Η Κινητικότητα του Χαλκού και του Κοβαλτίου σε Μεταλλικά Οικοσυστήματα

Όπως εξήγησα στο προηγούμενο άρθρο μου σχετικά με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της αυξανόμενης ζήτησης για κοβάλτιο (Co), στη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό (ΛΔΚ) γίνεται εκμετάλλευση των ορυκτών πόρων για χιλιάδες χρόνια. Μια τέτοια εκμετάλλευση οδηγεί σε εγκαταλελειμμένα μεταλλουργικά απόβλητα ορυχείων με υψηλές συγκεντρώσεις μετάλλων. Έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη μόλυνση των γύρω οικοσυστημάτων.

Για την αποφυγή περαιτέρω μόλυνσης και ζητημάτων υγείας, έχει διεξαχθεί έρευνα φυτοσταθεροποίησης σε φυσικά οικοσυστήματα ορισμένων χάλκινων (Cu) λόφων για την αξιολόγηση της κινητικότητας Cu και Co κινητικότητας σε συστήματα εδάφους-φυτών.

Τα μεταλλοφόρα εδάφη από γεωλογικές ανωμαλίες προκύπτουν από τη διάβρωση πετρωμάτων που είναι φυσικά πλούσια σε μέταλλα (π.χ. Cu και Co στην περίπτωσή μας — προσέξτε να μην τα θεωρήσετε βαρέα μέταλλα*). Η κατανομή του Cu και του Co στο τοπίο καθοδηγείται από διάφορες διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της διάβρωσης και των κάθετων μεταφορών στα εδάφη. Η εξέλιξη του πετρώματος σε έδαφος εξαρτάται από δύο κύριες διεργασίες, δηλαδή τη διάβρωση (φυσική και χημική αλλοίωση) του μητρικού υλικού και το σχηματισμό του ίδιου του εδάφους.

Η σταθερότητα των ορυκτών και οι φυσικοχημικές ιδιότητες των μετάλλων καθορίζουν την κινητικότητά τους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάβρωσης. Σύμφωνα με τις συνθήκες του εδάφους (δηλαδή, pH, περιεκτικότητα σε οργανική ύλη, συγκεντρώσεις μετάλλων, συνθήκη οξειδοαναγωγής), το Cu και το Co που απελευθερώνονται από τα μητρικά υλικά κατανέμονται σε διαφορετικές φάσεις του εδάφους (στερεό, κολλοειδές και διαλυτό). Η κινητικότητα του χαλκού και της συναλλαγής εξαρτάται επίσης από τις φυσικοχημικές ιδιότητες των διαφορετικών φάσεων του εδάφους. Η κατανομή των μετάλλων στο έδαφος επηρεάζεται από το pH, τον συνολικό οργανικό άνθρακα, τη συνολική συγκέντρωση μετάλλων, τα οξυϋδροξείδια του σιδήρου και του μαγγανίου. Αυτές οι ιδιότητες και τα συστατικά του εδάφους μπορούν να ελέγξουν την κινητικότητα και την ειδογένεση των χημικών στοιχείων στο εδαφικό σύστημα. Ανθρακικά, φωσφορικά, οξυϋδροξείδια σιδήρου/μαγγανίου και οργανικός άνθρακας είναι μερικά από τα συστατικά του εδάφους που δρουν στη συγκράτηση και την απελευθέρωση μετάλλων στα εδάφη.

Τα κοιτάσματα μεταλλεύματος χαλκού και συναλλαγματικού άνθρακα είναι διάσπαρτα στα νότια της επαρχίας Katanga στη ΛΔΚ. Θραύσματα μεταλλικών πετρωμάτων βρίσκονται συνήθως στις κορυφές των λόφων και οι καιρικές συνθήκες παράγουν διάφορα υλικά πλούσια σε Cu και Co που μολύνουν το επιφανειακό έδαφος κατάντη προς την πλαγιά. Η μεταφορά μετάλλων σε αυτά τα συστήματα λαμβάνει χώρα είτε σε σωματιδιακή, κολλοειδή ή διαλυτή μορφή. Η κατανομή της βλάστησης επηρεάζεται από τη συγκέντρωση βιοδιαθέσιμων μορφών Cu και Co και από χημικούς παράγοντες που τις επηρεάζουν.

