Možnosti využití bioindikátorů k určení aktuálních a starých atmosférických depozičních zátěží krajiny vybranými prvky z důlní činnosti

Ing. Julie Sucharová, RNDr. Ivan Suchara, CSc.

Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví, 252 43 Průhonice.

1. Úvod

Důlní činnost jako součást využívání krajiny provází lidskou kulturu od nepaměti. Pokud dobývání a zpracování nerostných surovin v minulých historických obdobích mělo obyčejně jen velmi lokální negativní vlivy na složky prostředí, pak současné strojní dobývání surovin má na krajinu podstatně větší dopady. Dostatečně jsou známé příklady kontaminace složek prostředí toxickými prvky a jejich sloučeninami vlivem účinků důlních vod, transportu a zpracování surovin, šířením pevných aerosolů uvolňovaných větrnou erozí z rudních odvalů, sedimentů odkališť, velkoplošných skrývek atp. Jako příklad velkoplošné kontaminace krajiny depozicemi toxických kovů vlivem důlní činnosti přesahující hranice států lze uvést dobývání a zpracování rud na získání niklu a doprovodných prvků na poloostrově Kola. Skryté, dlouhodobě akumulované spady toxických prvků mohou přetrvávat v okolí opuštěných důlních děl velmi dlouhou dobu a postižená část krajiny musí být revitalizována (Azcue 1999).

Dále nás bude zajímat především možnost sledování atmosférických depozičních úrovní prvků a jejich sloučenin v místech důlní činnosti. Monitorování znečištění venkovního ovzduší a distribuce spadu prvků a jejich sloučenin v okolí dolů se obyčejně pro finační a časovou náročnost neprovádí. Přesto existuje možnost rychlého stanovení distribuce aktuálních nebo dlouhodobě nahromaděných spadů prvků v okolí míst důlní činnosti pomocí analýzy vhodných bioindikátorů.

2. Bioindikátory atmosférické depozice prvků

Kromě instrumentálního měření atmosférického spadu prvků a jejich sloučenin na měřících stanicích je možno relativní nebo dokonce i absolutní úrovně spadu prvků (μg.m^-2.rok^-1) zjišťovat na základě chemických analýz vhodných biologických objektů dlohodobě vystavených na gradientu depozičních zátěží daného imisně-depozičního katastru.

Vhodným bioindikátorem aktuálních úrovní spadu prvků jsou některé druhy lesních mechů. Mechy, které nemají kořeny, nemohou přijímat prvky z půdních pokryvů. Proto obsah prvků v mechu těsně koreluje s úrovní jejich atmosférického spadu. Pokud známe účinnost mechu přijímat prvky z atmosférické depozice je možno na základě obsahu prvku v mechu a ze znalosti ročního přírůstku biomasy spolehlivě odhadnout i absolutní hodnoty průměrného spadu prvků. Protože živé části mechu jsou nejvýše tříleté, je možno z analýz příslušných koncových segmentů lodyžek mechu určovat průměrné jedno, dvou nebo tříleté úrovně spadu prvků v místě jeho růstu. Další podrobnosti udává např. Suchara et Sucharová (1998), Sucharová et Suchara (1998).

K určení relativního množství dlouhodobě ukládaného spadu prvků je výhodné využít chemické analýzy neporušené vrstvy lesního nadložního humusu tvořeného zbytky biomasy s nízkým minerálním obsahem popelovin kolem 0,4 hmotn. %. Makromolekuly humusu velmi účinně zachycují a relativně pevně váží především kationty. Sorpční kapacita 100 g lesního humusu je pro ně až 500 meq. Pokud není lesní nadložní humus kontaminován minerálním podložím, obsah prvků v humusu těsně koreluje s celkovým množstvím spadu prvků za období stáří humusu (lesa). Podrobnosti k metodě indikace dlouhodobě hromaděných spadů pomocí analýz humusu uvádí Suchara et Sucharová (2000).

Např. pomocí analýz humusu byl zjištěn rozsah znečištění krajiny spadem kovů v důsledku  těžby a zpracování polymetalických rud ve Flin Flon v Kanadě (Henderson et al. 1998). Vliv těžby a zpracování rud v minulých kulturách na znečištění tehdejší atmosféry v okolí důlních lokalit byl zjišťován analýzami vrstev rašelin, které mají podobné vlastnosti jako lesní humus a jejichž stáří lze s přijatelnou nepřesností datovat (např. West et al. 1997).

