Markens geofysiska och kemiska egenskapers påverkan på biotillgängligheten i antropogena jordar

Transkript

1 Markens geofysiska och kemiska egenskapers påverkan på biotillgängligheten i antropogena jordar Examensarbete, 45 hp, naturgeografi och kvartärgeologi Leo Regazzoni, WSP Sverige Nätverket Renare Mark Vårmöte 2016

2 Bakgrund och problembeskrivning Skydd av markmiljö, ofta det begränsande riktvärdet En riskbedömning utgår från att markekosystemet kan utföra de funktioner som förväntas inom ramen för den tänkta markanvändningen (Naturvårdsverket 2009) I vilken utsträckning är markmiljön påverkad av föroreningen? Låg korrelation mellan totalhalt och upptag Ofta låg korrelation mellan totalhalter och den biotillgängliga halter av ett ämne (Alexander, 2000) Befintlig metodik Befintlig metodik för bedömning av påverkan på markekosystem utgår från ett naturligt system och systematik av jordar som inte följer någon systematik.

3 Projektet och målsättning Undersöka hur markens geofysiska och kemiska egenskaper påverkar biotillgängligheten i urbana miljöer. Fokus på PAH och de metaller där skydd av markmiljö är den styrande risken för NVs generella riktvärden - Ej spridningsrisker Utvärdera befintliga metoder som är ekonomiskt, tids- och kvalitetsmässigt genomförbara. Utveckla/förbättra bedömningskriterier för riskbedömning av påverkan på markekosystem. Eventuellt rekommendera kompletterande fält- och/eller analysmetoder. Undersökningen utformad för att efterlikna ett generellt förfarande Miljökonsultens vardag

4 Metod Sammanfattning Fältprovtagning Branschmässig Laboratorieanalyser Kemisk-fysikaliska markegenskaper Biotillgänglighet - POM - Stabila isotoper Statistisk analys Pearsons korrelationsanalys Multivariat statistisk analys - PCA

5 Lokalbeskrivning och föroreningssituation Tre lokaler på gamla industritomter Dalénum, Lidingö - AGAs gamla fabriksområde Brofästet, Norra djurgårdsstaden - Gammal gasverkstomt Gasverkstomten, Visby - Gammal gasverkstomt Prov insamlades i samband med markundersökningar kopplade till befintliga projekt Generellt ett ytligt prov (0-0,3 m u my) följt av ett eller två djupare prov.

6 Laboratorieanalyser Fysiska och kemiska markegenskaper Kornstorleksfördelning Siktanalys Hydrometeranalys - Mäter densitet av en vätska Vattenhalt (WC) Torkning, 12 h i 105 C Organiskt kol (OC) ph Glödförlust, 550 C i 2 h Siktanalys Hydrometeranalys 1:5 jord:0,01 M CaCl 2 Katjonbytarkapacitet (ecec) Beräknades enl. Helling et al (1964) ecec = ,4 ph %clay ph %OC 100 ph-mätning

7 Metod för biotillgänglighet - PAH POM Polyoxymetylen-film 1 - Jordprov + 0,001 M CaCl 2 & 0,015 M NaN 3 lösning + POM - Skaka 28 dygn (jämvikt porvatten och POM) - C POM / K POM = C pw = biotillgängliga fraktionen (µg/l) (Arp et al, 2014) Uppmätta halter räknades om till procentuell biotillgänglig fraktion %Biotillgänglig fraktion = (c POM/W) PAH tot - C POM = den från POM-filmen extraherade mängden (mg) - W = provet vikt (kg TS) - PAH tot = Halt PAH enligt totalhaltsanalys (mg kg -1 TS) IBRACS, 2015; Hawthorne et al, 2011

8 Metod för biotillgänglighet - Metaller Stable isotope dilution method (SID) Stabila isotoper av känd koncentration tillsätts ett prov och får komma i jämvikt med porvattnet. (1) (2) (3) Extraheras och mäts med ICP-MS och räknas om till andelen utbytbara isotoper, E v (mg kg -1 TS). Uppmätta halter räknades om till procentuell biotillgänglig fraktion %E v = E v M tot - %E v = procentuell biotillgänglighet - E v = andelen utbytbara isotoper (mg kg -1 TS) - M tot = Halt av metallen enl. totalhaltsanalysen SID-resultat kan användas för framtagande av platsspecifika riktvärden, så kallade PNEC. Olika steg i SID extraktionen: Prov med känd totalhalt metall (1) får komma i jämvikt med 0,01 M Ca(NO 3 ) 2 -lösning (2) varpå en spiklösning med känd halt stabila isotoper tillsätts och får komma i jämvikt (3). Omarbetad bild från IBRACS (2015)