Η ποικιλότητα των χημικών κλασμάτων Cu και Co στο έδαφος επηρεάζει την ποικιλότητα των φυτικών ειδών αυξάνοντας ή μειώνοντας τη βιοδιαθεσιμότητα Cu και Co. Η συμβολή του πετρώματος στην επιφανειακή μόλυνση (φυσική ή ανθρωπογενής) στα οικοσυστήματα προκύπτει από την επαφή μεταξύ ενός μη μολυσμένου υποστρώματος και ορυκτών πλούσιων σε Cu-Co και την επακόλουθη εξέλιξη κάτω από τις φυσικοχημικές συνθήκες του προσβεβλημένου υποστρώματος. Ανάλογα με την κινητικότητα και τη βιοδιαθεσιμότητά τους, το Cu και το Co μπορούν να μεταφερθούν στο έδαφος, στο νερό, στα φυτά και, ως εκ τούτου, στην τροφική αλυσίδα.

Τα μη μεταλλοφόρα εδάφη σε αυτό το τμήμα της Katanga χαρακτηρίζονται από το δάσος γνωστό ως Miombo. Εκτίθενται σε φυσικές πηγές μόλυνσης και ανθρωπογενείς πηγές μόλυνσης που σχετίζονται με εξορυκτικές δραστηριότητες. Σε αυτή την περίπτωση, η μόλυνση μπορεί να επηρεάσει τα επιφανειακά στρώματα πλούσια σε οργανική ύλη (OM) ή τα βαθύτερα στρώματα που είναι φτωχά σε OM. Η διάβρωση των ορυκτών πλούσιων σε Cu και Co, σε επαφή με το έδαφος αυτών των δύο στρωμάτων, ενδέχεται να απελευθερώσει τα χημικά τους στοιχεία, τα οποία θα ανακατανεμηθούν στις διάφορες φάσεις του εδάφους. Αυτό το σενάριο είναι χαρακτηριστικό για τη μεταφορά στοιχείων από τα μητρικά τους υλικά στο έδαφος λόγω της αποθήκευσης απορριμμάτων απορριμμάτων (π.χ. απόβλητα από εξόρυξη) αλλά και λόγω της πραγματικής κατωφέρειας των εκροών πετρωμάτων πλούσιων σε Cu και Co. οικοσυστήματα χάλκινων λόφων.

Ο στόχος της μελέτης μας ήταν να προχωρήσουμε περαιτέρω στην κατανόηση (i) της αντίδρασης μεταξύ υλικών και εδαφών πλούσια σε Cu και Co και (ii) των διεργασιών που επηρεάζουν την κινητικότητα του Cu και του Co στα φυσικά οικοσυστήματα. Ειδικοί στόχοι ήταν (i) η αξιολόγηση της πιθανής συμβολής των πετρωμάτων πλούσια σε Cu και Co στη μόλυνση του εδάφους και (ii) η αξιολόγηση της κινητικότητας του Cu και του Co που απελευθερώνεται στο εδαφικό διάλυμα σύμφωνα με τις ιδιότητες των εδαφών.

Πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα με λυσίμετρο στο οποίο ένα δασικό έδαφος (δάσος Miombo) είχε τεχνητά καρφιά με θραύσματα βράχου από φυσικούς λόφους Cu και Co από το Tenke-Fungurume (DRC). Η περιεκτικότητα σε Cu και Co του διηθούμενου νερού αναλύθηκε σε επαναλαμβανόμενα χρονικά διαστήματα και η επίδραση του πετρώματος στις ιδιότητες του εδάφους αξιολογήθηκε στο τέλος του πειράματος.

Πέντε πετρώματα έγιναν δειγματοληψίες σε έναν χάλκινο λόφο (Εικόνα 1). Σε φυσικές συνθήκες, αυτά τα θραύσματα βράχου που βρίσκονται στην κορυφή του λόφου αναμειγνύονται στον επιφανειακό εδαφικό ορίζοντα κατά μήκος της πλαγιάς μέσω κολλουβιακών διεργασιών. Η περιεκτικότητα σε Cu και Co στα πετρώματα κυμαίνεται αντίστοιχα μεταξύ 470 mg/kg (πυριτικό πέτρωμα) και 140.000 mg/kg (σχιστόλιθος) και μεταξύ 450 mg/kg (δολοστόνη) και 5300 mg/kg (σχιστόλιθος).