3. Metody biomonitoringu atmosférické depozice

Naše pracoviště provádí pomocí analýz mechu a humusu velkoplošný biomonitoring spadu prvků na území ČR a monitoring atmosférické depozice v podrobnějším mapovém měřítku v okolí vybraných bodových zdrojů znečištění ovzduší nebo v některých oblastech postižených vysokou úrovní spadu prvků. Prováděný biomonitoring ČR není zaměřen na sledování dopadů emisních zdrojů z důlní činnosti a těžby a zpracování surovin. Přesto v mnohých případech je přímý nebo nepřímý vliv důlní činnosti na distribuci obsahu některých prvků v bioindikátorech patrný na biomonitorovacích bodech situovaných nejblíže místům těžby a zpracování surovin.

3.1. Celorepublikový biomonitoring

Biomonitoring aktuální úrovně atmosférické depozice prvků na území ČR pomocí analzy mechu je prováděn od roku 1990/1991 v pětiletých cyklech jako součást celoevropských biomonitorovacích programů (např. UN/ECE ICP-Vegetation). V roce 2000 byl zjišťován obsah 36 prvků v mechu na 250 místech ČR v hustotě odběrových bodů zhruba15 x 15 km. V roce 1995 byly souběžně se vzorky mechu odebrány a analyzovány i vzorky lesního nadložního humusu na 196 místech ČR a bylo zjištěno rozložení obsahu 14 prvků v mechu a humusu na území státu. Víceprvkové analýzy byly prováděny metodou ICP-OES, ICP-MS a AAS-AMA-256. Zjištěné a lineárně interpolované obsahy prvků v mechu na území ČR byly zpracovány formou bodových a isoliniových map, které informují o relativní zátěži území spadem sledovaných prvků. Obsah prvku v mechu násobený příslušným koeficientem podává spolehlivý odhad absolutní průmerné roční depozice daného prvku v místě růstu analyzovaného mechu.

3.2 Biomonitoring v podrobnějším mapovém měřítku

V okolí bodových zdrojů znečištění nebo pro potřebu upřesnění distribuce spadu prvků v některých územích byly odebrány k analýzám vzorky mechu a lesního humusu ve větší hustotě odběrových bodů. V minulých letech byla zjišťována např. úroveň spadu některých prvků na Mostecku, na Tachovsku nebo na jižní Moravě. Na Příbramsku v roce 1999 bylo odebráno 56 vzorků mechu a humusu v okruhu 14 km kolem Kovohutí Příbram podél 6 hlavních a 6 vedlejších liniových transektů paprskovitě vybíhajících od komínu kovohutí. Na hlavních transektech byly odběrové intertvaly po 2 000 m, na vedlejších po 7 000 m. Byly použity stejné metody analýz vzorků a interpretace výsledků jako v případě celorepublikového biomonitoringu spadu prvků. Podrobnější popis použitých metod uvádí Sucharová et Suchara (1998), Sucharová et al. (1999), Suchara et Sucharová (2000).

4. Výsledky a diskuse

Přestože uvedený typ biomonitoringu nebyl koncipován k monitorování depozice emisí z důlní činnosti, výsledky odhalují i podíl současné nebo minulé těžby surovin na zvýšený spad prvků v některých oblastech.

