Ankara ili toprak ve içme sularının radyolojik ve kimyasal açıdan incelenmesi, ilgili sağlık risklerinin belirlenmesi ve doz dönüşüm faktörlerinin oluşturulması
Investigation of soil and drinking waters in Ankara in terms of radiological and chemical properties, determination of related health risks and creating conversion factors
Yazar: ENİS KAPDAN
Danışman: PROF. DR. NESRİN ALTINSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Tez çalışması iki ana amaca odaklanmıştır. Deneysel çalışmaların amacı, Ankara ilinde dış ortam radyoaktivite düzeylerinin, içme sularında radyoaktivite düzeyinin, topraktaki elementlerin birikim seviyesinin ve içme suyundaki anyon ve katyon konsantrasyonunun belirlenmesi ve ilgili sağlık risklerinin değerlendirilmesidir. Teorik çalışmaların amacı ise, topraktaki radyonüklit konsantrasyonlarını kullanarak havada (soğurulan) gama doz hızının (ADRA) belirlenmesi için kullanılan doz dönüşüm faktörlerinin elde edilmesidir.
Bölgedeki radyoaktivite düzeylerini belirlemek için, toplam 341 toprak örneği laboratuvarlarda analiz edilmiş ve aynı zamanda toprak örneklerinin alındığı  istasyonlarda gama doz hızı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Buna göre, topraktaki 40K, 226Ra, 232Th ve 137Cs radyonüklitlerinin ortalama aktivite konsantrasyonları sırasıyla 454 (23-1355) Bq/kg, 27 (6-186) Bq/kg, 33 (2-181) Bq/kg  ve 3.3 (0.5-20.9) Bq/kg olarak belirlenmiştir. Ankara ili ortalama radyonüklit aktivite konsantrasyonlarının Türkiye ve Dünya ortalamalarına yakın olması ile birlikte, özellikle Evren ve Kızılcahamam ilçeleri çevresinde radyonüklit konsantrasyonlarında hayli yüksek değerler gözlenmiştir. Ayrıca, toprak yüzeyinden 1 m yükseklikte havadaki gama doz hızı (ADRA) değeri bölge için ortalama 58.5 (1.4-231) nGy/sa olarak ölçülmüş olup bu değerin 6.1 nGy/sa olan kısmının kozmik radyasyondan kaynaklandığı tespit edilmiştir. ADRA değerlerinin de temel olarak 232Th konsantrasyonuna bağlı olarak Evren ve Kızılcahamam ilçelerinde daha yüksek seviyelerde olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, dış ortam gama radyasyon maruziyetine bağlı olarak yıllık etkin doz eşdeğeri (AEDE) ve yaşam boyu kanser riski (ELCR) değerleri, ICRP ve UNSCEAR tarafından önerilen faktörler kullanılarak bölge sakinleri için sırasıyla 71.8 µSv/y ve 2.69E-04 olarak hesaplanmıştır.
İçme sularındaki toplam alfa ve toplam beta aktivite konsantrasyonunu tespit etmek için il genelinden toplam 121 adet su numunesi toplanmıştır. Ortalama toplam alfa ve toplam beta aktiviteleri bölge için sırasıyla 105 (20-495) mBq/L ve 195 (70-850) mBq/L olarak belirlenmiştir. Ayrıca, toplam alfa ve toplam beta radyoaktiviteleri nedeniyle bölge sakinleri için ortalama yıllık etkin doz, 22 (3-101) µSv/y  ve 98 (4-428) µSv/y olarak tespit edilmiştir. İçme sularındaki toplam alfa ve beta aktivitesine bağlı olarak tahmin edilen ortalama kanser risk değeri, bölge halkı için ICRP 103'ün risk faktörleri kullanılarak 6.13E-04 olarak bulunmuştur. Ayrıca, içme sularındaki radyoaktivitenin bölgesel dağılımının gösterilmesi için dağılım haritaları çizilmiştir. Ankara'nın içme sularındaki ortalama toplam alfa ve beta aktivite konsantrasyonunun, ilin zengin radyolojik yeraltı yapısına bağlı olarak Türkiye'de incelenen illerin çoğundan anlamlı düzeyde yüksek olduğu anlaşılmıştır. Ek olarak, örneklerin %36'sındaki yıllık doz değerlerinin, WHO'nun içme suyu için beta aktivitesi açısından önerilen sınır değerleri aştığı ve bu durumun alfa aktivitesi için ise %0.8 olduğu görülmüştür. Ayrıca, 40K radyonüklidinin bölgenin içme sularındaki toplam beta aktivitesine katkısı %47 olarak belirlenmiştir.
