Heavy metal contamination of sediments from recreational reservoirs of urban areas and its environmental risk assessment

• Autorzy: Zemełka G. , Szalińska E.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.1.10

Warianty tytułu

PL

Metale ciężkie w osadach dennych zbiorników rekreacyjnych na terenach zurbanizowanych i ocena ryzyka środowiskowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Water reservoirs play important role in human environment, especially as a part of ecological networks in urban areas. Due to such localization they are subjected to the effects of the anthropogenic activities, introducing broad range of contaminants (e.g. heavy metals) through various pathways. The main aim of this study was to estimate heavy metal (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) contamination level in sediments of eight reservoirs in the Cracow urban area (Bagry, Nowohucki, Plaszowski, Dabski, Przylasek Rusiecki, Tyniec, Zakrzowek, and Zeslawice Reservoirs), and assess its potential environmental risk with use of various criteria (Igeo - geo-accumulation index, CF - contamination factor, PLI - pollution load index, TEC/PEC - threshold effect concentration/probable effect concentration). Furthermore, the role of reservoir catchment for sediment contamination (agricultural, industrial, and urbanized) was studied. Also, levels of metal contamination were compared with other recreational reservoirs in Poland (Jeziorsko, Barycz Dzierzno Duze, Pogoria III, Rusalka, and Sloneczne Reservoirs). The study revealed considerable variation in the chemical composition of bottom sediments, evidently depended on their localization. Results showed that the sediments of the Cracow area reservoirs and from the other urbanized catchments were moderately contaminated. Reservoirs from industrial catchments had a considerably higher content level, while water bodies localized in agricultural areas displayed low content of heavy metals. According to Igeo and CF sediments of Cracow area reservoirs were mostly Cd contaminated. However, Cd contents were relatively high in urban (Sloneczne) and industrial areas (Dzierzno Duze). The same situation was found in PEC values exceedances. In other cases, investigated heavy metals were mostly between the TEC and PEC values, which indicate moderate contamination of the sediments and moderate impact on biota. Therefore, further research and monitoring of sediments quality should be maintained in future seasons due to the use of water reservoirs throughout the year for recreational purposes.

PL

Zbiorniki wodne pełnią ważną rolę w środowisku człowieka, zwłaszcza na obszarach miejskich, gdzie nie tylko dobrze wyglądają, ale również zapewniają korzyści zdrowotne oraz pełnią funkcję zbiorników lub ostoi dla różnorodności biologicznej. Ze względu na ich usytuowanie na obszarach miejskich zbiorniki te narażone są na działania antropogeniczne z różnych działań, które wprowadzają zanieczyszczenia (np. metale ciężkie). Głównym celem badań było oszacowanie poziomu zanieczyszczenia metali ciężkich (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) w osadach dennych ośmiu zbiorników zlokalizowanych na terenie Krakowa (Bagry, Nowohucki, Płaszowski, Dąbski, Przylasek Rusiecki, Tyniec, Zakrzówek, Zesławice) oraz oszacowanie potencjalnego zagrożenia dla środowiska przy zastosowaniu różnych kryteriów (Igeo - indeks geoakumulacyjny, CF - współczynnik zanieczyszczenia, PLI - wskaźnik ładunku zanieczyszczenia, TEC/PEC - wartość progowa/wartość prawdopodobna). Ponadto wzięto pod uwagę charakter zlewni badanych zbiorników (rolniczy, przemysłowy i zurbanizowany) w zanieczyszczeniu osadów dennych oraz porównano poziomy zanieczyszczenia metali ciężkich z innymi zbiornikami rekreacyjnymi w Polsce (Jeziorsko, Barycz, Dzierżno Duże, Pogoria III, Rusałka i Słoneczne). Badania wykazały znaczne różnice w składzie chemicznym osadów dennych, co zdecydowanie zależało od lokalizacji zbiorników. Osady denne w zbiornikach na terenie Krakowa i w zlewni zurbanizowanej były umiarkowanie zanieczyszczone. Zbiorniki ze zlewni przemysłowych miały znacznie wyższą zawartość metali ciężkich, podczas gdy zbiorniki zlokalizowane na obszarach rolnych charakteryzowały się niskimi zawartościami. Zgodnie z indeksem Igeo i CF, osady denne zbiorników wodnych w Krakowie były głównie zanieczyszczone kadmem. Stosunkowo wysokie stężenia tego metalu zaobserwowano również na obszarach miejskich (Słoneczne) oraz przemysłowych (Dzierzno Duże). Podobną sytuację stwierdzono przy przekroczeniach wartości wskaźnika PEC. Jednakże w przypadku większości zbiorników poziomy metali ciężkich w osadach dennych znajdowały się pomiędzy wartościami TEC i PEC, co sugeruje umiarkowane zanieczyszczenie. W związku z tym należy prowadzić dalsze badania oraz stale monitorować jakość osadów dennych zbiorników, zwłaszcza że są one wykorzystywane w celach rekreacyjnych przez cały rok.

Słowa kluczowe

EN

heavy metals; recreational reservoirs; Cracow area; urban catchment

PL

metale ciężkie; zbiornik rekreacyjny; Kraków; miejskie zlewnie

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 1
• Strony: 131--145
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz.

Twórcy

autor

Zemełka G.

• Cracow University of Technology, Faculty of Environmental Engineering, Institute of Water Supply and Environmental Protection, ul. Warszawska 24, 31-155 Cracow, Poland

autor

Szalińska E.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environment Protection, Department of Environment Protection, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Cracow, Poland

Bibliografia

• [1] Ignatieva M., Stewart G.H., Meurk C., Planning and design of ecological networks in urban areas, Landscape Ecological Engineering 2011, 7, 17-25.
• [2] Loska K., Wiechuła D., Cebula J., Changes in the forms of metal occurrence in bottom sediment under conditions of artificial hypolimnetic aeration of Rybnik Reservoir, Southern Poland, Polish Journal of Environmental Studies 2000, 9, 6, 523-530.
• [3] Urbaniak M., Zieliński M., Wesołowski W., Zalewski M., PCB and heavy metal contamination in bottom sediments from three reservoirs of different catchment characteristics, Polish Journal of Environmental Studies 2008, 17, 6, 941-949.
• [4] Förstner U., Wittmann G.T.W., Metal Pollution in the Aquatic Environment, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1983.
• [5] Niedźwiecki E., Wojcieszczuk T., Poleszczuk G., Meller E., Malinowski R., Sammel A., Chemical composition of bottom sediments in water reservoirs „Rusałka” and „Słoneczne” located within the area of Szczecin municipality and the possibilities of their utilization, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 2007, 520, 353-362 (in Polish).
• [6] Rzetala M., Rahmonov O., Malik I., Oleś W., Pytel S., Study on use of artificial water reservoirs in Silesian upland (southern Poland) as element of cultural landscape, Ekológia (Bratislava) 2006, 25, 1, 212-220.
• [7] Rzymski P., Klimaszyk P., Niedzielski P., Poniedziałek B., Metal accumulation in sediments and biota in Malta Reservoir (Poland), Limnological Review 2013, 13, 3, 163-169.
• [8] Rutkowski J., Vistula River Valley in the Cracow Gate during the Holocene, In: Evolution of the Vistula River Valley durig the last 15 000 years, part II, Geographical Studies, Poland, 1987, 31-50.
• [9] Ciszewski D., Posiask-Karteczka J., Żelazny M., Heavy metals in bottom sediments of artificial water reservoirs in the Cracow area, Polish Journal of Environmental Studies 1998, 7, 2, 1-73.
• [10] Zemelka G., Water quality in recreational reservoirs in the Cracow area, Technical Transactions Environment Engineering 2015, 18, 1-Ś, 157-165.
• [11] Kostecki M., Allocation and transformations of selected pollutants in dam reservoirs of the hydro-junction of the Kłodnica and Gliwice canal, IPIŚ-PAN 2003, 57, 124 (in Polish).
• [12] Kostecki M., Smyłła A., Starczewska A., Sanitary assessment of water reservoir Dzierżno Duże, Archiwum Ochrony Środowiska 2000, 26, 4, 57-73 (in Polish).
• [13] Pietrzyk-Sokulska E., Water reservoirs in post-mining quarries - new component of city’s landscape attractiveness, Prace Komisji Krajobrazu Kulturowego Nr 14, Komisja Krajobrazu Kulturowego PTG 2010, 264-272 (in Polish).
• [14] Dzieszyński R., Franczyk J., The Encyclopedia of the Nowa Huta area, Encyklopedia Nowej Huty, Towarzystwo Słowaków w Polsce, Kraków 2006 (in Polish).
• [15] Pociask-Karteczka J., Changes of water relations in the Krakow area, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Jagiellońskiego MCXLIV, Prace Geograficzne 1994, 96, 1-38 (in Polish).