4.1. Celorepublikový biomonitoring

Velkoplošný biomonitoring spadu prvků může odhalit pouze vliv takových lokalit těžby a zpracování surovin, které mají relativně daleký dosah. U nás je to např. zvýšená depozice terrigenních (litogenních) prvků v oblastech povrchové těžby lignitu, dobývání surovin a jejich zpracování pro výrobu cementu, štěrku ap. Značná část území ČR je však ovlivněna depozicí pevných aerosolů původem z emisí tepelných elektráren, skládek elektrárenského popílů a půdních částic erodovaných především ze zorněných půdních pokryvů. Takové typy aerosolů mají velký obsah litogenních prvků a jejich vysoká pozaďová depozice ztěžuje identifikaci lokálních zdrojů uvedených prvků jak analýzou mechu, tak i analýzou humusu. Na druhé straně těžba rud na většině našich nalezišť byla ukončena a případnou depozici např. chalkofilních prvků z rudních odvalů bývalých dolů ruší depozice z hutních a strojírenských provozů, které v blízkostech takových míst obyčejně přetrvávají. Bez znalosti izotopového zastoupení prvků v místních rudách a stávajících emisí hutní a strojírenské výroby nelze původ depozice prvků zachycené mechem nebo humusem spolehlivě zjistit. Jiná je situace např. u často sledovaného uranu a prvků doprovázejících výskyt uraninitu. Protože se tyto prvky dnes průmyslově využívají u nás málo, lze původ jejich zvýšeného aktuálního spadu spojovat s redistribucí materiálu z rudních odvalů uranových dolů nebo půdních pokryvů na matečných horninách bohatých na takové prvky. Na Obr. 1 je uvedena zjištěná distribuce uranu v mechu na území ČR v roce 2000 odpovídající relativním úrovním spadu uranu. Vynásobení obsahu uranu v mechu (µg.g^-1) koeficientem 150, dostaneme odhad absolutní atmosférické depozice U (µg.m^-2.rok^-1) v požadovaném místě. Aktuálně nejvyšší úrovně atmosférického spadu U v ČR jsou patrné na jižní Moravě a souvisejí s transportem prachových částic především z paleogenních jílovitých usazenin karpatského flyše, které mají zvýšený obsah nejen U, ale i dalších doprovodných prvků (např. Al, Be, Ce, Fe, Ga, La, Li, Pr, Th, U, V aY). K vysoké prašnosti území přispívá nejen velký podíl zorněných ploch, ale i terénní úpravy jako např. skrývky po těžbě lignitu, těžba hlín a těžba ropy. Eroze skrývek sedimentů podobných vlastností je příčinou velkoplošného vysokého spadu aerosolů s obsahem U a dalších výše uvedených prvků i v okolí Žitavy a na Mostecku. Část atmosférické depozice jmenovaných prvků však pochází i ze spalování lignitu v tepelných elektrárnách. Lokální zátěže spadem U jsou patrné např. mezi Poličkou a Třebíčí, u Zadního Chodova, v okolí Stráže p. Ralskem, východně u Příbrami, západně u Kladna, převážně na místech těžby ložisek uranu. Pro přesnější interpolaci úrovně spadů v okolí lokálních těžeb je třeba použít data z podrobnějšího lokálního biomonitoringu.

4.2. Biomonitoring v podrobnějším mapovém měřítku

Při zjišťování aktuálních a dlouhodobě akumulovaných úrovní spadů 36 prvků v okolí Kovohutí Příbram bylo mimo jiné zjištěno v mechu a humusu velmi podobné rozložení obsahu prvků, které nejsou významnou složkou emisí z kovohutí (As), Bi, Ce, La, Mo, Nd, Pr, Sr, U, V, a které vykazovaly ohnisko nejvyšších úrovní spadů na východním okraji Příbrami. Jako příklad je na Obr. 2 uveden zjištěný a interpolovaný obsah ceru v mechu v okolí Příbrami. Násobením obsahu Ce v mechu koeficientem 280 získáme odhad průměrné roční atmosférické depozice Ce v požadovaných místech sledovaného území pro roky 1998 a 1999. Také rozložení úrovní dlouhodobě akumulovaných spadů výše uvedených prvků v lesním humusu vykazovalo podobný tvar jako obsahy v mechu. To znamená, že zdroj znečišťování ovzduší uvedenými prvky v území působí delší dobu. Obr. 3 dokumentuje distribuci spadů U na Příbramsku podle analýz humusu z lesů 60-90 let starých. Dodatečně bylo zjištěno, že příčinou vysokého spadu těchto prvků v okolí Příbrami je zpracování kameniva z rudních odvalů bývalých uranových dolů na štěrk. Těžba uranu byla u Příbrami provozována v letech 1948-1991 a výroba štěrku na daném místě probíhá více než 20 let. Chemické analýzy mechu z 56 míst v okolí Příbrami umožnily popsat vztah obsahu sledovaných prvků v mechu (velikost průměrné aktuální depozice prvků) v závislosti na vzdálenosti od drtičky kameniva, jak je uvedeno v Tabulce 1. Příslušné koeficienty, pokud jsou známy, pro odhad absolutní úrovně spadů jsou k dispozici v tabulce vedle chemické značky příslušného prvku.

