Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Αριάδνη Αργυράκη, Καθηγήτρια, Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος
Μιχαήλ Σκούλλος, Καθηγητής, Τμήμα Χημείας ΕΚΠΑ
Εμμανουήλ Δασενάκης, Καθηγητής, Τμήμα Χημείας ΕΚΠΑ
Ευάγγελος Μπακέας, Καθηγητής, Τμήμα Χημείας ΕΚΠΑ
Ιωάννης Χατζηανέστης, Ερευνητής Α’, ΕΛΚΕΘΕ
Νίκη Ευελπίδου, Καθηγήτρια, Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος ΕΚΠΑ
Ευστράτιος Κελεπερτζής, Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος ΕΚΠΑ
Περίληψη:
Το λεπτόκοκκα υλικά απόθεσης στο επιφανειακό αστικό περιβάλλον (σκόνη δρόμων και τα ιζηματογενή υλικά που συγκρατούνται στα φρεάτια παραπλεύρως των δρόμων, ακολουθώντας τη ροή των ομβρίων) αντανακλούν ένα ευρύ φάσμα ανθρωπογενών δραστηριοτήτων και αποτελούν χρήσιμο μέσο για την αξιολόγηση του επιπέδου επιβάρυνσης αλλά και της κατανομής των πιθανών ρύπων που περιέχουν, όπως π.χ. αυξημένη συγκέντρωση δυνητικά τοξικών στοιχείων (ΔΤΣ) αλλά και πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (ΠΑΥ). Το σύστημα απορροής των πόλεων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο όσον αφορά τη δέσμευση ή/και την απελευθέρωση ΔΤΣ στους υδάτινους αποδέκτες. Συνεπώς η μελέτη των σύγχρονων χαλαρών ιζημάτων εντός του αστικού περιβάλλοντος της πρωτεύουσας της Ελλάδας, της Αθήνας, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής παρέχει για πρώτη φορά σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τα επίπεδα συγκέντρωσης, την κινητικότητα ΔΤΣ και τη δυνητική συνεισφορά τους στην αστική ρύπανση. Η συμβολή της έρευνας μπορεί επίσης να είναι χρήσιμη για την αξιολόγηση της μακροπρόθεσμης κατάληξης των ρύπων στο αστικό περιβάλλον.
Δείγματα αστικού ιζήματος συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν από διαφορετικά υψόμετρα εντός του λεκανοπεδίου της Αθήνας, με βάση το υδρογραφικό δίκτυο της περιοχής. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε αναγνωριστική δειγματοληψία σε συγκεκριμένες θέσεις στην ευρύτερη περιοχή των Αθηνών. Οι θέσεις γύρω από τη λίμνη ανάσχεσης όμβριων υδάτων και γύρω από την περιοχή των Λιοσίων και Αχαρνών στο Β-ΒΔ περιθώριο του λεκανοπεδίου θεωρήθηκαν αντιπροσωπευτικές του μη επιβαρυμένου ιζηματογενούς υλικού και χρησιμοποιήθηκαν για σύγκριση με θέσεις στην περιοχή του Ελαιώνα, όπου διαρρέεται από την ιστορική κοίτη του ποταμού Κηφισού και χαρακτηρίζεται από μεγάλη ανθρώπινη δραστηριότητα και ευρεία κίνηση οχημάτων καθημερινά. Στα 16 συνολικά δείγματα που συλλέχθηκαν κατά την αναγνωριστική φάση της έρευνας, υπολογίστηκαν φυσικοχημικές παράμετροι όπως μαγνητική επιδεκτικότητα (χ) και εξαρτώμενη από τη συχνότητα μαγνητική επιδεκτικότητα (%xfd), οργανικός άνθρακας (%ΤΟC), ολικές συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων και το ποσοστό εκχυλισιμότητάς τους. Τέλος, ελέγχθηκε η εποχιακή διακύμανση εκχυλίσημων συγκεντρώσεων των βαρέων μετάλλων.