Θραύσματα βράχου αναμίχθηκαν με δύο ορίζοντες (ημι-οργανικό Α με 2,7% ολικό οργανικό άνθρακα (TOC) και ορυκτό Β με 0,3% TOC) μιας όξινης (ρΗ νερό<4,5) ακρισόλης κάτω από το δάσος. Το μίγμα τοποθετήθηκε σε 1 λίτρο λυσίμετρων και αφέθηκε σε συνθήκες Lubumbashi ex-situ κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχών. Το νερό διήθησης συλλέχθηκε για έξι περιόδους στη συνέχεια και αναλύθηκαν τα περιεχόμενα Cu και Co. Στο τέλος του πειράματος, το χώμα από το λυσίμετρο αφαιρέθηκε για pH, TOC, διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά και ιχνοστοιχεία, CaCl₂ -εξαγώγιμη ανάλυση Cu και Co.

Μεγάλες διαφορές παρατηρήθηκαν μεταξύ των εκλύσεων Cu και Co στα διαλύματα διήθησης ανάλογα με τη φύση των πετρωμάτων. Οι ποσότητες που απελευθερώθηκαν συσχετίστηκαν με τις συγκεντρώσεις πετρωμάτων που δεν έχουν ξεπεραστεί. Διαφορές βρέθηκαν επίσης μεταξύ των οριζόντων Α και Β. Οι ιδιότητες του εδάφους επηρεάζουν έτσι την αντίδραση με τα πετρώματα. Οι κύριες διαφορές μεταξύ των δύο οριζόντων είναι η περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα, η κατιονική ικανότητα ανταλλαγής και η περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά, τα οποία είναι υψηλότερα στον ορίζοντα Α. Ωστόσο, το pH του ορίζοντα Α είναι όξινο σε σύγκριση με τον ορίζοντα Β.

Βρέθηκαν σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ του εκχυλίσιμου Cu και Co με τις συγκεντρώσεις του διαλύματος έκπλυσης τους. Κατά συνέπεια, τα διαλυτά Cu και Co εκχυλίζονται με CaCl₂ μπορούν να θεωρηθούν ως εργαλεία πρόβλεψης κινδύνου κάθετης μεταφοράς Cu και Co στο έδαφος.

Δύο επιπλέον πειράματα διεξήχθησαν σε εργαστηριακές συνθήκες για να χαρακτηριστεί η επίδραση των ιδιοτήτων του εδάφους, κυρίως του pH και της συνολικής οργανικής περιεκτικότητας, στη διαλυτότητα των μετάλλων και στη ρόφηση σε στερεές φάσεις. Συνολικά, η ορυκτολογία ελέγχει την παροχή στοιχείων, το pH ελέγχει τη διαλυτότητά τους (Εικόνα 2) και η οργανική ύλη ελέγχει την κινητικότητά τους.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται περαιτέρω στο άρθρο με τίτλο Mobility of copper and cobalt in metalliferous ecosystems:Results of a lysimeter study in the Lubumbashi Region (Δημοκρατική Δημοκρατία του Κονγκό), που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Geochemical Exploration . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Donato Kaya Muyumba από το Πανεπιστήμιο της Λιέγης και το Université de Lubumbashi, Olivier Pourret και Jessica Bonhoure από UniLaSalle, Amandine Liénard, Grégory Mahy και Gilles the Université Michele και Gilles the Universe Micheleit .

