Διερεύνηση της ρύπανσης με βαρέα μέταλλα και ραδιενέργεια, της λεκάνης Κοζάνης - Πτολεμαΐδας με τη χρήση βιολογικών δεικτών, νερού και μικροοργανισμών

Abstract

It is well-known fact that lignite contains a great number of trace elements and natural radionuclides. During combustion in the lignite fired power plants these trace - pollutants are discharged into the atmosphere through fly ash and subsequently disperse in the environment. In the Kozani - Ptolemais basin four lignite power plants are installed generating up to 70% of the annual electricity energy of the country, emitting huge quantities of fly ash. In order to investigate the potential pollution caused by the perpetual operation of the power plants, surface soil and plant samples (mosses and lichens) were collected from sites in the vicinity of Ag. Dimitrios power plant. Surface water samples were also collected from an irrigation canal deriving from the power plant cooling system and seeping across the basin and from the water ecosystem of Aliakmon River. The region of Klimataki, Grevena was considered as control area, which was 40 kilometers westbound, unaffected by the activities of the basin. Also bacterial columns were isolated from the soil of the study area, in order to assess the power plant operation impact to the soil bacterial load. Control samples for bacterial load experimentation were collected from an area 25 kilometers westbound of the basin. We subsequently measured the specific activities of five heavy metals (Cd, Cr, Cu, Ni and Pb) and three natural radionuclides (⁴⁰K, ²²⁸Ra and ²²⁶Ra) and radiocesium (¹³⁷Cs) in soil and plant samples by means of AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) and γ-spectroscopy HP-Ge Silena detector, respectively. In surface water samples physicochemical properties (Turbidity, pH, EC-Electrical conductivity, C.O.D. and D.O.C. and main ion concentrations by means of Ion Chromatography were also measured. In the bacteria isolated from soil samples, bacterial load comparison to control area was performed, bacterial antibiotic and heavy metal resistance was also evaluated. The ability of the bacteria to reduce hazardous and toxic Cr(VI) to less toxic Cr(III) was estimated. The physiological and morphological alterations induced by the presence of Cr(VI) to bacterial cells were also assessed. The statistical acquisition and evaluation of the measurements led to the following final conclusions: Mosses and lichens constitute a low cost, ubiquitous and abundant tool for atmospheric pollution monitoring permitting mapping of atmospheric dispersion of heavy metals and radionuclides at a local scale. The specific and unique morphological trays of these organisms make them suitable as bioindicators. Cr can be traced in higher concentrations than the other metals in lichen, moss and soil samples. In lichens and soil the concentrations of heavy metals follow the series of Cr > Ni > Cu > Pb > Cd, while in moss samples Cr > Ni > Pb > Cu > Cd. The statistical processing of the results prove that the trace elements of the soil and plants have a common origin. ¹³⁷Cs concentrations are lower in soil than in moss and lichen samples. Leaching through the natural precipitation reduces quantities but remain high at the upper soil layers. Given the existence of ¹³⁴Cs, the origin of the radiocesium is almost exclusively attributed to the Chernobyl accident. Natural radionuclide ⁴⁰K, ²²⁸Ra and ²²⁶Ra concentrations on soil moss and lichen samples are systematically higher than their respective concentrations quoted in the bibliography. Their load though is within the permitted limits of greek soils. Additionally, the evaluation of surface water samples results led us to unconclusive deductions that the water of the region is impaired by the coal combustion and the power plant operation and is more presumably attributed to rural and forage activities and urban wastewater treatment failure. The microbial load of the study area was higher than the corresponding in the control area. The six isolated bacteria have high antibiotic and heavy metal resistance. All bacteria were capable of Cr(VI) reduction. The presence of Cr(VI) induced cell division inhibition to Rhodococcus sp. and suspension of sporulation to B.thuringiensis. Cr(VI) seems to have no obvious effect in spore germination and viability.

