Nevşehir ilinin toprak, su ve tarım ürünlerinde doğal radyoaktivitenin ve ağır metallerin belirlenmesi
Determination of natural radioactivity and heavy metals in soil, water and agricultural products of Nevsehir province
Yazar: NESLİ BİNGÖLDAĞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. PELİN OTANSEV
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nükleer Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Orta Anadolu'da yer alan Nevşehir ilinin toprak, su ve tarım ürünlerinde doğal radyoaktivite ve ağır metaller belirlenmiştir.
Bu amaçla, çevresel gama doz hızlarını belirlemek için, yüksek hassasiyetli FHZ 674 NBR model NaI (Tl) gama sintilasyon dedektör içeren Thermo Scientific RadEye SX model radyasyon ölçüm cihazı kullanılmıştır. Gama doz hızları, yerden 1 metre yükseklikte 445 noktada ölçülmüştür. Nevşehir ilinin ortalama gama doz hızı 152.05 nGy.h-1 olarak bulunmuştur, bu da 186.47 µSv ortalama yıllık etkin doz eşdeğerine neden olur. Bu ortalama gama doz hızı farklı bölgelerin ortalama değerleri ile karşılaştırılmış olup farklı bölge ve dünya ortalamasından yüksek olduğu tespit edilmiştir. Nevşehir ilinin çok büyük bir kısmının volkanik kayaçlar üzerine kurulu olması gerçeği, gama doz hızlarının neden yüksek olduğunu açıklamaktadır.
Nevşehir ilinin 323 farklı bölgesinden alınan toprak numunelerinde 226Ra, 232Th, 40K ve 137Cs'un aktivite konsantrasyonları, Canberra GX5020 model HPGe (Yüksek Saflıkta Germanyum) dedektörü olan gama spektrometrik sayım sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İlçelerin 226Ra, 232Th, 40K ve 137Cs ortalama gama aktivite konsantrasyonları sırasıyla 48.98 Bq.kg-1, 53.99 Bq.kg-1, 690.88 Bq.kg-1 ve 7.50 Bq.kg-1 olarak belirlenmiştir. İlçelerin 226Ra, 232Th, 40K ortalama gama aktivite konsantrasyonları dünya ortalamasından daha yüksektir.
Ayrıca 323 toprak numunesinin 176 tanesinde ağır metal ve element analizi (CaO, Fe2O3, TiO2, As, Ba, Ce, Co, Cr, Cu, Ga, La, Mn, Nb, Ni, Pb, Rb, Sr, Th, U, V, Y, Zn, Zr), PANalytical AxiosmAX Advanced model WDXRF spektrometresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Avanos ilçesi Büyük Ayhan köyünden (80 ve 370 mg.kg-1), Hacıbektaş ilçesi Akçataş köyünden (93 ve 115 mg.kg-1), Kozaklı ilçesi Buruncuk köyü ve Konak Otel'den (72 ve 124 mg.kg-1) alınan numunelerin As konsantrasyonu, Çevre ve Orman Bakanlığı'nın (Türkiye) izin verdiği sınır değerin (20 mg.kg-1) ve dünya ortalamasının (4.70 mg.kg-1) oldukça üzerinde belirlenmiştir. Ürgüp'ün Akköy köyündeki Cr konsantrasyonu (713.2 mg.kg-1), Çevre ve Orman Bakanlığı'nın (Türkiye) izin verdiği sınır değerin (100 mg.kg-1) ve dünya ortalamasının (42 mg.kg-1) çok üzerindedir.
Nevşehir ilinden alınan 267 su numunesinin toplam alfa ve toplam beta analizleri Berthold LB770 model sayım sistemi kullanılarak yapılmıştır. Ortalama toplam alfa ve toplam beta aktivite konsantrasyonları 0.179 Bq.L-1 ve 0.216 Bq.L-1 olarak tespit edilmiştir. Hacıbektaş ilçesi Ilicekler ve Mikail köylerinden alınan sularda toplam alfa aktivite konsantrasyonları 1.041 Bq.L-1 ve 1.303 Bq.L-1 elde edilmiş olup kabul edilebilir sınır değerden (0.5 Bq.L-1) yüksektir. Kozaklı bölgesinin 2 termal suyunda toplam alfa aktivite konsantrasyonları 2.494 Bq.L-1 ve 3.800 Bq.L-1 olup kabul edilebilir sınır değerden (0.5 Bq.L-1) yüksektir. Kozaklı ilçesinin 2 termal suyunda toplam beta aktivite konsantrasyonları da 1.486 Bq.L-1 ve 1.240 Bq.L-1 olup kabul edilebilir sınırdan (1.0 Bq.L-1) daha yüksektir.