Türkiye'nin başkenti Ankara'da topraktaki elementlerin birikim düzeylerinin araştırılması ve ilgili sağlık risklerinin belirlenmesi için toplam 257 toprak örneği, WD-XRF yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Topraktaki ortalama CaO, Ti02, V, Cr, Mn, Fe2O3, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Nd, Pb, Th, U ve Sc konsantrasyonları sırasıyla 89462, 6176, 70.7, 142.9, 727.3, 44150, 20.1, 61.7, 21.8, 56.3, 11.3, 16.8, 63.3, 409.9, 17.1, 143.8, 11.1, 250.8, 25.6, 44.1, 31.2, 22.6, 10, 4.6 ve 3.9 ppm (μg/g) olarak belirlenmiştir. Bölgede tüm toprak örneklerinde Cd ve Hg konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu tespit edilmiştir. Pearson R testine göre, Fe2O3 ve TiO2, Ni ve Cr, Zr ve Ga, Nb ve Ga, Pb ve Y, Nb ve Zr arasında güçlü bir korelasyon olduğu tespit edilmiş ve çizilen dağılım haritalarında da bu durum açıkça görülebilmiştir. Ayrıca, topraktaki  metallerin Tehlike Katsayısı (HQ) değerlerinin bölgede Cr> As> Mn> Pb> Ni> Ba> Sr> Cu> Zn olarak sıralandığı görülmüştür. Bununla birlikte, analiz edilen her bir toprak örneğinin, ağır metal maruziyetine bağlı Tehlike İndeksi (HI) değerinin referans  değer 1 den daha düşük olduğu anlaşılmıştır. Bölge genelinde ağır metale bağlı kanser risk değerlerinin Cr> Ni> As> Pb şeklinde sıralandığı gözlenmiştir.
İçme sularındaki anyon ve katyon düzeylerinin araştırılması için toplam 119 numune ICP-OES ve İyon Kromatografi yöntemleriyle analiz edilmiş ve başkent Ankara için ilgili sağlık riskleri değerlendirilmiştir. Bölgedeki Ag, Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Sb, Sr, V, Zn katyonlarının ortalama konsantrasyonları sırasıyla 2.08 ppb, 27.15 ppb 4.46 ppb, 55.2 ppb, 0.23 ppb, 46.76 ppb, 1.65 ppm, 1.66 ppb, 1.97 ppb, 2.31 ppb, 15.46 ppb, 0.60 ppb, 3.07 ppb, 26.46 ppb, 2.20 ppb, 2.88 ppb, 0.85 ppm, 6.51 ppm, 22.50 ppb olarak belirlenmiş ve bölgeden toplanan tüm içme suyu örneklerinde Pb ve Se konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu görülmüştür. Ayrıca, örneklerdeki F-1, Cl-1, Br-1, NO2-1, SO4-2 anyonlarının ortalama konsantrasyon değerlerinin sırasıyla 269, 29490, 38, 20094, 66937 ppb olduğu ve NO3-1 ve PO4-3 konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, sudaki ağır metallerin Tehlike Katsayısı (HQ) değerlerinin, bölgede As> Hg> Cd> Sr> Cr> Ba> Ni> Zn> Cu> Mn> Sb şeklinde sıralandığı görülmüştür. Bununla birlikte, analiz edilen 12 su örneğinin Tehlike İndeksi (HI) değerinin, ağır metal maruziyetine bağlı sağlık riski açısından limit değerden daha yüksek olduğu anlaşılmıştır. Pearson R testi uygulandığında, Cd ile Co ve Mg ile Sr katyonları arasındaki korelasyonların çok güçlü olduğu ve Sr ile As ve Mg ile As'in birbirleriyle anlamlı derecede ilişkili olduğu tespit edilmiştir.
Bu tezin teorik bölümünde, topraktaki radyonüklit aktivite konsantrasyonları kullanılarak havada soğurulan gama doz hızının (ADRA) belirlenmesinde kullanılan doz dönüşüm faktörlerinin elde edilmesi için iki farklı metot uygulanmıştır. Bunlardan ilki 3 bilinmeyenli ve 4 değişkenli denklem sistemlerinin matris yoluyla çözümü, diğeri ise EGS-NRC kodunu kullanan yazılım yardımıyla Monte-Carlo metodu ile çözümü'dür. Matris çözümünde, 40K, 226Ra ve 232Th radyonüklidleri için doz dönüşüm faktörleri sırasıyla 0.0543 ± 0.0451, 0.485 ± 0.608 ve 0.550 ± 0.775 (nGy/sa)/(Bq/kg) olarak belirlenmiştir. Monte-Carlo çözümünde ise, 40K, 226Ra,  232Th ve 137Cs için doz dönüşüm faktörleri sırasıyla 0.0354 ± 0.0017, 0.340 ± 0.110, 0.508 ± 0.163 ve 0.117 ± 0.006 (nGy/sa)/(Bq/kg) olarak bulunmuştur.