Prvek	Koef.	Regresní funkce y = obsah v mechu (μg/g), x = vzdálenost (km)	p	r
As	331	y = 0,458059 + exp(0,6449065 - 0,187372)x	0,005712	0,465
Ce	280	y = -5,83192 + exp(1,8800265 - 0,0010494)x	0,033225	0,287
La	263	y = -9,94060 + exp(2,332403- 0,0004014)x	0,008050	0,352
Nd	?	y = -9,810363 + exp(2,31287 - 0,0002762)x	0,028708	0,293
Pr	?	y = -9,25718 + exp(2,2345 - 0,000079)x	0,033472	0,285
Sr	?	y = 6,41561 + exp(2,52026 - 0,1705873)x	0,001565	0,506
U	150	y = -9,281333 + exp(2,239816 - 0,00044)x	0,001604	0,413
V	219	y = 1,782836 + exp(1,525755 - 0,34484)x	0,005423	0,563

Tabulka1 Rovnice popisující závislost obsahu prvků v mechu na vzdálenosti od drtírny kameniva z odvalů uranových dolů Příbram – Háje v roce 1999. n = 56.

Podobně v Tabulce 2 je jako příklad uveden pokles obsahu dlouhodobě nahromaděných prvků v lesním nadložním humusu se vzdáleností od haldy štěrku. Znalost distribuce dlouhodobě hromaděných zátěží toxických prvků v lesním humusu umožňuje odhadnout např. velikost rizika vstupu prvků do potravních řetězců (konzumace hub, lesních plodů) člověka nebezpečí pro úzce teritoriálně žijící lesní živočichy a určení velikosti území nutného k sanaci.

Prvek	Regresní funkce y = obsah v humusu (μg/g), x = vzdálenost (km)	P	r
Al	y = 4984,624 + exp(10,7822 - 0,7226623)x	0,013086	0,726
Be	y =0,4374726 + exp(3,10012 - 1,012563)x	0,006180	0,870
Li	y = 2,682244 + exp(3,387394 - 0,6086925)x	0,002652	0758
Rb	Y = 4,99451 + exp(3,885014 - 0,686092)x	0,006417	0,679
Sc	y = 1,80507 + exp(2,787697 - 0,715108)x	0,03972	0,700
Sr	y = 16,08363+ exp(4,13382 - 0,320501)x	0,000964	0,634
Th	y = 1,24141 + exp(3,116535 - 0,810874)x	0,002087	0,603
U	y = 1,06031 + exp(4,56613 - 0,780579)x	0,001257	0,949
V	y = 27,1511 + exp(5,37503 - 0,553165)x	0,001690	0,601

Tabulka 2 Rovnice popisující závislost obsahu prvků v lesním humusu na vzdálenosti od drtírny kameniva z odvalů uranových dolů Příbram – Háje v roce 1999. n = 56.

Pokud by byly vzorky mechu a humusu odebírány podél liniových transektů paprskovitě vybíhajících od místa drcení kameniva, bylo by možno velmi přesně popsat závislost obsahu prvků v mechu a humusu od zdroje znečišťování ovzduší v jednotlivých směrech transektů. Více podrobností k distribuci sledovaných prvků na Příbramsku poskytují např. práce Suchara et Sucharová, 2003a, 2003b, Sucharová et Suchara 2003.

5. Závěr

Sledování aktuálních i dlouhodobě nahromaděných úrovní atmosférických spadů prvků a jejich sloučenin pomocí chemických analýz mechu a humusu jako bioindikátorů je vhodná metoda použitelná pro rychlé a relativně levné zjištění dopadů důlní činnosti nebo zpracování surovin. Pro využití výše představené bioindikační techniky je potřeba dostatečná lesnatost krajiny v okolí míst důlních aktivit. Ovšem i v bezlesí je možno použít k určení distribuce spadu prvků jiné druhy mechu nebo metodu „moss-bag“, která využívá analýz vzorků mechu exponovaných v nylonových síťkách rozmístěných na různých měřících bodech kolem sledovaného emisního zdroje. Technika bioindikace cílená na stanovení distribuce úrovní spadu prvků v okolí míst důlní činnosti může poskytnout podobné množství informací, jaké bylo získáno při sledování dopadu činnosti Kovohutí Příbram.

6. Literatura

Azcue J. M. (ed.) (1999): Environmental impacts of mining activities.- Springer Verl., Berlin. Heidelberg. New York. 300 pp.