Στην επόμενη φάση της έρευνας στην Αθήνα, ορίστηκαν 26 θέσεις παρατήρησης από όπου συλλέγονταν περιοδικά δείγματα επιφανειακών ιζημάτων από διαφορετικά υψόμετρα εντός της λεκάνης της Αθήνας με βάση το υδρογραφικό δίκτυο της περιοχής. Τα δείγματα της πρώτης περιόδου δειγματοληψίας αναλύθηκαν για 33 στοιχεία μετά από διαλυτοποίηση με βασιλικό ύδωρ. Προσδιορίστηκε επίσης η περιεκτικότητα των δειγμάτων σε οργανικό άνθρακα, το pH και η κατανομή του μεγέθους των κόκκων και πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας και ορυκτολογική ανάλυση με περίθλαση ακτίνων Χ σε σκόνη, προκειμένου να εντοπιστούν πιθανοί παράγοντες που εξηγούν τη μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων των στοιχείων. Οι συγκεντρώσεις ΔΤΣ στα ιζήματα που αναλύθηκαν έφτασαν τις μέγιστες τιμές των 18 mg/kg για το As, 2 mg/kg για το Cd, 14 mg/kg για το Co, 193 mg/kg για το Cr, 640 mg/kg για το Cu, 25600 mg/kg για το Fe, 112 mg/kg για το Ni, 3092 mg/kg για το Pb και 1469 mg/kg για το Zn. Οι διάμεσες τιμές των υπό μελέτη στοιχείων εκτιμήθηκαν σε 13 mg/kg για το As, 1 mg/kg για το Cd, 8 mg/kg Co, 98 mg/kg Cr, 215 mg/kg Cu, 17200 mg/kg Fe, 70 mg/kg Ni, 267 mg/kg Pb και 598 mg/kg Zn, αντίστοιχα. Η ανάλυση συστάδων στα αποτελέσματα προσδιόρισε τρεις ομάδες στοιχείων με βάση κριτήριο ομοιότητας άνω του 43,59%. Η πρώτη ομάδα περιέχει στοιχεία γεωγενούς προέλευσης, συμπεριλαμβανομένων των Co, Fe, Mn και Ni. Οι παράμετροι %TOC, της χ, του Cu και του Cr ομαδοποιούνται σε μια δεύτερη συστάδα που παρουσιάζει επίπεδο ομοιότητας άνω του 65%, ενώ μια τρίτη συστάδα ομαδοποιεί τα στοιχεία Pb, Zn και Cd και ερμηνεύεται ως ανθρωπογενής. Τέλος υπάρχει μία πρόσθετη ομάδα που περιλαμβάνει το pH, το %CLAY και το As. Τα αποτελέσματα διαδοχικής εκχύλισης επικροτούν αυτή την ομαδοποίηση καθώς τα ανθρωπογενή στοιχεία τείνουν να απελευθερώνονται στα δύο πρώτα στάδια εκχύλισης. Το Cd και ο Zn είναι τα μόνα μέταλλα που παρουσιάζουν σημαντική συσχέτιση με το ανταλλάξιμο κλάσμα, φτάνοντας το 40%, υποδηλώνοντας ότι είναι τα πιο ευαίσθητα μέταλλα σε κινητοποίηση κατά την απορροή. Επιπλέον, το Cu και το Pb συνδέονται σε μεγάλο βαθμό με το οξειδώσιμο κλάσμα. Στις περιοδικές εκχυλίσιμες συγκεντρώσεις για τον έλεγχο της εποχιακής διακύμανσης, το Cd φέρεται να είναι το μόνο που παρουσιάζει σημαντική διαφορά και μάλιστα για την περίοδο του Δεκεμβρίου.
Η διδακτορική έρευνα εξέτασε επίσης την επίδραση των αιφνίδιων πλημμυρικών φαινομένων στη σύσταση του ιζήματος απορροής χρησιμοποιώντας ως μελέτη περίπτωσης την καταστροφική πλημμύρα της Μάνδρας Αττικής τον Νοέμβριο του 2017. Οι αιφνίδιες πλημμύρες είναι ένα από τα πιο επικίνδυνα φυσικά φαινόμενα, με ένα ευρύ φάσμα σημαντικών επιπτώσεων για την ανθρώπινη και περιβαλλοντική υγεία βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα. Στις 15 Νοεμβρίου 2017, μια καταιγίδα υψηλής έντασης προκάλεσε ένα καταστροφικό συμβάν αιφνίδιας πλημμύρας στην πόλη της Μάνδρας, ένα δυτικό, εξωτερικό προάστιο της μητροπολιτικής περιοχής της Αθήνας στην Ελλάδα. Στην παρούσα μελέτη, μετρήθηκαν συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων σε υπολειμματικά ιζήματα και συναφή εδάφη μετά από διαλυτοποίηση με βασιλικό ύδωρ και αξιολογήθηκε η κατανομή των ρύπων σε γεωχημικά κλάσματα με την εφαρμογή πρωτοκόλλου διαδοχικών εκχυλίσεων. Τα γεωχημικά δεδομένα συνδυάστηκαν με μετρήσεις φυσικοχημικών παραμέτρων και ορυκτολογίας για τον εντοπισμό πιθανών παραγόντων που εξηγούν τη μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων των ιχνοστοιχείων, ενώ χρησιμοποιήθηκε όξινη εκχύλιση με αραιό νιτρικό οξύ για την παρακολούθηση των μεταβολών του χημικά ενεργού κλάσματος των ιχνοστοιχείων κατά τη διάρκεια ενός έτους μετά το πλημμυρικό γεγονός. Οι συγκεντρώσεις ΔΤΣ στο επιφανειακό πλημμυρικό ίζημα έφθασαν σε τιμές 11 mg/kg As, 1 mg/kg Cd, 24 mg/kg Co, 183 mg/kg Cr, 599mg/kg Cu, 1080 mg/kg Mn, 195 mg/kg Ni, 122 mg/kg Pb και 945 mg/kg Zn. Εφαρμογή πολυπαραμετρικής στατιστικής ανάλυσης στα αποτελέσματα ομαδοποίησε τα στοιχεία ανάλογα με τη φυσική ή την ανθρωπογενή προέλευσή τους. Τα ιχνοστοιχεία γεωγενούς προέλευσης (As, Co, Cr, Mn, Ni) κυριαρχούν στο υλικό που αποτέθηκε από τις πλημμύρες. Το σύμπλεγμα των ανθρωπογενών στοιχείων (Cd, Cu, Pb, Zn,) παρουσιάζει σημαντική συσχέτιση με το %TOC και χ, ενώ παρατηρήθηκε σημαντική εποχιακή διακύμανση για το %TOC, την περιεκτικότητα σε Cd και Mn στα ιζήματα. Tο Cd είναι το μόνο μέταλλο που παρουσιάζει σημαντική συσχέτιση με το ανταλλάξιμο κλάσμα, φτάνοντας το 40%, υποδηλώνοντας ότι είναι το πιο ευαίσθητο μέταλλο σε κινητοποίηση κατά την απορροή. Τα αποτελέσματα επιτρέπουν την καλύτερη κατανόηση της κατανομής των στοιχείων στο επιφανειακό κάλυμμα κατά τη διάρκεια και μετά από καταστροφικά γεγονότα σε αστικές περιοχές και παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη μακροπρόθεσμη έκθεση των κατοίκων. Ακόμη, στην ευρύτερη περιοχή της Μάνδρας παρατίθενται επιπρόσθετες θέσεις δειγματοληψίας που εναποτέθηκαν σωροί από φερτά υλικά μετά την πλημμύρα όπου έγινε εποχιακή παρακολούθηση χ, %xfd, %TOC, XRD και μερική διαλυτοποίηση με αραιό HNO3.
Αναφορικά με τους ΠΑΥ, η παρούσα μελέτη εξέτασε το χωρικό και εποχικό πρότυπο, τις πηγές και το σχετικό δυναμικό τοξικότητας τους για την ανθρώπινη υγεία, σε τέσσερις θέσεις δειγματοληψίας στην Αθήνα κατά τη διάρκεια ενός έτους και σε τέσσερις θέσεις δειγματοληψίας στη βιομηχανική περιοχή της πόλης της Μάνδρας κατά τη διάρκεια ενός έτους, μετά την εκδήλωση μιας αιφνίδιας πλημμύρας. Οι ολικές συγκεντρώσεις ΠΑΥ κυμάνθηκαν από 451 έως 4940 ng/g στα δείγματα της Αθήνας και από 509 έως 6144 ng/g στα δείγματα της Μάνδρας, αντίστοιχα. Οι ΠΑΥ κυριαρχούνται από ενώσεις σχετικά υψηλού μοριακού βάρους, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι διεργασίες καύσης σε υψηλές θερμοκρασίες ήταν η κυρίαρχη πηγή. Οι διαγνωστικές αναλογίες έδειξαν ότι η κύρια πηγή ΠΑΥ στα δείγματα ήταν οι πυρογενετικές διεργασίες, δηλαδή η καύση πετρελαίου, τα καυσαέρια βενζινοκίνητων οχημάτων, η καύση άνθρακα και ξύλου. Τα αποτελέσματα της εποχιακής διακύμανσης έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις ΠΑΥ δεν ακολουθούσαν συγκεκριμένο μοτίβο, με εξαίρεση ένα σημείο δειγματοληψίας στη βιομηχανική περιοχή της Μάνδρας, όπου οι συγκεντρώσεις των ΠΑΥ παρέμεναν για δύο επόμενες περιόδους δειγματοληψίας, υποδεικνύοντας έτσι την παρουσία μιας ενιαίας σημειακής πηγής ρύπανσης. Η δυνητική τοξικότητα των ΠΑΥ που υπολογίζεται με τη χρήση του δείκτη ισοδύναμης ποσότητας τοξικότητας - βενζο(α)πυρένιο (TEQBaP) έχει εκτιμώμενη μέση τιμή 71,1 ng/g στα δείγματα της Αθήνας και 135 ng/g στα δείγματα της Μάνδρας.
Tέλος, πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη αποτελεσμάτων με διεθνή δεδομένα για παρόμοια υλικά και προτείνονται μέτρα για περεταίρω παρακολούθηση και ευρύτερη στρατηγική μιας και η κλιματική αλλαγή και τα έντονα καιρικά φαινόμενα θα εντείνονται και θα επηρεάζουν όλο και περισσότερο το αστικό περιβάλλον τόσο με βραχυπρόθεσμες όσο και με μακροπρόθεσμες συνέπειες.
