0
بسیار رسی	4/0
آهکی	22/0-2/0
آلی	00/1-30/
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 75/1-03/0 2/0 22-06/0

1-4-3-13- وانادیم

الگوی فراوانی وانادیم در سنگ­ها نشان می­دهد که این عنصر در سنگ­های آذرین مافیک و سنگ‌های رسی تجمع می‌یابد. حالت اکسایش وانادیم متغیر است اما در شرایط اکسنده عمدتاً به صورت V⁵⁺حضور دارد. در حالت اکسید شده، V⁵⁺ رابطه هم‌ریختی با دیگر کاتیون‌ها مانند As⁵⁺ و Mo⁵⁺ را نشان می‌دهد، درحالی که V²⁺رفتاری شبیه به Fe²⁺دارد. یون‌های وانادیم در محیط آبگین متغیر بوده و به شدت به عواملی چون واکنش‌دهنده‌ها و شرایط واکنش بستگی دارند. در آبهای اکسیدی، وانادیم بیشتر به صورت VO₂، V₂O₅، VO²⁺و H₂VO₄ یافت می‌شود. به هر حال تمام گونه‌های وانادیم به راحتی در رسوبات بستر تثبیت می‌شوند بنابراین غلظت آن در رسوبات می‌تواند نشانگر آلودگی سامانه‌های آبگین باشد. جدول 1-13 فراوانی وانادیم در محیط‌های سنگ، خاک و آب را نشان می‌دهد.

جدول 1- 13- فراوانی وانادیم در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	60- 53
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	250-40 90- 40
سنگ­های رسوبی سنگ رسی ماسه سنگ سنگ آهک	130-80 60-10 45-10
خاک­ها کمی ماسه­ای رسی متوسط و سیلتی بسیار رسی آهکی آلی	60 260-10 110-27 330-20 500-10 22-10
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 94/.-28/0 5/2 8/5-02/0

1-4-3-14- مولیبدن

میانگین غلظت مولیبدن در پوسته بالایی 1/1 میلی‌گرم بر کیلوگرم(محدوده 1-2 میلی‌گرم بر کیلوگرم) است و غلظت آن در سنگ‌های گرانیتی و رسوبات رسی تا 5/2 میلی‌گرم بر کیلوگرم بالا می‌رود. مولیبدن رفتار زمین‌شیمیایی متفاوت و پیچیده‌ای دارد به طوری که در بیشتر محیط‌های زیست‌محیطی اکسید تشکیل می‌دهد در حالی‌که در شرایط کاهشی گرایش زیادی به گوگرد دارد(Kabata pendis, 2007). گرهک‌های غنی از آهن و منگنز می‌توانند مولیبدن را تا 2000 میلی‌گرم بر کیلوگرم متمرکز کنند(Fairbridge 1972). این گونه غلظت‌ها در شرایط کاهشی و غنی از گوگرد یافت می‌شود(Erickson and Helz 2000; Arnold et al. 2004).غلظت مولیبدن در گرهک‌های منگنز خاک تا غلظت 410 میلی‌گرم بر کیلوگرم نیز گزارش شده است(Kabata-Pendias and Sadurski 2004). جدول 1-14 غلظت مولیبدن را در 3 محیط سنگ، خاک و آب نشان می‌دهد.

جدول 1- 14- فراوانی مولیبدن در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی		فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین		1/1
	سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	5/1-2/0 2-1
سنگ­های رسوبی سنگ رسی ماسه سنگ سنگ آهک		5/2-2 8/0-2/0 4/0-2/0
خاک­ها کمی ماسه­ای رسی متوسط و سیلتی بسیار رسی آهکی آلی		8/1 7/3-1/0 4/6-4/0 2/7-7/0 4/7-3/0 2/3-3/0
آب باران دریا رودخانه		(µg l-1) 6/2-01/0 01/0 3/1-04/0

1-4-3-15- آلومینیم

آلومینیم سومین عنصر فراوان پوسته زمین است که غلظت آن تقریباً به 8 درصد می‌رسد. این عنصر ویژگی‌های سنگ‌دوست دارد، یک حالت اکسایشی آن 3+ بوده و تحرک کمی دارد. اگرچه انحلال آن در محیط‌های اسیدی افزایش یافته و برای جانوران محیط خشکی و آبی سمناک می‌شود. ترکیبات آلومینیم طبیعی عموماً به شکل‌های انحلال‌ناپذیر هستند. این عنصر جزء اصلی یا دومین جزء بسیاری از کانی‌ها، بویژه سیلیکات‌ها است. آلومینیم رابطه بسیار قوی با گروه‌های الکترونگاتیو(یعنی OH^-) و برخی از یون‌ها(مانند فلوریدF^-) دارد. تفکیک آن بین فاز جامد و مایع نتیجه واکنش مولکول‌های آب و آنیون‌های غنی از الکترون به عنوان مثال کلراید، سولفات، نیترات، و گروه‌های عاملی با بار منفی مانند مواد آلی و رسی است(WHO 1997).

