Αρσενικό στα υπόγεια ύδατα στη νήσο Λέσβο
Authors: Ζκέρη Ειρήνη 
Published: August 2021

Το Αρσενικό (As) είναι ένα ευρέως διαδεδομένο στοιχείο στη φύση γνωστό από την αρχαιότητα για τις τοξικές του επιδράσεις στην υγεία του ανθρώπου. Το As εμφανίζει μεγάλη κινητικότητα υπό διαφορετικές γεωχημικές συνθήκες, με αποτέλεσμα οι συγκεντρώσεις του στο υπόγειο νερό να υπερβαίνουν το όριο των 10 μg/L που προβλέπει η νομοθεσία σε πολλές περιοχές ανά τον κόσμο, και να συμπεριλαμβάνεται στους πιο σημαντικούς κινδύνους για την υγεία σε παγκόσμιο επίπεδο. Υπολογίζεται ότι εκατομμύρια άνθρωποι σε όλο τον κόσμο εκτίθενται σε υψηλές συγκεντρώσεις As κυρίως από την κατανάλωση νερού, με τα σοβαρότερα προβλήματα να παρουσιάζονται στην Ασία (Μπαγκλαντές και Ινδία) και στη Λατινική Αμερική. Λόγω της έντασης του φαινομένου, μεγάλη προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας έχει επικεντρωθεί στην διερεύνηση των διεργασιών που σχετίζονται με την κινητοποίηση του As κυρίως στις περιοχές αυτές, οι οποίες διαφέρουν σημαντικά από τις περιοχές της Μεσογείου όχι μόνο ως προς τις κλιματικές συνθήκες αλλά κυρίως ως προς τα γεωλογικά και υδρολογικά περιβάλλοντα. Η παρούσα διατριβή εστιάζεται στο πρόβλημα της αυξημένης παρουσίας του As στα υπόγεια ύδατα σε εντελώς διαφορετικό γεωλογικό περιβάλλον, αυτό του νησιωτικού περιβάλλοντος της νήσου Λέσβου, όπου παρατηρούνται υψηλές συγκεντρώσεις As στο υπόγειο νερό που υπερβαίνουν τα 10 μg/L κυρίως σε περιοχές με όξινα ηφαιστειακά πετρώματα, και το μεσογειακό κλίμα, το βραχώδες ηφαιστειακό υπόβαθρο και το σχετικά υψηλό ανάγλυφο αποτελούν ένα σύνολο περιβαλλοντικών συνθηκών υπό τις οποίες η γεωχημεία του As είναι ελάχιστα κατανοητή. Στη διεθνή βιβλιογραφία οι έρευνες για τη γεωχημεία του As σε περιοχές με ηφαιστειακά πετρώματα επικεντρώνονται σε περιοχές της Λατινικής Αμερικής και κυρίως στην Αργεντινή, περιοχή που διαφέρει από την περιοχή μελέτης της παρούσας διατριβής (καθώς παρατηρούνται διαφορές στις κλιματικές συνθήκες, στο ανάγλυφο, στην υδρογεωλογία). Επίσης η περιγραφή του φαινομένου σε περιοχές της Μεσογείου με όξινα ηφαιστειακά πετρώματα είναι περιορισμένη. Η εποχιακή διακύμανση των συγκεντρώσεων του As στο υπόγειο νερό και η διερεύνηση των παραγόντων που οδηγούν σε αυτές τις εποχιακές μεταβολές, μόλις πρόσφατα συγκέντρωσε την προσοχή των επιστημόνων, με τη διεθνή βιβλιογραφία να επικεντρώνεται στις περιοχές της Ινδίας και του Μπαγκλαντές. Υπάρχουν ελάχιστες μελέτες σε περιοχές με ηφαιστειακά πετρώματα οι οποίες συχνά δεν περιλαμβάνουν τη μελέτη των παραγόντων και διεργασιών που οδηγούν σε αυτές τις παρατηρούμενες εποχιακές διακυμάνσεις, γεγονός που κάνει σαφή την ανάγκη βελτίωσης της υπάρχουσας γνώσης και βάσης δεδομένων.