• [16] Michalec B., Pęczek K., Determination of silting degree of water reservoirs at Zesławice, Scientific Review Engineering and Environmental Sciences 2008, 2, 40, 178-184 (in Polish).
• [17] ISO 1995. Soil quality - Extraction of trace elements soluble in aqua regia, International Organization for Standarization, Geneva.
• [18] ISO 1988. Soil quality - Determination of cadmium, chromium, cobalt, copper, lead, manganese, nickel and zinc - Flame and electrothermal atomic absorption spectrometric methods, International Organization for Standarization, Geneva.
• [19] Miśkowiec P., Łaptaś A., Zięba K., Soil pollution with heavy metals in industrial and agricultural areas: a case study of Olkusz District, Journal of Elementology 2015, 20, 2, 353-362.
• [20] Zemelka G., Water reservoirs in the Cracow area - are they suitable for recreation? I Kongres Młodych Ludzi Nauki - wizja, nauka, postęp - publikacje pokonferencyjne, Kraków 22.06.2015, 120-124.
• [21] Zemelka G., Heavy metal contamination in sediments from different recreational reservoir catchments in Poland, 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference & Expo SGEM 2016, Conference Proceedings, Water Resources, Forest, Marine and Ocean Ecosystems, Hydrology & Water Resources 2016, 1, 375-381.
• [22] Rzętała M., Jaguś A., Rzętała M.A., Rahmonov O., Rahmonov M., Khak V., Variations in the chemical composition of bottom deposits in anthropogenic lakes, Polish Journal of Environmental Studies 2013, 22, 6, 1799-1805.
• [23] Matschullat J., Ottenstein R., Reimann C., Geochemical background - can we calculate it? Environmental Geology 2000, 39, 990-1000.
• [24] Turekian K., Wedepohl K., Distribution of the elements in some major units of the Earth’s crust, Geological Society of America, Bulletin 1961, 72, 175-192.
• [25] Martin J., Meybeck M., Elemental mass-balance of material carried by major world rivers, Marine Chemistry 1979, 3, 7, 173-206.
• [26] Kabata-Pendias A., Pendias H., Biogeochemistry of Traces Elements, WN PWN, Warszawa 1993 (in Polish).
• [27] Muller G., The heavy metal pollution of the sediments of Neckars and its tributary, A Stock taking Chemische Zeit 1981, 150, 157-164.
• [28] Hakanson L., An ecological risk index for aquatic pollution control. A Sedimentological approach, Water Research 1980, 14, 975-1001.
• [29] Tomilson D., Wilson J., Harris C., Jeffrey D., Problems in assessment of heavy metals in estuaries and the formation of pollution index, Helgol Meeresunlters 1980, 33, 566-575.
• [30] Persaud D., Jaagumagi R., Hayton A., Guidelines for the protection and management of aquatic sediment quality in Ontario, Water Resources Branch, Ontario Ministry of the Environment, Toronto, Ontario 1992.
• [31] Zemelka G., Contamination and environmental risk assessment of heavy metals in the sediments of the Dobczyce Reservoir and its tributaries, Geomatics and Environmental Engineering (in review) 2017.
• [32] Owen B.R., Sandhu N., Heavy metal accumulation and anthropogenic impacts on Tolo Harbour, Hong Kong, Marine Pollution Bulletin 2000, 40, 2, 174-180.
• [33] Lu X., Werner I., Young T., Geochemistry and bioavailability of metals in sediments from northern San Francisco Bay, Environment International 2005, 31, 593-602.
• [34] Czaplicka-Kotas A., Ślusarczyk Z., Zagajska J., Szostak A., Analiza zmian zawartości jonów wybranych metali ciężkich w wodzie Jeziora Goczałkowickiego w latach 1994-2007, Ochrona Środowiska 2010, 32, 4, 51-56.
• [35] Zoumis T., Schmidt A., Grigorova L., Calmano W., Contaminants in sediments: Remobilisation and demobilization, Science of The Total Environment 2001, 266, 1-3, 195-202.
• [36] Wojtkowska M., Content of selected heavy metals in water and riverbed sediments of the Utrata river, Environment Protection Engineering 2011, 37, 3, 55-62.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).