جدول 1- 15- فراوانی آلومینیم در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(%)
پوسته زمین	2/8
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	8/8-3/7 3/8-6
سنگ­های رسوبی سنگ رسی ماسه سنگ سنگ آهک	10-7 3/4-5/2 3/1-4/0
خاک­ها کمی ماسه­ای رسی متوسط و سیلتی بسیار رسی آهکی آلی	- 4-1 - - -
آب
باران دریا رودخانه	- 2-03/0 32

1-4-3-16- آنتیموان

آنتیموان خاصیت گوگرد دوست داشته، به سرعت با سولفیدها ترکیب می‌شود و عمدتاً در حالت 3+ و 5+ وجود دارد. غلظت آن در سنگ‌های آذرین در محدوده 1/0 تا 9/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم است که در رسوبات افزایش یافته و در سنگ‌های رسی به 2 میلی‌گرم بر کیلوگرم نیز‌ می‌رسد. در سال‌های اخیر EPA و EU آنتیموان و ترکیبات آن را به عنوان آلاینده مهمی تشخیص داده‌اند. از سوزاندن زغال‌سنگ آنتیموان آزاد و به شکل ذرات ریز در جو رها شده و نهشته می‌شود و به دلیل خاصیت انحلال‌پذیری و واکنش بالای آن آلاینده مهمی محسوب می‌شود(Kabata Pendias, 2007).

جدول 1- 16- فراوانی آنتیموان در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
پوسته زمین	9/0-1/0
سنگ­های آذرین مافیک اسیدی	1-1/0 2-2/0
سنگ­های رسوبی سنگ رسی ماسه سنگ سنگ آهک	4-8/0 05/0 3/0-15/0

ادامه جدول 1- 16- فراوانی آنتیموان در محیط سنگ، خاک و آب(Kabata- Pendias and Mukherjee, 2007).

محفظه زیست محیطی	فراوانی عنصر(mg Kg-1)
خاک­ها کمی ماسه­ای رسی متوسط و سیلتی بسیار رسی آهکی آلی	33/1-05/0 2-05/0 6/0-3/0 - 6/0-08/0
آب باران دریا رودخانه	(µg l-1) 05/0-02/0 24/0 1/0-005/0

1-4-4- عوامل مؤثر بر تحرک مجدد فلزات سنگین در رسوبات

رسوبات نقش مهمی در کنترل غلظت فلزات در بسیاری از محیط‌های آبی دارند و بنابراین مطالعه رفتار فلزات از جمله نهشت و تحرک مجدد آن‌ها در محیط رسوب اهمیت زیادی دارد(Bellucci et al., 2003; Bertolotto et al.,2003).با توجه به ظرفیت رسوبات در جذب سطحی و غیرمتحرک کردن مواد شیمیایی سمناک، غلظت فلزات در این محیط ممکن است اثرات مستقیم آلودگی را نشان ندهد. این عملکرد مثبت رسوبات، ذخیره دائمی آن‌ها را تضمین نمی‌کند. عوامل اثرگذار بر ظرفیت ذخیره رسوبات یا زیست‌دسترس‌پذیری فلزات ذخیره شده، ممکن است تغییر کرده و به طور غیرمستقیم، باعث تحرک ناگهانی فلزات در محیط‌زیست شود(Stigliani 1988). عوامل مختلفی بر تحرک، گسترش، توزیع، ته‌نشینی و غلظت فلزات سنگین تأثیر می‌گذارند که مهم‌ترین آنها شامل pH، شرایط اکسایش-کاهش و غلظت ترکیبات آلی کی‌لیت‌کننده عناصر است. در شرایط به شدت اسیدی بیشتر‌ فلزات سنگین می‌توانند متحرک شوند، درحالی که برخی دیگر از فلزات غیرمتحرک شده و جذب اکسی هیدروکسیدهای آهن و منگنز، یا جلبک‌ها و سایر ذرات می‌شوند و در پاره‌ای از موارد، فلزات بالقوه سمی وارد رودخانه و نهرها شده و یک بوم سامانه را برای دوره زمانی طولانی غیرقابل سکونت می‌کنند(Siegel, 2002). در محیط‌های به شدت کاهنده و در حضور گوگرد، عناصر گوگرد دوست سولفیدهای انحلال ناپذیر تشکیل می‌دهد و تا زمانی که محیط کاهنده است، بصورت نامتحرک در رسوب باقی می‌ماند(Eby, 2004). علاوه بر این افزایش غلظت نمک بر تحرک مجدد فلزات از رسوب اثر دارد چرا که این عامل می‌تواند مکان‌های جذب سطحی در رسوبات را اشغال کرده و یا موجب تشکیل کمپلکس‌های کلری انحلال‌پذیر شود(Topcuoglu et al., 2002).