Buna ek olarak, 139 su numunesinin eser element ve anyon analizleri de yapılmıştır. Çoğu ağır metal olan 23 elementin (Ag, Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se) kantitatif analizleri Perkin Elmer Optima 7000 DV model ICP-OES ve anyon analizleri (Florür (F-1), Klorür (Cl-1), Nitrit (NO2-1), Bromür (Br-1), Nitrat (NO3-1), Sülfat (SO4-2) ve Fosfat (PO4-3)) DIONEX ICS-3000 model iyon kromatografisi kullanılarak yapılmıştır. Nevşehir ili sularında ortalama As, Hg, Sb ve Se konsantrasyonları kabul edilebilir sınır değerden yüksek elde edilmiştir. Benzer şekilde, sularda Nitrat'ın ortalama konsantrasyonları da kabul edilebilir sınır değerden yüksektir.
Nevşehir'de yaşayan insanlar tarafından tüketilen 36 farklı taze ve kurutulmuş tarım ürünlerinin 226Ra, 232Th, 40K ve 137Cs aktivite konsantrasyonları Canberra GX5020 model sayım sistemi kullanılarak belirlenmiştir. Pancar, patates, nohut, kuru kayısı ve elmanın aktivite konsantrasyonları diğer numunelerden daha yüksek tespit edilmiştir. Ayrıca 36 numunenin 12'sinde 27 elementin (Ag, Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sb, Se, Si, Sr, Th, U, V, Zn) analizi ICP-OES cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gülşehir ilçesinden alınan şeker pancarı numunesinde Cu (16.27 μg.g-1), Zn (20.09 μg.g-1), Co (5.26 μg.g-1) ve Fe (6147 μg.g-1) konsantrasyonları kabul edilebilir sınır değerden yüksektir. Ayrıca, tüm numunelerde Co konsantrasyonu kabul edilebilir sınırdan yüksek elde edilmiştir.
Yaz ve kış mevsiminde radon aktivite konsantrasyonlarını belirlemek için CR-39 pasif radon dedektörleri kullanılmış ve 275 eve yerleştirilmiştir. Nevşehir ilinin yaz ve kış mevsiminde ortalama radon aktivite konsantrasyonları sırasıyla 70.75 Bq.m-3 ve 239.35 Bq.m-3 olarak bulunmuştur. Yaz ve kış mevsimleri için en yüksek radon aktivite konsantrasyonları Hacıbektaş bölgesinden elde edilmiştir.
Bu bölgede yaşayan insanlar için toplam yıllık etkin doz eşdeğeri 4.284 mSv olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, bireylerin yaşam boyu kanser riskleri de hesaplanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, Türkiye ve diğer ülkelerdeki sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this study, the natural radioactivity and heavy metals of soil, water and agricultural products of Nevşehir province located in Middle Anatolia were determined.
For this purpose, Thermo Scientific RadEye SX model surveymeter with a high sensitivity FHZ 674 NBR model NaI(Tl) gamma scintillation detector was used to determine environmental gamma dose rates. Gamma dose rates were measured at 445 points at a height of 1 meter from land surface. The mean gamma dose rate for Nevşehir province was found as 152.05 nGy.h-1, which yields mean annual effective dose of 186.47 µSv. The mean value was compared with other global gamma dose rates and found higher than world mean value. The fact that most of the Nevşehir province is based on volcanic rocks explains why the gamma dose rates are high.
226Ra, 232Th, 40K and 137Cs activity concentrations in soil samples collected from 323 different regions of Nevşehir province were performed using Canberra GX5020 model counting system with a HPGe (High-Purity Germanium) gamma spectrometer. The mean gamma activity concentrations of 226Ra, 232Th, 40K ve 137Cs for districts were determined as 48.98 Bq.kg-1, 53.99 Bq.kg-1, 690.88 Bq.kg-1 and 7.50 Bq.kg-1 respectively. The mean gamma activity concentrations of 226Ra, 232Th, 40K for districts were higher than the world mean value.