[τύπος διαχωρισμού=”λεπτό”]

*Νωρίτερα φέτος, με τον συνάδελφό μου Jean-Claude Bollinger, αμφισβητήσαμε τη χρήση του όρου "heavy metal" και, πιο πρόσφατα, πρότεινα να αποκλειστεί αυτός ο όρος από την επιστημονική βιβλιογραφία. Γιατί;

Το 1980, οι Nieboer και Richardson πρότειναν την αντικατάσταση αυτού του μη περιγραφικού όρου με μια βιολογικά και χημικά σημαντική ταξινόμηση. Επιπλέον, σύμφωνα με την IUPAC, ο όρος «βαρύ μέταλλο» θεωρείται στην καλύτερη περίπτωση ανακριβής και στη χειρότερη ανούσιος και παραπλανητικός. Η χρήση αυτού του όρου αποθαρρύνεται έντονα, ειδικά επειδή δεν υπάρχει τυποποιημένος ορισμός αυτού του όρου.

Ο όρος «βαρύ μέταλλο» βασίζεται στην κατηγοριοποίηση ανά πυκνότητα ή μοριακή μάζα (ο ψευδάργυρος ή ο χαλκός έχουν σχετικά χαμηλή πυκνότητα και μοριακή μάζα σε σύγκριση με τις λανθανίδες και τις ακτινίδες). Συχνά χρησιμοποιείται ως όνομα ομάδας για μέταλλα και μεταλλοειδή (δηλαδή, αρσενικό) που σχετίζονται με μόλυνση και πιθανή τοξικότητα. Ο κατάλογος "βαρέων μετάλλων" δεν είναι σαφώς καθορισμένος και συχνά αναμιγνύει μέταλλα και μεταλλοειδή χωρίς σαφή ορισμό.

Τελικά, η υποτιμητική σημασία του «βαρύ» που σχετίζεται με την τοξικότητα του μετάλλου έχει δημιουργήσει έναν φόβο στην κοινωνία μας. Όλα τα λεγόμενα «βαρέα μέταλλα» και οι ενώσεις τους μπορεί να έχουν σχετικά υψηλή τοξικότητα. Η ανθρώπινη έκθεση στον μόλυβδο με την προσθήκη τετρααιθυλομόλυβδου στη βενζίνη ή στη βαφή μολύβδου είναι καλά τεκμηριωμένη. Ωστόσο, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος δεν αποτελούν άμεση απειλή για τον άνθρωπο, αλλά μπορεί να δημιουργήσουν επικίνδυνα απόβλητα για το περιβάλλον.

Ωστόσο, τα μέταλλα δεν είναι πάντα τοξικά και ορισμένα είναι, στην πραγματικότητα, απαραίτητα:ανάλογα με τη δόση και τα επίπεδα έκθεσης και τον οργανισμό/πληθυσμό υποδοχής, ένα μέταλλο μπορεί να είναι απαραίτητο ή τοξικό. Γνωστό για τη χρήση του στο νόμισμα των πέντε λεπτών των ΗΠΑ, το νικέλιο είναι ένα από τα πιο ευέλικτα μέταλλα που βρέθηκαν στη Γη. Το νικέλιο είναι απαραίτητο για τη ζωή (σε ορισμένες πρωτεΐνες) και η έλλειψή του συνοδεύεται από ιστολογικές και βιοχημικές αλλαγές και μειωμένη απορρόφηση σιδήρου και μπορεί να οδηγήσει σε αναιμία.

Για να είμαστε συνεπείς, οι ερευνητές θα πρέπει να χρησιμοποιούν μόνο καλά αποδεκτούς ορισμούς. Στην περίπτωση του «βαρέως μέταλλου», αυτός ο όρος θα πρέπει να αντικατασταθεί με «μέταλλο», «μεταλλοειδές» ή «ίχνος μετάλλου». Ο καλύτερος τρόπος για να περιγράψετε τα στοιχεία που μελετήθηκαν είναι να τα ονομάσετε με σαφήνεια ή να τα θεωρήσετε ως ομάδα στοιχείων (μέταλλα ή μεταλλοειδή).

Αναφορές:

1. Pourret, O. &Bollinger, J.-C. «Heavy metal» – Τι να κάνετε τώρα:Να χρησιμοποιήσετε ή να μην χρησιμοποιήσετε; Sci. Συνολικό περιβάλλον. 610 , 419-420, doi :10.1016/j.scitotenv.2017.08.043 (2018).
2. Pourret, O. On the Necessity of Banning the Term "Heavy Metal" από την Επιστημονική Βιβλιογραφία. Αειφορία 10 , 2879, doi:10.3390/su10082879 (2018).