1-4-5- ورود، متابولیسم و حذف فلزات سمناک از بدن

پژوهش‌های زیادی پیرامون چگونگی پی بردن به نیاز بدن به عناصر مختلف و به ویژه عناصر جزئی صورت گرفته است. بر اساس تعریف کارشناسان سازمان بهداشت جهانی، سازمان خواربار و کشاورزی و آژانس بین المللی اتمی، عنصری ضروری است که کمتر از مقدار معین آن بر عملکرد تنکارشناختی بدن تأثیر می‌گذارد و یا بخش جدایی ناپذیر از یک ساختار آلی است که دارای عملکرد حیاتی در موجود زنده می باشد(Selinus, 2005). برخی عناصر به ویژه گروهی از فلزات عملکرد زیست شناختی شناخته شده‌ای در بدن ندارند و به عنوان مواد شیمیایی سمناک در نظر گرفته می‌شوند. اثرات تندرستی در معرض قرارگیری با عناصر سمناک به رابطه دوز-پاسخ، مسیرهای در معرض قرارگیری، انحلال‌پذیری و توزیع مواد سمناک بستگی دارد.

مفهوم عبارت دوز- پاسخ نشان می‌دهد که هر چه جذب ماده سمناک از جمله فلزات سنگین بیشتر باشد، پاسخ سم شناختی آن نیز به مراتب بیشتر است(Rozman and Klaasen, 2001). بسیاری از عناصر برای عملکرد بدن ضروری هستند و سمناکی زمانی به رخ می‌دهد که بدن در معرض غلظت زیاد عناصر در مدت زمان کم(سمناکی حاد) و یا غلظت کم در طولانی مدت(سمناکی مزمن) قرار گیرد. حد آستانه عناصر به نوع ماده، مسیر در معرض قرارگیری، فرم شیمیایی ماده و خصوصیات فردی و وراثتی افراد بستگی دارد(Sullivan et al, 2001). شکل 1-1 نشان دهنده مسیرهای در معرض قرارگیری، جذب، توزیع، متابولیسم و دفع فلزات سمناک از بدن است.

شکل 1- 1- راههای جذب، متابولیسم و دفع مواد بالقوه سمناک از بدن(Goyer and Clarkson, 2001)

میزان جذب از مسیرهای مختلف "در معرض قرارگیری" متفاوت بوده و به ساختار و عملکرد بافت پوششی محل تماس بدن با فلز سمناک و ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی آن بستگی دارد. جذب بسیاری از مواد از راه تنفس آسان‌تر و سریع‌تر صورت می‌گیرد. در مسیر گوارش بیشترین جذب در روده کوچک رخ می‌دهد. پس از مرحله جذب، مرحله متابولیسم و تبدیلات زیستی فلزات سمناک در بدن شروع می‌شود. مرحله آخر دفع فلزات سنگین از بدن است(Kent, 1998). پیچیدگی فرآیندهای حذف فلزات سمناک از بدن همراه با پیچیدگی جانداران افزایش می‌یابد. هر چه تکامل موجود زنده بیشتر و ساختار بدن آن پیچیده‌تر باشد، سازوکار دفع از بدن نیز پیچیده‌تر خواهد بود. با افزایش پیچیدگی موجودات زنده، اندازه بدن افزایش و نسبت مساحت سطح به جرم بدن کاهش می­یابد، اندام‌ها و بافت‌های مختلف درون بدن شکل گرفته، محتوای چربی بدن افزایش یافته و به طور کلی تعداد سدهای عبوری افزایش می‌یابد(Hodgson, 2010).