Οι βασικοί στόχοι της παρούσας έρευνας είναι να α) καταγράψει τη χωρική κατανομή του As στο υπόγειο νερό της Λέσβου, β) εξηγήσει τους μηχανισμούς και τις διεργασίες απελευθέρωσης του As στο υπόγειο νερό επιλεγμένων περιοχών της Λέσβου, όπου παρουσιάστηκαν υψηλές συγκεντρώσεις As στο υπόγειο νερό γ) διερευνήσει τους παράγοντες και τους μηχανισμούς που συμβάλλουν στην εποχιακή διακύμανση του στοιχείου στο υπόγειο νερό, και δ) διερευνήσει και να προτείνει μέτρα διαχειριστικής αντιμετώπισης του προβλήματος που θα συνεισφέρουν στην κατάρτιση ενός ολοκληρωμένου διαχειριστικού σχεδιασμού για τον έλεγχο ή την ελάττωση των συγκεντρώσεων του As με βέλτιστη σχέση κόστους-οφέλους. Για την διερεύνηση των διεργασιών που ευθύνονται για την εμφάνιση του As στο υπόγειο νερό, υπόγεια ύδατα εξετάστηκαν από δύο γεωλογικά διαφορετικές περιοχές (ηφαιστειακά και μεταμορφωμένα) της Λέσβου. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν 7 δειγματοληψίες από τον Οκτώβριο του 2010 έως τον Οκτώβριο του 2011 ανά δύο μήνες και συλλέχθηκαν 65 δείγματα από τις δύο περιοχές μελέτης: α) το Μανταμάδο και β) το Τάρτι. Οι συγκεντρώσεις του As στα δείγματα που συλλέχθηκαν από την ηφαιστειακή περιοχή του Μανταμάδου, υπερέβαιναν το όριο των 10 μg/L στο 46% του συνόλου των δειγμάτων (στο 67% των παράκτιων γεωτρήσεων και στο 31% των χερσαίων γεωτρήσεων), ενώ οι συγκεντρώσεις του As σε όλα τα δείγματα από το Τάρτι που αποτελείται από μεταμορφωμένα πετρώματα δεν ξεπερνούσαν αυτό το όριο. Το κυρίαρχο είδος As ήταν το πεντασθενές αρσενικό As(V), γεγονός που υποδηλώνει ότι η κινητοποίησή του πραγματοποιείται υπό οξειδωτικές συνθήκες. Στην περιοχή του Μανταμάδου η διάβρωση των πυριτικών και η επίδραση της ιονανταλλαγής με την αύξηση της EC αναγνωρίστηκαν ως οι πιο σημαντικές διεργασίες που οδηγούν στην ενίσχυση της κινητικότητας του As στα υπόγεια ύδατα της περιοχής αυτής. Η κύρια πρωτογενής πηγή του διαλυμένου As και των άλλων στοιχείων φαίνεται να είναι το ηφαιστειακό γυαλί και/ή η ηφαιστειακή στάχτη ρυολιθικής σύστασης που είναι άφθονα στον ιγνιμβρίτη της Λέσβου. Στα υπόγεια ύδατα από το Τάρτι το As σχετίζονταν ισχυρά με τα στοιχεία Mg2+, HCO3-, F-, Li, B, Si, Ni, Sr, Ba πιθανώς λόγω της κοινής προέλευσης τους στα μεταμορφωμένα πετρώματα αυτής της περιοχής. Οι χαμηλές συγκεντρώσεις σε As των υδάτων από το Τάρτι φαίνεται να σχετίζονται με τον κορεσμό τους σε ανθρακικά. Και στις δυο περιοχές, βρέθηκε ότι η σχετιζόμενη με το pH εκρόφηση του As, είναι η πιο σημαντική διεργασία που ρυθμίζει την κινητικότητα του As στα εξεταζόμενα δείγματα. Η συνεισφορά του οξειδαναγωγικού ελέγχου στην απελευθέρωση του As στο υπόγειο νερό γενικά βρέθηκε ότι είναι λιγότερο σημαντική, με εξαίρεση κάποιες μεμονωμένες γεωτρήσεις στο Μανταμάδο όπου προσωρινά βρέθηκαν να εμφανίζονται πιο αναγωγικές συνθήκες. Επιπλέον, η συμβολή του μεταμορφωμένου γεωλογικού υποβάθρου στην κατανομή του As στα υπερκείμενα ηφαιστειακά πετρώματα φαίνεται να είναι ελάχιστη.Σημαντική εποχιακή διακύμανση της συγκέντρωσης του As παρατηρήθηκε κυρίως στις γεωτρήσεις που βρίσκονται στην παράκτια ζώνη της ηφαιστειακής περιοχής του Μανταμάδου, στις οποίες όμως εμφανίζονται διαφορές ως προς τις διεργασίες και τους παράγοντες που επηρεάζουν την εποχιακή μεταβλητότητα του στοιχείου. Αντίθετα, στις γεωτρήσεις που βρίσκονται στα τμήματα μεγαλύτερου υψόμετρου, η συγκέντρωση του As στο υπόγειο νερό φαίνεται να ακολουθεί ένα αρκετά σταθερό μοτίβο κατά την διάρκεια του έτους, γεγονός που πιθανώς σχετίζεται με την μεγαλύτερη ταχύτητα ροής του υπόγειου νερού λόγω της μεγαλύτερης υδραυλικής κλίσης. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποκαλύπτουν ότι η εποχιακή διακύμανση των συγκεντρώσεων του As στο υπόγειο νερό της ρυολιθικής ηφαιστειακής περιοχής του Μανταμάδου, σχετίζεται με την γεωλογία, το ρυθμό εμπλουτισμού, την τοπογραφία – την απόσταση από την ακτή και το βάθος των γεωτρήσεων. Σημαντικές διεργασίες υπεύθυνες για τις διαφορές που παρατηρούνται μεταξύ των εξεταζόμενων γεωτρήσεων, οι οποίες βρίσκονται σε μια ομοιογενή περιοχή μικρής κλίμακας, όσον αφορά τους γεωχημικούς παράγοντες που ελέγχουν τοπικά την εποχιακή διακύμανση του As είναι: α) η αραίωση που προκαλείται από την κατείσδυση του νερού εμπλουτισμού κατά τη διάρκεια της υγρής περιόδου, β) η εντονότερη διάβρωση των πυριτικών και η ιονανταλλαγή κατά την ξηρή περίοδο, γ) οι διεργασίες εκρόφησης που εντείνονται με την αύξηση του pH, και δ) η αναγωγική διάλυση του Mn κατά την υγρή περίοδο. Οι παράμετροι που εμφανίζουν μια σχετικά σταθερή συσχέτιση με τη συγκέντρωση του As στο υπόγειο νερό και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν συνδυαστικά ως δείκτες για το σχεδιασμό μιας διαχειριστικής αντιμετώπισης του προβλήματος φαίνεται να είναι (α) η απόσταση από την ακτή (τοπογραφία ή ανάγλυφο), (β) το βάθος της γεώτρησης, (γ) το βάθος της στάθμης του υπόγειου νερού και (δ) η συγκέντρωση του καλίου (Κ+) στο νερό. Με βάση τα παραπάνω, προτείνονται άξονες δράσης και στοιχεία που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την αξιοπιστία της ανάλυσης του προβλήματος και να οδηγήσουν σε μια αποτελεσματική διαχείριση του. Η παρούσα διατριβή αποτελείται από επτά κεφάλαια: Στο Πρώτο κεφάλαιο παρατίθεται βιβλιογραφική ανασκόπηση που αφορά στο As και στις πηγές του στο περιβάλλον, στις ιδιότητες και την τοξικότητα του στοιχείου, στην περιγραφή των μηχανισμών απελευθέρωσης του στοιχείου στα υπόγεια νερά, στην εποχιακή διακύμανση του, στην εμφάνιση του αρσενικού στο υπόγειο νερό στην Ελλάδα και στην καινοτομία και στους επιμέρους στόχους της παρούσας διατριβής. Στο Δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η παρουσία του As στα υπόγεια ύδατα της Λέσβου, ενώ στο Τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε. Στο Τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται το πρώτο μέρος των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής που αφορούν στους μηχανισμούς απελευθέρωσης του As στο υπόγειο νερό στις περιοχές μελέτης, και στο Πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το δεύτερο μέρος των αποτελεσμάτων σχετικά με την εποχιακή μεταβολή του στοιχείου. Στο Έκτο κεφάλαιο προτείνεται πιθανή διαχειριστική αντιμετώπιση του προβλήματος στην περιοχή μελέτης, και τέλος στο Έβδομο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα της διατριβής και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα.