Γεωχημική μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε εδάφη, ύδατα και φυτά στο δυτικό τμήμα της λεκάνης της Δράμας, από την παρουσία και εκμετάλλευση κοιτασμάτων μαγγανίου στην ευρύτερη περιοχή
Authors: Σοφιάνσκα Εμίλια 
Published: August 2021

Η εκμετάλλευση των μεταλλευμάτων μαγγανίου κατά την περίοδο 1950-1994 στην περιοχή Δράμας έχει οδηγήσει στη δημιουργία τεράστιων ποσοτήτων από εγκαταλειμμένα στερεά υλικά (απορρίμματα εμπλουτισμού, χαμηλής ποιότητας μετάλλευμα, σωροί συμπυκνωμάτων μεταλλεύματος) στον κεντρικό χώρο του μεταλλείου που βρίσκεται δίπλα στο δρόμο Δράμας - Κάτω Νευροκοπίου, 25 χιλιόμετρα από την πόλη της Δράμας (από τώρα και στο εξής “Μεταλλείο του 25 km”).Το δυτικό τμήμα της πεδιάδας της Δράμας αποτελεί τον αποδέκτη των αποθέσεων, που προέρχονται από το ρέμα Ξηροποτάμου, το οποίο περνά μέσα από το “Μεταλλείο του 25 km”.Στην παρούσα έρευνα μελετώνται οι επιπτώσεις της παλαιάς μεταλλευτικής δραστηριότητας στο οικοσύστημα (έδαφος, ύδατα, φυτά) και αξιολογείται ο περιβαλλοντικός κίνδυνος από τη ρύπανση με βαρέα μέταλλα και μεταλλοειδή (ΒΜΜ)Η έρευνα περιέλαβε τα εξής :1. Δειγματοληψία και γεωχημικός χαρακτηρισμός των εδαφών, ιζημάτων, ποτάμιων και υπόγειων υδάτων, των κυριότερων καλλιεργούμενων ειδών φυτών, των μεταλλευτικών απορριμμάτων και των πετρωμάτων της περιοχής.2. Τα δείγματα όλων των υλικών υποβλήθηκαν σε διαδικασία διαλυτοποίησης με βασιλικό νερό και οι συνολικές συγκεντρώσεις των στοιχείων (“ψευδο – συνολικές”) στα εκχυλίσματα προσδιορίστηκαν με ICP-MS και ICP-AES στα διαπιστευμένα (ISO 9002) αναλυτικά Εργαστήρια ACME Laboratories Ltd (Βανκούβερ , Καναδάς ).3. Χρησιμοποιήθηκε τετραγωνικός κάνναβος διαστάσεων 1x1km δειγματοληψίας και συνολικά συλλέχθηκαν 148 σύνθετα (20 υπο-δείγματα σε επιφάνεια 20X20m) επιφανειακά (0-20cm) δείγματα εδάφους (2kg). Διαχωρίστηκε το κλάσμα < 180μm που χρησιμοποιήθηκε για όλες τις αναλυτικές εργασίες.4. Χρησιμοποιήθηκαν τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS) για την κατασκευή γεωχημικών χαρτών, με σκοπό την καλύτερη παρουσίαση της χωρικής κατανομής των διαφόρων ΒΜΜ στα εδάφη, καθώς και των επιπέδων ρύπανσης που προκαλούν.5. Αξιολόγηση των επιπέδων ρύπανσης των εδαφών σε σχέση με καθιερωμένα όρια συγκεντρώσεων αναφοράς, καθώς και με τη χρήση διαφόρων δεικτών.6. Προσδιορισμός των χημικών μορφών των ΒΜΜ (κλασματοποίηση) με τη χρήση μιας 6-σταδίων διαδικασίας διαδοχικής εξαγωγής (sequential extraction procedure) και αξιολόγηση του κώδικα εκτίμησης κινδύνου (RAC).Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει κυρίως μάρμαρα, διμαρμαρυγιακούς γνευσίους, λατυπο-κροκαλοπαγή και πλουτωνικά πετρώματα. Η αποσάθρωσή τους συνέβαλε στον καθορισμό της ορυκτολογίας και της χημικής σύστασης των εδαφών της πεδιάδας της Δράμας.Η μελέτη με ακτίνες-Χ και πολωτικό μικροσκόπιο δειγμάτων εδάφους έδωσε ως κύρια ορυκτά: χαλαζία, αστρίους, μαρμαρυγίες, ασβεστίτη, χλωρίτη, ιλλίτη και καολινίτη. Δείγματα εδάφους κοντά στο ρέμα Ξηροποτάμου έχουν μαύρο χρώμα και περιέχουν μεγάλες ποσότητες ορυκτών του Mn και Fe. Αναλύσεις με ηλεκτρικό μικροαναλυτή έδειξαν ότι τα ορυκτά του Mn, που βρίσκονται στα εδάφη κοντά στο ρέμα Ξηροποτάμου, έχουν αυξημένες περιεκτικότητες σε Pb (π.χ. κοροναδίτης με 13,00-21,53% ΡbΟ ), Zn (π.χ. χαλκοφανίτης με 18,21-20,04% ZnO, τοντοροκίτης με 0,38-6,28 % ZnO), Cd (π.χ. κοροναδίτης με 0,05- 2,11 % CdO) και As (π.χ. κοροναδίτης με 0,44-2,76 % As2O3).Χημικές αναλύσεις των εδαφών έδειξαν έντονες μεταβολές στα διάφορα στοιχεία. Συγκεκριμένα βρέθηκαν τα παρακάτω όρια τιμών (σε mg/kg): 245-130013 για το Mn, 11-1996 για το Pb, 23-2140 για το Zn, 5-153 για το Cu, 0,4-27,5 για το Cd, 5-137 για το Ni, 4-98 για το Cr, και 2-1077 για το As, με μέσες τιμές 4133, 183, 134, 33, 1,9, 32, 34 και 43 αντίστοιχα.Οι γεωχημικοί χάρτες κατανομής των Mn, Pb, Zn, Cu, Cd και As δείχνουν μέγιστες τιμές των συγκεντρώσεων στα εδάφη κοντά και κατά μήκος των δύο πλευρών του ρέματος Ξηροποτάμου. Το Ni και το Cr δείχνουν παρόμοιες τάσεις κατανομής με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις στα εδάφη στο δυτικό μέρος της περιοχής μελέτης.Με τη χρήση της στατιστικής και συγκεκριμένα της επαναληπτικής 2σ-τεχνικής βρέθηκαν οι εξής τιμές γεωχημικού υποβάθρου των ΒΜΜ για τα εδάφη της περιοχής μελέτης (σε mg/kg ): 1230 για το Mn, 58 για το Pb, 114 για το Zn, 33 για το Cu, 1,5 για το Cd, 19 για το As, 45 για το Ni και 53 για το Cr.Τα εδάφη κατά μήκος των δύο πλευρών του ρέματος Ξηροποτάμου παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλές τιμές εμπλουτισμού (Enrichment Factor:EF>16) για Μn, As, Pb και Cd, και μέτριο (EF=4) για το Ζn. Σε αυτά οι τιμές του δείκτη γεωσυσσώρευσης (geoaccumulation index:Igeo), χαρακτηρίζουν τα εδάφη ως βαριά έως πολύ βαριά επιβαρυμένα σε Pb, As και τουλάχιστον ως μέτρια επιβαρυμένα σε Mn, Zn, Cu και Cd.Από το σύνθετο δείκτη ρύπανσης (Combined Pollution Index:CPi), που υπολογίστηκε με βάση τα όρια για καθαρά εδάφη (target values) της Ολλανδικής οδηγίας, τα εδάφη γύρω από τον Ξηροπόταμο εμφανίζουν μέτριο έως εξαιρετικά υψηλό βαθμό ρύπανσης.Από τον υπολογισμό του δείκτη δυνητικού οικολογικού κίνδυνου (Ecological risk assessment index:RI), που προκαλείται από το σύνολο των ΒΜΜ, βρέθηκε για τα καλλιεργούμενα εδάφη γύρω από τον Ξηροπόταμο ότι υπάρχει σημαντικός δυνητικός οικολογικός κίνδυνος.Η εφαρμογή της διαδικασίας των 6-σταδίων διαδοχικής εξαγωγής (sequential extraction procedure) για τον προσδιορισμό των χημικών μορφών (speciation) των ΒΜΜ, έδειξε ότι αυτά είναι ως επί το πλείστον συνδεδεμένα με τα ανθεκτικά στην αποσάθρωση κλάσματα όπως είναι το υπολειμματικό και τα κλάσματα των άμορφων υδροξειδίων του Mn και των κρυσταλλικών μορφών Mn/ άμορφων υδροξειδίων Fe. Στο κλάσμα της οργανικής ουσίας δεσμεύονται επίσης σημαντικές ποσότητες Pb, Cu, As, Ni, και κατά ένα μέρος Ζn. Αρκετό ποσοστό μόνο του Cd περιέχεται στα περισσότερο ευκίνητα κλάσματα (υδατοδιαλυτό και ανταλλάξιμο/ανθρακικό) και σύμφωνα με τον κώδικα εκτίμησης κινδύνου (Risk assessment code:RAC), το Cd προκαλεί μέτριο κίνδυνο για τα εδάφη γύρω από το ρέμα Ξηροποτάμου.Με βάση την κλασματοποίηση των ΒΜΜ οι τιμές του παράγοντα κινητικότητας (Mobility Factor: MF) έχουν κατά μέσο όρο την εξής σειρά στα εδάφη της περιοχής μελέτης:Cd(21%) >Pb(5,1%)>Ζn(3%)>Αs( 2,7%)>Mn(2%)>Cu(1,5%).Οι χημικές αναλύσεις έδειξαν ότι οι περιεκτικότητες σε Mn, Pb, Zn, Cu, Cd και As σε όλα τα δείγματα ιζημάτων του Ξηροποτάμου και σε δείγματα του ποταμού Αγγίτη σε θέσεις μετά την είσοδο σε αυτόν του Ξηροποτάμου εμφανίζουν αυξημένες τιμές, οι οποίες είναι συγκρίσιμες με εκείνες που μετρήθηκαν στα μεταλλευτικά απορρίμματα στο “Μεταλλείο του 25 km” και στα εδάφη σε θέσεις γύρω από το ρέμα Ξηροποτάμου.Τα αποτελέσματα της περιγραφικής στατιστικής (μέση τιμή, διάμεσος, εύρος, κλπ.), της ανάλυσης κύριων συνιστωσών (PCA) και του συντελεστή συσχέτισης κατά Pearson χρησιμοποιήθηκαν για την εύρεση της σχέσης μεταξύ των ποσοτικών μετρήσεων, καθώς και για την αναζήτηση της προέλευσης και των πηγών των ΒΜΜ στα εδάφη. Έτσι, η πολύ σημαντική θετική συσχέτιση που βρέθηκε μεταξύ των περιεκτικοτήτων σε Mn, Pb, Zn, Cu, Cd και As: στα εδάφη, στα ιζήματα Ξηροποτάμου, και στα μεταλλευτικά απορρίμματα αντανακλούν παρόμοιες πηγές ρύπανσης. Από την ανάλυση κύριων συνιστωσών ορίστηκαν τρεις παράγοντες (factors) που περιλαμβάνουν στοιχεία κοινής προέλευσης. Ο πρώτος παράγοντας περιλαμβάνει τα Mn, Pb, Zn, Cu, As, Cd, Ba και Sb με κοινή ανθρωπογενή πηγή τα μεταλλευτικά απορρίμματα, ο δεύτερος περιλαμβάνει τα Fe, La, V και Th με λιθογενή προέλευση και ο τρίτος περιλαμβάνει τα Ni και Cr με κοινή ανθρωπογενή πηγή, διαφορετική όμως από την πρώτη (αστική).