Abstract:
The experimental aim of this study is to determine the outdoor radioactivity levels, radioactivity level of drinking waters, background level of heavy metal and metal oxide accumulation in soil and background level of anion and cation concentration in drinking water and to assess the relevant health risks for capital city Ankara which is the second largest city of Turkey with the significant population. The theoretical aim of this study is to obtain the conversion factors used for the determination of absorbed gamma dose rate in air (ADRA) by using the radionuclide concentrations in soil. 
For the outdoor radioactivity measurements, the total of 341 soil samples was collected and analysed at the laboratories and also absorbed gamma dose rates were measured at the same stations where soil samples were collected. Soil samples were obtained from uncultivated locations that were close to settlements. Open, flat and undisturbed geographical locations which had good water permeability were selected as the sampling points. The foreign bodies were removed and the remaining soil was placed in clean, sealed and labeled bags. The samples were dried at 105oC for 24 h, grained, passed through 2 mm sieves and placed in Marinelli type beakers. The samples were kept one month before the analysis at the airtight condition to allow secular equilibrium between thorium and radium and their decay products. Each sample was counted for 50000 s using a gamma spectroscopy device connected to a coaxial HPGe detector, Canberra, in the accredited laboratories of Radioactivity Analysis and Measurement Department in Çekmece Nuclear Research and Training Center (CNAEM).The mean activity of radionuclides 40K, 226Ra, 232Th, and 137Cs with the ranges were determined as 454 (23-1355) Bq/kg, 27 (6-186) Bq/kg, 33 (2-181) Bq/ kg and 3.3 (0.5-20.9) Bq/g, respectively for the soil of the region and these values are seen to be close to Turkey and worldwide averages but, extreme values in radionuclide concentration particularly around the district of Evren and Kızılcahamam were observed in the region. Also, the average outdoor absorbed gamma dose rate in air (ADRA) was measured 1 m away from the ground as 58.5 (1.4-231) nGy/h for the region and this value is the sum of the dose values sourced by cosmic and terrestrial radiations which are determined as 6.1 nGy/h and 52.4 nGy/h respectively. ADRA values were measured at higher levels in district of the Evren and Kizilcahamam mainly depending on 232Th concentration. Furthermore, the annual effective dose equivalent (AEDE) and excess lifetime cancer risk (ELCR) values due to outdoor gamma radiation exposures were calculated as 71.8 µSv/y and 2.69E-04 respectively for inhabitants of the region using factors recommended by ICRP and UNSCEAR. 
For the gross alpha and beta activity concentration in drinking waters, total of 121 samples was collected around the city. The measurements of the radioactivity concentrations of the gross beta in the water samples were performed using the EPA 900 evaporation method (Krieger & Whittaker, 1980). 300 mL aliquot of each sample prepared in a beaker was first acidified by 2-3 mL HNO3, and the solution as then evaporated to a volume of 5-10 mL on a hot-plate. The solution was transferred on a tarred 6 cm diameter steel planchet and dried in an oven at 105˚C for at least 2 h. The sample residue was cooled in desiccators for about 30 min followed by weighing of the sample. The radioactivity concentrations of the gross alpha and the gross beta in the water samples were measured using a gas proportional α/β counter of low background multiple detector type (Berthold LB 770).  The mean gross alpha and gross beta activities were determined as 105 (20-495) mBq L-1  and 195 (70-850) mBq L-1 respectively for the region. Also, mean annual effective dose due to gross alpha and gross beta activities were determined as 22 (3-101) µSv/y and 98 (4-428) µSv/y for inhabitants.  The mean estimated cancer risk value depending on irradiations was found to be 6.13E-04 for the region using the risk factors of ICRP 103. Furthermore, maps for the demonstration of relative distribution of activity in drinking waters and relevant dose were plotted. The average alpha and beta activity concentration in drinking waters of Ankara were significantly higher than the most of the Turkish investigated depending on rich radiological underground structure of the province. In addition, annual dose values in 36% of samples exceeded the limit values suggested by WHO for drinking waters in terms of beta activity and this was 0.8% for alpha activity. Moreover, contribution of K40 radionuclide to the Gross Beta activity in drinking waters of the region was determined as 47%. 
For the investigation of background level of heavy metal and metal oxide accumulation in soil, the collected total of 257 soil samples was analyzed. To determine the amount of elements in soil, the powdery soil samples were first weighed 12 g, taking care that they were milled below 200 mesh and 3 g of cellulose were added and mixed for 5 minutes in an agate vat. The samples were pressed for 3 minutes using a 25-ton hydraulic press with 40 mm diameter steel pellet cups to make pellets. Then, the powder samples prepared were analyzed by WDXRF spectrometry and quantities of elements were determined in ppm (μg/g).  Mean concentration of CaO, TiO2, V, Cr, Mn, Fe2O3, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Nd, Pb, Th, U, and Sc in soil were determined as 89462, 6176, 70.7, 142.9, 727.3, 44150, 20.1, 61.7, 21.8, 56.3, 11.3, 16.8, 63.3, 409.9, 17.1, 143.8, 11.1, 250.8, 25.6, 44.1, 31.2, 22.6, 10, 4.6, and 3.9 ppm (μg/g), respectively in the region and concentration of Cd and Hg in all soil samples were found to be lower than detection limits. According to Pearson R, correlations between Fe2O3 and TiO2, Ni and Cr, Zr and Ga, Nb and Ga, Pb and Y, Nb and Zr, were observed to be very strong and spatial distribution maps plotted for all analyzed for heavy metals and metal oxides in the region support these correlations visually. Moreover, it was seen that the Hazard Quotient (HQ) values of heavy metals in soil were decreased as Cr > As > Mn > Pb > Ni > Ba > Sr > Cu > Zn in the region. In addition, it was seen that the Hazard Index (HI) value of each analyzed soil sample was found to be lower than the reference value of one in terms of health risk depending on heavy metal exposure. Finally, it was seen that the cancer risk values were decreased in the order of Cr > Ni > As > Pb for the region.
For the investigation of background level of anions and cations in drinking waters, the collected total of 119 samples were analyzed and relevant health risks were assessed for the capital city Ankara. Analyzes of anions in drinking water samples were carried out with Ion chromatograph of ICS-3000 DIONEX. Analyzes of cations in water were performed using Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) of Perkin Elmer Optima 7000 DV and As, Hg, and Sb cations were analyzed by Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry/Continuous Flow Hydride Generation (ICP-OES/CFHG) method.Mean concentration of cations Ag, Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Sb, Sr, V, Zn were determined as 2.08 ppb, 27.15 ppb, 4.46 ppb, 55.2 ppb, 0.23 ppb, 46.76 ppb, 1.65 ppm, 1.66 ppb, 1.97 ppb, 2.31 ppb, 15.46 ppb, 0.60 ppb, 3.07 ppb, 26.46 ppb, 2.20 ppb, 2.88 ppb, 0.85 ppm, 6.51 ppm, 22.50 ppb, respectively in the region and the concentration of Pb and Se in all samples were found to be lower than detection limits. Also, mean concentration value of anions F-, Cl-, Br-, NO2-1, SO4-2 were determined as 269, 29490, 38, 20094, 66937 ppb, respectively and concentration of NO3-1 and PO4-3 in all samples were found to be lower than detection limits. Moreover, it was seen that the Hazard Quotient (HQ) values of heavy metals in water were decreased as As > Hg > Cd > Sr > Cr > Ba > Ni > Zn > Cu > Mn > Sb in the region. In addition, it was found that the Hazard Index (HI) value of 12 analyzed water samples was found to be higher than the reference value of one in terms of health risk depending on heavy metal exposure. According to Pearson R, correlations between cations Cd and Co, Mg and Sr, were observed to be very strong and Sr and As, Mg and As, were correlated each other significantly.
In theorytical part of the thesis, to obtain the dose conversion factors used for the determination of absorbed gamma dose rate in air (ADRA) by using the radionuclide concentrations in soil two different methods were applied that are matrix solution of equations with 3 unknown variables and the Monte-Carlo solution with the help of software using the code of EGS-NRC. In matrix solution, the dose conversion factors of 0.0543±0.0451, 0.485±0.608 and 0.550±0.775 (nGy/h)/(Bq/kg)  were determined for the radionuclides of the 40K, 226Ra and 232Th respectively. In Monte-Carlo solution, the conversion factors of 0.0354±0.0017, 0.345±0.110, 0.508±0.163 and 0.117±0.006 (nGy/h)/(Bq/kg) were determined for the radionuclides of the 40K, 226Ra, 232Th and 137Cs respectively. It was seen that these values were quite comperable with the values determined in other studies.