Ο λιγνίτης, ως γνωστό, περιέχει ένα μεγάλο αριθμό ιχνοστοιχείων και φυσικών ραδιονουκλιδίων. Κατά την καύση του στις εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τα στοιχεία αυτά απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα μέσω της ιπτάμενης τέφρας και διαχέονται στο περιβάλλον. Στην περιοχή Κοζάνης-Πτολεμαΐδας βρίσκονται εγκατεστημένοι τέσσερις ατμοηλεκτρικοί σταθμοί (ΑΗΣ) της ΔΕΗ, οι οποίοι παράγουν το 70% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας εκπέμποντας τεράστιες ποσότητες ιπτάμενης τέφρας ετησίως. Για να διερευνηθεί η επιβάρυνση που προκαλείται από τη συνεχόμενη λειτουργία των τεσσάρων ΑΗΣ στη γύρω περιοχή και ιδιαίτερα του ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου, συλλέχθηκαν δείγματα φυτικών οργανισμών (λειχήνων και βρύων), επιφανειακού εδάφους, από δειγματοληπτικές περιοχές που βρισκόταν επάνω σε δύο κάθετους άξονες με κέντρο το ΑΗΣ Αγ. Δημητρίου. Επίσης, συλλέχθηκαν δείγματα νερού από το ρυάκι που διαρρέει τη λεκάνη, αλλά και από το μεγαλύτερο τμήμα του ποταμού Αλιάκμονα. Επίσης, απομονώθηκαν βακτήρια από το έδαφος της περιοχής, ώστε να μελετηθεί η επίπτωση της λειτουργίας των ΑΗΣ στο βακτηριακό φορτίο της περιοχής. Ως περιοχή αναφοράς για τις αναλύσεις των φυτικών ειδών και του χώματος, θεωρήθηκε η περιοχή Κλιματάκι Γρεβενών, που βρίσκεται 40 χιλιόμετρα δυτικά της περιοχής μελέτης και δεν επηρεάζεται από τις δραστηριότητες της λεκάνης. Για τα δείγματα χώματος από τα οποία απομονώθηκαν τα βακτήρια, ως περιοχή αναφοράς θεωρήθηκε μια περιοχή 25 χιλιόμετρα από την λεκάνη Κοζάνης-Πτολεμαΐδας. Κατόπιν μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις πέντε βαρέων μετάλλων (Cd, Cr, Cu, Ni και Pb) σε όλα τα δείγματα με φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (AAS), και στα δείγματα φυτικών ειδών και χώματος, οι συγκεντρώσεις τριών φυσικών ραδιονουκλιδίων (⁴⁰K, ²²⁸Ra και ²²⁶Ra) και του ραδιοκαισίου (¹³⁷Cs) με τη μέθοδο της γ-φασματοσκοπίας και με ανιχνευτή HP-Ge της Silena. Στα δείγματα νερού επίσης,πραγματοποιήθηκε μέτρηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων (θολότητα, pH, Ηλεκτρική Αγωγιμότητα, C.O.D. και D.O.C.) και ανάλυση των κυριότερων ιόντων (F⁻, Cl⁻, NO₂⁻, NO₃⁻, Br⁻, PO4⁻³ και SO4⁻²) με τη μέθοδο της Ιοντικής Χρωματογραφίας. Στα απομονωμένα, από το χώμα, βακτήρια έγινε η μέτρηση του ποσού του βακτηριακού φορτίου και συγκρίθηκε με το αντίστοιχο της περιοχής μάρτυρα, μελετήθηκε η ανθεκτικότητα των βακτηρίων στα αντιβιοτικά και τα βαρέα μέταλλα. Αξιολογήθηκε η ικανότητά τους στο να ανάγουν το τοξικό και επικίνδυνο εξασθενές χρώμιο [Cr(VI)] σε τρισθενές [Cr(III)]. Ακόμα, πραγματοποιήθηκε παρατήρηση και αξιολόγηση των επιπτώσεων του Cr(VI) στον βιολογικό κύκλο και τη μορφολογία των βακτηριακών κυττάρων. Από την στατιστική επεξεργασία και την αξιολόγηση των μετρήσεων προέκυψαν τα εξής τελικά συμπεράσματα: Οι λειχήνες και τα βρύα αποτελούν εύκολο, άφθονο και άμεσο εργαλείο, με στόχο την αποτίμηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και τη χαρτογράφηση της διασποράς των βαρέων μετάλλων και των ραδιονουκλιδίων, σε τοπικό επίπεδο, γι’ αυτό και χαρακτηρίζονται ως κατάλληλοι βιοδείκτες. Υψηλότερες συγκεντρώσεις από τα μέταλλα που μετρήθηκαν εμφάνισε το χρώμιο, τόσο στα φυτικά δείγματα όσο και στο χώμα. Η σειρά των βαρέων μετάλλων ανάλογα με τη συγκέντρωσή τους στα δείγματα λειχήνων και χώματος είναι ίδια Cr > Ni > Cu > Pb > Cd, ενώ στα βρύα: Cr > Ni > Pb > Cu > Cd. Η ανάλυση και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων αποδεικνύουν ότι τα μέταλλα του εδάφους, των φυτικών οργανισμών και της ιπτάμενης τέφρας έχουν κοινή προέλευση. Οι συγκεντρώσεις του ραδιοκαισίου (¹³⁷Cs) στο χώμα είναι ελάχιστα μικρότερες από αυτές των βρύων και των λειχήνων. Η απόπλυση μέσω την φυσικών κατακρημνίσεων μειώνει ελάχιστα τις ποσότητες, αλλά παραμένουν υψηλές (λόγω μεγάλου χρόνου ημιζωής) και στα ανώτερα στρώματα του εδάφους. Στα φυτικά είδη είναι σημαντικά αυξημένες και προέρχονται εξολοκλήρου από το ατύχημα του Chernobyl. Αναφορικά με το ⁴⁰K, ²²⁸Ra και ²²⁶Ra, οι συγκεντρώσεις τους στο χώμα βρίσκονται εντός των επιτρεπτών ορίων συγκριτικά με το χώμα στην Ελλάδα και παγκοσμίως. Από την ανάλυση των δειγμάτων νερού δεν προκύπτουν επισφαλή συμπεράσματα για τις επιπτώσεις της λειτουργίας των τεσσάρων ΑΗΣ στην περιοχή μελέτης. Το είδος και το μέγεθος της ρύπανσης παραπέμπουν στις παρακείμενες γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες και τη διαχείριση των αστικών λυμάτων και όχι στις εκπομπές από την καύση του λιγνίτη. Το μικροβιακό φορτίο της περιοχής μελέτης ήταν υψηλότερο από αυτό της περιοχής μάρτυρα. Τα έξι βακτήρια που απομονώθηκαν είχαν υψηλή ανθεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα και αντιβιοτικά. Όλα τα βακτήρια εμφάνισαν σημαντική ικανότητα αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές. Το Cr(VI) προκάλεσε αναστολή της διαίρεσης στο είδος Rhodococcus sp. και παρεμπόδιση της σπορίωσης στο B.thuringiensis. Το Cr(VI) φαίνεται να μην επηρεάζει τη βιωσιμότητα των σπορίων του B.thuringiensis.