9 Resultat - Totalhalter Höga halter i Visbyprover För höga halter PAH-L för att arbeta med, föll bort. För låga halter kadmium Stor osäkerhet vid användning av SID pga. detektionsgränsen, lyftes ur utvärderingen. Flertalet prover >KM MKM men färre än väntat Känsligare för heterogenitet vid låga halter. Metaller (mg kg -1 TS) 1 90-percentilen, Naturvårdsverket, rapport PAH (mg kg -1 TS) Prov Pb Cd Cu Ni Zn PAH-L PAH-M PAH-H PAH- 16 AB , <0.03 0,86 0,96 1,82 AB < ,8 66 <0.03 0,12 0,15 0,27 AB , <0.03 <0.05 < AD , , ,5 AD , <0.03 <0.05 < AF , , , ,41 AF , , ,4 BRO < ,7 52 0,19 0,74 1,6 2,53 BRO < ,19 1,2 2,5 3,89 BRO < ,12 2,8 4,8 7,72 BRO < ,47 1,5 2,1 4,07 BRO < ,15 1,1 2,9 4,15 BRO , ,53 5,8 8,1 14,43 BRO , <0.03 0,49 0,91 1,40 BRO , , ,81 BRO < ,38 1,5 2,3 4,18 BRO < ,21 1,7 1,5 3,41 BRO , ,21 1,8 2 4,01 15W , W , , Naturvårdsverkets riktvärden för skydd av markmiljö KM ,5 - MKM Bakgrundshalter i mark 1 SGU 18 0, NV 24 0, ,08 3,1 5,21

10 Resultat - Fysiska och kemiska markegenskaper Kornstorleksfördelning Generellt övervägande sand och grus (över 50 %, ) Lerhalt 0,5 5,5 % Organiskt kol ph Generellt lågt innehåll (ca 1 5 %) Tre prov över 40 % Neutrala till svagt basiska jordar (ph 6,9 8,1) Tre prov med tydligt lägre ph (ph 4,2 6,1) Sten Grus Sand Silt Ler WC OC ph ecec (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (cmolc kg -1 TS) AB12.1 0,0 14,0 64,2 19,8 2,0 11,0 2,5 7,2 8,9 AB12.2 0,0 12,0 63,2 22,2 2,5 8,8 1,3 7,2 5,4 AB12.3 0,0 0,0 26,2 25,6 47,0 34,8 4,1 6,9 43,7 AD20.1 9,2 27,9 57,1 4,8 1,0 4,8 2,3 7,5 8,1 AD20.2 0,0 0,0 15,3 45,1 39,5 24,7 3,6 7,0 34,7 AF ,3 14,1 50,4 15,8 5,5 13,7 4,5 6,9 16,3 AF09.2 4,0 22,3 44,4 27,0 2,5 38,7 8,1 7,4 27,5 BRO1.1 23,0 31,3 40,2 4,6 0,5 5,0 2,4 7,5 8,2 BRO1.2 21,0 35,8 36,5 5,5 1,0 4,6 5,1 7,4 17,0 BRO2.1 18,9 39,4 36,3 4,8 0,5 5,4 2,5 7,5 8,3 BRO2.2 30,0 23,8 38,6 6,9 0,5 6,1 8,2 7,5 27,0 BRO3.1 25,6 34,8 33,4 5,4 0,5 3,8 2,6 7,6 9,2 BRO3.2 28,6 20,3 40,9 8,0 2,0 8,2 10,2 8,1 37,0 BRO3.3 10,4 30,4 47,2 7,3 4,5 21,3 4,5 7,7 17,9 BRO4.1 20,3 14,3 50,2 11,4 3,5 12,5 6,8 7,3 23,5 BRO5.1 25,4 19,7 46,6 6,4 2,0 14,1 60,0 6,1 151,6 BRO5.2 37,9 26,7 30,6 4,2 1,0 21,3 40,5 5,7 94,0 BRO6.1 21,8 29,8 41,5 6,0 1,5 22,5 43,2 4,2 67,8 Fraktion Millimeter Ler 0-0,002 Silt 0,002-0,74 Sand 0,074-2 Grus 2-16 Sten > 16

11 Resultat Procentuell Biotillgänglighet Uteslutande låg biotillgänglig andel av PAH <0,1 ca 6 % av totalhalten för PAH-16 Mer varierat resultat för metaller 2,8 21 % av totalhalten för Ni (en outlier på 114 %) 2,1 93,2 % för Zn Cu har flertalet värden i närheten eller över 100 % 11 av 18 värden för Pb är över eller mycket över 100 % För hög koncentration i spiklösningen - Utfällning? - Heterogenitet?