In addition heavy metal and elemental analysis (CaO, Fe2O3, TiO2, As, Ba, Ce, Co, Cr, Cu, Ga, La, Mn, Nb, Ni, Pb, Rb, Sr, Th, U, V, Y, Zn, Zr) in 176 of 323 soil samples were performed using PANalytical AxiosmAX Advanced model WDXRF spectrometer. As concentratios in Büyük Ayhan village of Avanos district (80 and 370 mg.kg-1), Akçataş village of Hacıbektaş district (93 and 115 mg.kg-1), Buruncuk village and Konak Hotel of Kozaklı district (72 and 124 mg.kg-1) were remarkably higher than acceptable limit (20 mg.kg-1) of Ministry of Environment and Forestry (Turkey) and the world mean (4.70 mg.kg-1). Cr concentration (713.2 mg.kg-1) in Akköy village of Ürgüp district was higher than acceptable limit (100 mg.kg-1) of Ministry of Environment and Forestry (Turkey) and the world mean (42 mg.kg-1).
The gross alpha and gross beta analysis of 267 water samples collected from Nevşehir province were done using Berthold LB770 model counting system. The mean gross alpha and gross beta activity concentrations were determined as 0.179 Bq.L-1 and 0.216 Bq.L-1. The gross alpha activity concentrations in waters of Ilicekler and Mikail villages in Hacıbektaş district were 1.041 Bq.L-1 and 1.303 Bq.L-1 and were higher than acceptable limit (0.5 Bq.L-1). The gross alpha activity concentrations in 2 thermal waters of Kozaklı district were 2.494 Bq.L-1 and 3.800 Bq.L-1 and were higher than acceptable limit (0.5 Bq.L-1). Also the gross beta activity concentrations in 2 thermal waters of Kozaklı district were 1.486 Bq.L-1 and 1.240 Bq.L-1 and were higher than acceptable limit (1.0 Bq.L-1).
In addition trace element and anion analysis of 139 water samples were done. Quantitative analysis of 23 elements which most of them are heavy metals (Ag, Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sr, Th, U, Zn)  were done by using Perkin Elmer Optima 7000 DV model ICP-OES and the anion analysis (Fluoride (F-1), Chloride (Cl-1), Nitrite (NO2-1), Bromide (Br-1), Nitrate (NO3-1), Sulfate (SO4-2) and Phosphate (PO4-3)) were done by using DIONEX ICS-3000 model ion cromatography. The mean concentrations of As, Hg, Sb and Se in waters of Nevşehir province were higher than acceptable limit. Similarly, the mean concentrations of Nitrate in waters were higher than acceptable limit.
226Ra, 232Th, 40K and 137Cs activity concentrations of 36 different fresh and dried agricultural products which were consumed by people living in Nevşehir were determined using Canberra GX5020 model counting system. The activity concentrations of beets, potatoes, chickpeas, dried apricots and apples were higher than the other samples. Also, the analysis of 27 elements (Ag, Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sb, Se, Si, Sr, Th, U, V, Zn) in 12 of 36 samples were performed using ICP-OES system. Cu (16.27 μg.g-1), Zn (20.09 μg.g-1), Co (5.26 μg.g-1) and Fe (6147 μg.g-1) concentrations in sugar beet obtained from Gülşehir district were higher than acceptable limits. Also, Co concentration in all samples was higher than acceptable limit.
CR-39 passive radon detectors were used to determined radon activity concentrations in summer and winter seasons and were located to 275 houses. The mean radon activity concentrations in summer and winter seasons for Nevşehir province were found 70.75 Bq.m-3 and 239.35 Bq.m-3 respectively. The highest mean radon activity concentrations for summer and winter seasons were obtained for Hacıbektaş district.
The total annual effective dose equivalent for peoples living in this region was calculated as 4.284 mSv. Also, the lifetime cancer risks for individuals were calculated. The results of this study were compared with results in Turkey and the other countries.