Τα περισσότερα από τα εδάφη της περιοχής μελέτης καλλιεργούνται κυρίως για σιτάρι, καλαμπόκι και κριθάρι. Από τις αναλύσεις στους καρπούς αυτών των καλλιεργειών προέκυψε ότι η συγκέντρωση των ΒΜΜ κυμαίνεται μεταξύ των διαφορετικών φυτικών ειδών, αλλά και μεταξύ ίδιων φυτών που καλλιεργούνται όμως σε εδαφικό υπόστρωμα, που παρουσιάζει διαφορετικό βαθμό ρύπανσης. Γενικά, η περιεκτικότητα σε ΒΜΜ των σπόρων βρέθηκε εντός των φυσιολογικών ορίων που δίδονται στη βιβλιογραφία και δεν υπερβαίνει ούτε τα τοξικά επίπεδα συγκέντρωσης, ούτε τα ανώτατα επιτρεπτά όρια (Maximum allowable limits:MAL), που καθιερώθηκαν από την Ευρωπαϊκή νομοθεσία. Ωστόσο, σε τοπικό επίπεδο, οι περιεκτικότητες σε Pb και Zn υπερβαίνουν τις τιμές MAL στο καλαμπόκι και το σιτάρι αντίστοιχα, και έτσι η κατανάλωσή τους θα μπορούσε να δημιουργήσει προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία .Χημικές αναλύσεις των υδάτων του ποταμού Αγγίτη και των υπόγειων υδάτων σε γεωτρήσεις έδωσαν χαμηλές συγκεντρώσεις σε ΒΜΜ. Τα ύδατα του ποταμού στη δειγματοληψία της άνοιξης βρέθηκαν με χαμηλότερες συγκεντρώσεις ΒΜΜ, ως αποτέλεσμα πιθανόν της αραίωσης λόγω των αυξημένων βροχοπτώσεων την εποχή αυτή.Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας επιβεβαίωσαν τη σημαντική επίδραση της παλαιάς μεταλλευτικής δραστηριότητας στην ρύπανση των εδαφών από ΒΜΜ. Ο σημερινός εμπλουτισμός των εδαφών σε Mn, Pb, Zn, Cu, Cd και As έχει άμεση σχέση με τη διάβρωση των μεταλλευτικών απορριμμάτων του μεταλλείου, στα οποία περιέχονται υψηλές συγκεντρώσεις αυτών των στοιχείων, τη μεταφορά τους μέσω του ρέματος Ξηροποτάμου και την απόθεσή τους στα εδάφη της περιοχής κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων και πλημμυρικών επεισοδίων υπερχείλισης του ρέματος Ξηροποτάμου.Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης την ανάγκη άμεσων μέτρων αντιμετώπισης της ρύπανσης από ΒΜΜ στα εδάφη γύρω από το ρέμα Ξηροποτάμου. Για να ελαχιστοποιηθεί ο ρυθμός της ρύπανσης και η έκταση μελλοντικών προβλημάτων ρύπανσης είναι αναγκαία η άμεση κάλυψη των μεταλλευτικών απορριμμάτων για να προστατευτούν από τη διάβρωση.Τα πειράματα έκπλυσης και ανταλλαγής κατιόντων που πραγματοποιήθηκαν σε μίγματα έντονα ρυπασμένων εδαφών με φυσικό Ελληνικό υλικό που περιέχει ζεόλιθο τύπου-HEU, έδειξαν ικανοποιητική απόδοση συγκράτησης των ΒΜΜ στο υδατοδιαλυτό κλάσμα. Έτσι, αυτό το υλικό μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα μελλοντικό σχεδιασμό ανάκτησης των ρυπασμένων εδαφών στην περιοχή μελέτης.