Henderson P.J., McMartin I., Hall G.E., Percival J.B., Walker D.A. (1998): The chemical and physical characteristics of heavy metals in humus and till in the vicinity of the base metal smelter at Flin Flon, Manitoba, Canada.- Environ. Geol., 34: 39-58.

Suchara I., Sucharová J. (1998): Mechorosty a monitorování (I) a (II).- Živa, 46: 201-202, 246-248.

Suchara I., Sucharová J. (2000): Distribution of long-term accumulated atmospheric deposition loads of metal and sulphur compounds in the Czech Republic determined through forest floor humus analyses.- Acta Průhoniciana, 69: 1-177.

Suchara I., Sucharová J. (2003a): Biomonitoring atmosférického spadu prvků v podrobnějším mapovém měřítku. Vybrané příklady výsledků z Příbramska.- Ochrana Ovzduší, 15: 13-20.

Suchara I., Sucharová J. (2003b): Fine-scale determination of patterns of current and long-term accumulated atmospheric loads of 36 elements in a historic mining and smelting area near Příbram, Czech Republic. Part II: Relative long-term accumulated atmospheric deposition levels.-Water, Air, Soil Pollut., (v tisku).

Sucharová J., Suchara I. (1998): Biomonitoring of the atmospheric deposition of metals and sulphur compounds using moss analysis in the Czech Republic. Results of international biomonitoring programme 1995.- VÚOZ Průhonice, 183 pp.

Sucharová J., Suchara I. (2003): Fine-scale determination of patterns of current and long-term accumulated atmospheric loads of 36 elements in a historic mining and smelting area near Příbram, the Czech Republic. Part I: Relative and absolute current atmospheric deposition levels detected through moss analyses.- Water, Air, Soil Pollut., (v tisku).

Sucharová J., Suchara I., Buňatová H., Dujková J., Mastíková I. (1999): Multielementární analýzy mechu a humusu v okolí Příbrami.- Zpráva projektu MŽP VaV/610/3/00, VÚOZ Průhonice, 104 pp.

Sucharová J., Suchara I., Benáčanová D., Buňatová H., Kučerová M. (2001): Určení obsahu 35 prvků v mechu jako podklad pro stanovení relativní míry atmosférické depozice těchto prvků na území ČR.- Zpráva projektu MŽP VaV/640/1/00, VÚKOZ Průhonice, 84 pp.

West S., Charman D.J., Grattan J.P., Cherburkin A.K. (1997): Heavy metals in holocene peats from south west England detecting mining impacts and atmospheric pollution.- Water, Air, Soil Pollution, 100: 343-353.

Obr. 1 Rozložení obsahu uranu v mechu na území ČR v roce 2000 (Sucharová et al. 2001).

Obr. 2 Rozložení obsahu ceru v mechu v okolí Příbrami (Sucharová et al. 1999).

Obr. 3 Rozložení obsahu uranu v lesním humusu v okolí Příbrami (Sucharová et al. 1999).

English Abstract:

Bioindication of the current and long-term accumulated atmospheric deposition loads of chosen elements from mining activities

Chemical analysis of moss bioindicators provides information about both the current relative atmospheric deposition loads and the absolute average deposition loads (µg.m^-2.year^-1) of elements. Analyses of forest floor humus can inform about distribution of long-term accumulated deposition loads in the landscape. Large-scale and fine-scale biomonitoring programmes have been carried out in the Czech Republic territory and around local industrial pollution sources, respectively. However, increased element contents in the bioindicators used have been found near some current and abandoned mining sites. Figure 1 shows the current distribution of uranium in moss in the Czech Republic. The large hot spots are situated in lignite basins where mining activities release dust particles from the local uranium and REEs rich Tertiary clay sediments. Small hot spots in this figure are often associated with local running or abandoned uranium pits. Figure 2 presents a fine-scale map of cerrium distribution in moss around a former uranium pit near the town of Příbram where stones from waste heaps have been ground for gravel. Pattern of the uranium content in forest floor humus around this former uranium pit depicted in Figure 3 documents the distribution of long-term accumulated deposition loads of uranium and its compounds in the area. Biomonitoring is a powerful tool, which can reveal the distribution of current and historic atmospheric deposition loads caused by current or former mining activities in the landscape.