Metody izotopového stopování průmyslového znečistění atmosféry

Ing. Anna Kunčíková

Doctoral thesis

The isotope tracing methods for industrial contamination of the atmopshere

Abstract:

Hlavním cílem předkládané disertační práce bylo sledování zdrojů znečištění životního prostředí ve dvou průmyslových oblastech pomocí vybraných environmentálních vzorků jako matrice pro stopování znečištění stopovými kovy. Hlavním cílem práce bylo poskytnout komplexní pohled na netradiční použití environmentálních vzorků jako náhrady běžně užívaných metod pro sledování zdrojů znečištění, využité jako matrice pro koncentrační a izotopové analýzy. V práci byla testována metoda izotopového stopování pomocí stabilních izotopů kovů; konzervativní systém – Pb a netradiční – Ni a Cu. Hodnocena byla také vhodnost jednotlivých typů vzorků pro různé podmínky sledování znečišťování (dlouhodobé vs krátkodobé znečišťování, místní vs vzdálené zdroje znečištění). Výzkum byl zaměřen na dvě lokality, které jsou dlouhodobě a historicky spjaty s průmyslem – Ostravsko v České republice a severo-východní část Norska v okolí města Kirkenes. Bylo sledováno 6 typů vzorků: epifytický lišejník terčovník tenounký (Physcia tenella), mech rokyt cypřišovitý (Hypnum cupressiforme), PM10 sbírané v intervalu 24 hodin, sníh (sbírán bez horní zmrzlé vrstvy), půda, letokruhy stromů modřín opadavý (Larix decidua), smrk ztepilý (Picea abies) a borovice lesní (Pinus sylvestris). Výzkum prokázal, že použití environmentálních vzorků jako stopovačů průmyslového znečištění je možné s přihlédnutím k povaze vzorku. Bylo zjištěno, že lišejníky, mechy a svrchní organické horizonty půdy jsou vhodné pro stopování dlouhodobého znečištění a zároveň i pro sledování zdrojů značně vzdálených. Nicméně je nutné přihlédnout ke skutečnosti, že dané vzorky kumulují všechny prvky, které vstřebají, proto je koncentrace kovů a i signál stabilních izotopů olova homogenizován. Vzorky PM10 se jako stopovače místního bodového znečištění ukázaly být značně závislé na roční době a směru větru. Celkově bylo zjištěno, že PM10 je ideální používat v kombinaci s analýzami vzorků sněhů, které nejpřesněji odrážejí krátkodobou situaci ve znečišťování ovzduší. Použitím vzorků čerstvého sněhu bylo možné přesně identifikovat hlavní lokální znečišťovatele pomocí signálu izotopů olova. Vzorky letokruhů stromů mohou sloužit pro studium historického znečištění v oblastech, kde běžně používané vzorky (rašelina, jezerní sedimenty atd.) nejsou dostupné. Stabilní izotopy Cu a Ni, na rozdíl od Pb, nejsou považovány za tradiční stopovače znečištění. Jejich izotopové složení se během průmyslových procesů nemění a patrně dochází k frakcionacím při styku s životním prostředí. Jejich využití je tak limitováno analýzou daných frakcionačních procesů. Hlavními identifikovanými zdroji znečištění ve sledovaných oblastech je spalování uhlí v průmyslu, používání nekvalitního uhlí v domácnostech, hutní výroba a v některých oblastech i současný a historický vliv dopravy a používaných benzínů.

Abstract:

The main objective of the thesis was evaluation of the selected environmental samples as a potential matrix for tracking trace metal pollution sources industrial areas. A comprehensive view of non-traditional use of environmental samples as a substitute for commonly used methods for monitoring pollution sources including stable isotope “fingerprint” method was carried out. The suitability of sample types for different conditions of pollution monitoring (long-term vs. short-term pollution, local vs. remote pollution sources) was also evaluated. Conservative, Pb isotope system and less conservative- nickel (Ni) and copper (Cu) and their use for fingerprinting of pollution were investigated. Six types of specimens were observed: epiphytic lichen Physcia tenella (Scop.) DC, bryophyte Hypnum cupressiforme (Hedw.), particulate matter (PM10) collected at 24-hour intervals, snow (collected without upper frozen layer), different soil horizons, tree rings extracted from coniferous trees Larix decidua (Mill.), Picea abies (L.) H. Karst. and Pinus sylvestris (L.). The research was conducted on two localities, which are long-term and historically affected by industrial activities - Ostrava region in the Czech Republic and North-Eastern (N/E) Norway, near the Norwegian-Russian border.When considering the use of environmental samples as fingerprint for industrial pollution, the nature of the sample must be taken into account. Lichens, mosses and upper organic soil horizons are suitable for tracking long-term pollution and more remote sources. On the other hand, PM10 samples have proven to be highly dependent on season and wind direction as local recent contamination tracers. Overall, it has been found that it is ideal to use PM10 samples in combination with snow samples, as they most accurately reflect the short-term air pollution situation. Using snow samples, it was possible to accurately identify the major local industrial sources using the Pb isotopes. Tree rings samples can be used to study historical pollution in areas where commonly used samples (peat, lake sediments, etc.) are not available. Stable isotopes of Cu and Ni, as opposed to Pb, are not considered traditional pollution tracers. Their isotopic composition does not change during industrial processes, but unlike Pb, fractionations tend to occur in contact with the environment and so their use is limited by the analysis of given fractionation processes. The main sources of pollution in the monitored areas are the combustion of coal in industry, the use of low-quality coal in households, metallurgical activities and, in some areas, the current and historical impact of traffic and used gasoline.

Keywords

Znečištění atmosféry, Izotopy, Stopové kovy

Keywords

Atmospheric pollution, Isotopes, Trace metals

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 9. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Vladislav Chrastný, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Environmental Sciences / Applied and Landscape Ecology