حذف هنگامی رخ می‌دهد که فلز سنگین طی متابولیسم به ماده دیگری تبدیل شده و یا در بخشی از بدن در دسترس جریان خون نیست ذخیره شود. به طور کلی سه راه اصلی حذف وجود دارد: کبد، کلیه و ریه. کبد مهم­ترین اندامی است که مواد چربی دوست از خون جمع شده و در آن تجمع می‌یابد. کبد با تبدیل زیستی مواد(biotransformation) واکنش‌پذیری آن‌ها را کاهش داده و برای دفع آماده می کند. این اندام مواد زائد و مواد شیمیایی را حذف کرده و از راه صفرا دفع می کند(biliary excretion). کلیه‌ها متمم کبد هستند و طی فرآیند پالایش(filtration) مواد شیمیایی زائد را از خون جمع آوری کرده و به صورت ادرار از بدن دفع می‌کنند. ترکیبات چربی دوست زمانی توسط کلیه ها حذف می‌شوند که طی فرآیندهایی هیدروکسیل‌دار شدن یا ترکیب با مواد دیگر در کبد یا جای دیگر به صورت حل‌شده درآیند. علاوه بر این راه‌های اصلی دفع دیگری هم وجود دارد که شامل ریه، پوست، بزاق، اشک، عرق بدن، شیر، مو و ناخن است(Selinus, 2005).

1-5- هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای

هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای(PAHs) گروهی از ترکیبات آلی هستند که طی تجزیه مواد آلی در اثر گرما(Ko et al., 2006)، در دمای بیش از 700 درجه سانتی‌گراد به وجود می‌آیند(Leite et al., 2010). این ترکیبات از 2 تا 8 حلقه بنزن تشکیل شده‌اند و حداقل دو حلقه بنزنی آن‌ها توسط دو اتم کربن به اشتراک گذاشته شده است. مولکول برخی از ترکیبات این خانواده، بجز اتم‌های کربن و هیدروژن، اتم‌های دیگری مانند نیتروژن، گوگرد، اکسیژن و طیف وسیعی از گروه‌های عاملی، مانند آلکیل، نیترو و گروه‌های آمینه را در سامانه حلقه خود جای می‌دهند(Pampanin et al., 2013). انحلال‌پذیری و فشار این ترکیبات توزیع آن‌ها را در محیط‌های مختلف کنترل می‌کند.بیش از صد ترکیب مختلف از هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای شناخته شده است؛ اما تنها برخی از این ترکیبات، به دلیل اثرات جهش‌زایی و سرطان‌زایی اهمیت زیست‌محیطی دارند. سمی‌ترین اعضای شناخته شده از این خانواده تا به امروز، اعضایی با تعداد چهار تا هشت حلقه بنزنی هستند. خطرناک‌ترین ترکیب سرطان‌زای هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای، بنزو(a)پایرن است و دیگر ترکیبات هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای که سرطان‌زایی آن‌ها در انسان توسط سازمان بهداشت جهانی و کمیته نظارت بر مواد غذایی تأیید شده شامل دی‌بنزو(a,h)آنتراسن، دی‌بنزو(a,h)پایرن، دی‌بنزو(a,i)پایرن و دی‌بنزو(a,l)پایرن می‌شود(Anyakora et al., 2005). در خالص‌ترین شکل، PAH‌ها جامد بوده و رنگ آن‌ها از بی‌رنگ تا سفید یا زرد-سبز کمرنگ تغییر می‌کند.

به منظور پایش، آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا 16 ترکیب هیدروکربن‌ آروماتیک چند حلقه‌ای را در لیست آلاینده‌های الویت‌دار قرار داده است. این هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای معمولاً به عنوان 16 هیدروکربن‌ آروماتیک چند حلقه‌ای آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا شناخته شده و معمول‌ترین PAH‌هایی هستند که اغلب آزمایش می‌شوند(شکل 1-2). این هیدروکربن‌هایآروماتیک چندحلقه‌ای بر اساس وجود اطلاعات بیشتر، داشتن اثرات مضر و سمی‌تر نسبت به برخی دیگر از ‌PAHها و شانس بیشتر درمعرض قرارگیری، انتخاب شده‌اند(ASTDR, 1995).

Optimization and dynamical systems

Helmke U., Moore J.

Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering

Samuel Glasstone, Alexander Sesonske (auth.)

کاستوم ریکاوری huawei honor 8

کاستوم ریکاوری honor 8

by saman