12 Korrelationsanalys PAH visar negativ korrelation med OC (r = -0,71-0,90) och ecec (r = -0,71-0,89) Metallernas biotillgänglighet visar på svag eller ingen korrelation med de geofysiska markparametrarna Påverkan av fler eller andra faktorer än de uppmätta markegenskaperna - Ca-rika jordar? Korrelationskoefficient Ler vs PAH-L WC vs PAH-L OC vs PAH-L ph vs PAH-L ecec vs PAH-L -0,03-0,30-0,77 0,45-0,78 Ler vs PAH-M WC vs PAH-M OC vs PAH-M ph vs PAH-M ecec vs PAH-M -0,07-0,33-0,71 0,43-0,71 Ler vs PAH-H WC vs PAH-H OC vs PAH-H ph vs PAH-H ecec vs PAH-H -0,17-0,54-0,90 0,66-0,89 Ler vs PAH-16 WC vs PAH-16 OC vs PAH-16 ph vs PAH-16 ecec vs PAH-16-0,15-0,55-0,90 0,69-0,89 Korrelationskoefficient Lera vs Ni WC vs Ni OC vs Ni ph vs Ni ecec vs Ni -0,21-0,16-0,01-0,03-0,21 Lera vs Cu WC vs Cu OC vs Cu ph vs Cu ecec vs Cu 0,38 0,15-0,26 0,44-0,05 Lera vs Zn WC vs Zn OC vs Zn ph vs Zn ecec vs Zn -0,30-0,54-0,21 0,23-0,37

13 PC2 Multivariat statistisk analys - PCA Förklaringsgrad för PC1 och PC2 = 71 % Resultat i linje med korrelationsanalys Ingen av metallerna visar på något starkt samband med någon markparameter OC ecec ph PAH-H PAH-M Negativt samband för PAH och OC/eCEC Flera prover med liknande beskaffenhet Några prover med liknande beskaffenhet (gröna ringen) AB12.1 = 1 AD20.1 = 2 AF09.1 = 3 AF09.2 = 4 BRO1.1 = 5 BRO1.2 = 6 BRO2.1 = 7 BRO2.2 = 8 BRO3.1 = 9 BRO3.2 = 10 BRO3.3 = 11 BRO4.1 = 12 BRO5.1 = 13 BRO5.2 = 14 BRO6.1 = 15 WC Lera N i Cu Zn PAH-L PC1

14 Diskussion, slutsatser och erfarenheter Projekt och målsättning Utvärdera befintliga metoder som är ekonomiskt, tids- och kvalitetsmässigt genomförbara. - POM-metoden redo att användas Väl validerad Inte enbart för riktvärde skydd av markmiljö utan även hälsorisker inandning ånga Kunskapen och verktygen finns - SID behöver testas mer för fler metaller innan en eventuell regelbunden användning Smalare användningsområde än POM Bättre än laktest?

15 Diskussion, slutsatser och erfarenheter Projekt och målsättning Utveckla/förbättra bedömningskriterier för riskbedömning av påverkan på markekosystem. - Utökat dataunderlag Stärkt POM-metoden Osäkerheter kring SID Eventuellt rekommendera kompletterande fält- och/eller analysmetoder - Undersökning av ett förorenat områdes markegenskaper kan ge ett bättre underlag om föroreningars biotillgänglighet

16 För framtiden Undersöka hur biotillgängligheten för metaller ändras med djup under markytan Tydlig skillnad för metaller mellan ytliga och djupa jordar i denna undersökning Utvärdera metoderna i kombination med ekologiska och ekotoxikologiska testmetoder. TRIAD Andra lämpligare metoder för att mäta metallers biotillgänglighet? Ribé et al 2011

17 Frågor Mail: Tel:

18 Referenser Alexander M., 2000: Aging, bioavailability, and overestimation of risk from environmental pollutants. Environmental science and technology, vol. 34, nr. 20, s Arp H-P. H., Lunsted S., Josefsson S., Cornelissen G., Enell A., Allard A-S., Berggren Kleja D., 2014: Native Oxy-PAHs, N-PACs and PAHs in historically contaminated Soils from Sweden, Belgium and France: Their soil-porewater partitioning behavior, bioaccumulation in Enchytraeus crypticus and bioavailability. Environmental science & technology, nr. 48, s IBRACS, 2015: Integrating bioavailability in risk assessment of contaminated soils: opportunities and feasibilities. Final research report, Hawthorne S. B, Jonker M. T. O, van der Heijden S. A, Grabanski C. B, Azzolina N. A, Miller D. J., 2011: Measuring picogram per litre concentrations of freely dissolved parent and alkyl PAHs (PAH-34), using passive sampling with polyoxymethylene. Analytical chemistry, nr. 83, s Helling C. S., Chester H. G. och Corey R. B., 1964: Contribution of organic matter and clay to soil cationexchange capacity as affected by the ph of the saturating solution. Soil science society of America proceedings, vol. 28, s Naturvårdsverket,1997: Bakgrundshalter i mark - Halter av vissa metaller och organiska ämnen i jord i tätort och på landsbygd. Rapport 4640 Naturvårdsverket, 2009: Riskbedömning av förorenade områden - En vägledning från förenklad till fördjupad riskbedömning. Rapport 5977