Rautapitoisuus (limnologia)

Rautapitoisuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ja talousveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla määritetään vesistössä olevan eri rautaionien yhteispitoisuus. Suomalaisissa vesistöissä rautapitoisuus on yhteydessä vedenväriin ja humuksen esiintymiseen. Juomavesissä rautapitoisuus liittyy kallioiden ja moreenimaan pohjavesien käyttökelpoisuuteen. Rautaioinit muodostavat hapen kanssa rautaoksidia ja ruosteenvärisiä yhdisteitä, jotka samentavat ja värittävät juomavettä sekä värjäävät kodinkoneita ja kosteita tiloja. Rautapitoisuus vedessä ilmaistaan joko mikrogrammoina litrassa vettä (µg/l) tai milligrammoina litrassa (mg/l). Englanninkielisissä maissa yksikkönä käytetään miljoonasosia (ppm) tai miljardisosia (ppb). Kun vesitutkimuksessa esitellään monia erilaisia pitoisuuksia, erotetaan raudan pitoisuudet yksiköillä µgFe/l tai mgFe/l (lyhenne Fe tarkoittaa rautaa).
Mittaaminen.
Rautapitoisuuden mittaamiseen on useita menetelmiä. Varsin helppo tapa on käyttää fotometrista mittaustapaa, jolla saadaan 5–1 500 µg/l pitoisuudet melko luotettavasti mitattua. Rautapitoinen vesi saatetaan reagoitavaan muotoon hapettamalla se peroksodisulfaatilla happamassa tilassa. Fe3+-ionit pelkistetään hydroksyyliammoniumkloridilla Fe2+-ioneiksi, joka muodostaa happamassa olosuhteissa 2,4,6-tripyridiini-s-triatsiinin (TPTZ, triatsiinit) kanssa violetin kompleksiyhdisteen Fe(TPTZ)22+. Määrätyllä aallonpituudella tämä kompleksiyhdiste absorboi valoa. Mittaamalla kuinka suuri absorptio on, voidaan raudan pitoisuus määrittää.
Rauta luonnossa.
Raudan lähteitä.
Raudan alkuperä on kallioperän mineraaleissa. Kallioiden pohjavesi uuttaa sitä kallion raoista, joista se liukenee veteen Fe2+-ioneina. Myös hiekassa, sorassa ja moreenissa on samaa rautaa, joka liukenee nyt tavalliseen pohjaveteen. Sieltä se kulkeutuu ihmisravinnoksi haja-asutuksien kaivoista tai kunnallisen vesijohtoverkon kautta. Keskitetty vedenotto huomioi rautapitoisuuden ja riski saada liian paljon rautaa tätä kautta on pieni. Yksityisen kaivon rautapitoisuutta voi omistaja itse tutkituttaa, mutta sen voi havaita itsekin suoraan juomalasin veden ruskeasta väristä tai raudan saostumisesta ruosteväriksi kodinkoneen pintoihin.
Virtaavissa vesistöissä esiintyy myös rautaa. Sitä huuhtoutuu sinne maaperästä pintavalumina, pohjavesivalumina tai virtaavan veden eroosion tuomana. Erityisesti jokien eroosio irrottaa savea ja lietteitä mukaansa ja sameassa vedessä rauta pääsee liukenemaan runsaana veteen. Myös humusta sisältävä vesi on tavallista rautapitoisempaa, koska rauta tarttuu herkästi orgaanisiin happoihin. Veteen liuennut happi pelkistää Fe2+-ionit niukkaliukoiseksi Fe3+-ioneiksi. Tämä raudan muoto saostuu rautahydoksidi-ioniksi (Fe(OH)2+) vesistön sedimentteihin. Rauta pysyy liukoisena varsinkin pohjaveden hapettomissa olosuhteissa. Samoin, jos vesistöstä katoaa happi, hapettuu rauta Fe2+-ioneiksi ja se liukenee takaisin veteen. Koska rautaa liukenee veteen jatkuvasti ja sitä saostuu pohjalle koko ajan, kertyy rauta järvien ja soiden pohjalle järvimalmiksi tai suomalmiksi. Näitä raudan lähteitä on hyödynnetty Euroopan keski- ja pohjoisosissa jo 3 000 vuotta sitten.
Veteen joutunut rauta reagoi veden ja hapen kanssa muodostaen reaktioketjun
formula_1 
Viimeiset kaksi reaktiotuotetta ovat rauta(III)hydroksidi ja hydratoitu rauta(II)oksidi.
Raudan pitoisuuksia luonnossa.
Meriveden keskimääräinen rautapitoisuus on 1–3 ppm = 1–3 mg/l = 1 000–3 000 μg/l. Pitoisuudet vaihtelevat merialueittain ja ne ovat erisuuruiset esimerkiksi Tyynellämerellä ja Atlantissa. Jokivedessä pitoisuudet vaihtelevat kallio- ja maaperän mukaan. Tavallisesti ne ovat 0,5–1,0 ppm = 500–1 000 mg/l ja keskiarvona ilmoitetaan myös 0,7 mg/l = 700 μg/l. Pohjavesi sisältää noin 0,5–10 mg/l = 500–10 000 μg/l. Joskus pohjaveden rautapitoisuus voi kohota 50 mg/l = 50 000 μg/l.
Tyypillisiä arvoja Suomessa.
Rautapitoisuus on kullekin vesistölle tyypillinen arvo. Toiset järvet ovat rautapitoisia ja toisissa sitä on vähemmän. Pienimmät pitoisuudet esiintyvät kirkkaissa ja karuissa vesissä, joissa pintaveden rautapitoisuus on yleensä 50–200 µg/l. Humusvesissä taso on selvästi korkeampi, koska rauta on sitoutunut humusyhdisteisiin. Normaalina tasona voidaan pitää 400–600 µg/l. Erittäin ruskeissa humusvesissä, kuten esimerkiksi suovesissä, rautapitoisuus kohoaa jopa 1 000 µg/l = 1,0 mg/l.
Eroosio lisää rautapitoisuuksia, sillä huuhtoutuvassa maa-aineksessa oleva rauta liukenee hienoaineksen suuresta pinta-alasta veteen tehokkaasti. Erittäin sameissa jokivesissä, joita syntyy sateilla tai kevättulvissa, rautapitoisuudet vaihtelevat 3–6 mg/l = 3 000–6 000 µg/l tai ylittävät nämä rajat. Järven pohjassa olevat sedimentit sisältävät paljon sinne vajonutta saostunutta rautaa. Järven pohjalla olevan veden happitilanteesta riippu paljon, miten rauta liukenee takaisin veteen. Hapettomissa oloissa niukkaliukoinen rauta (Fe3+) pelkistyy runsasliukoiseksi raudaksi (Fe2+). On hyvin tavallista, että lämpötilakerrostuneen järven hapettomassa alusvedessä on rautapitoisuus kohonnut pitoisuuksiin 1–10 mg/l = 1 000–10 000 µg/l raudan pelkistysasteesta riippuen. Alusveteen vapautunut rauta hapettuu täyskiertojen yhteydessä ja sitoo samalla osan liuenneesta fosforista takaisin sedimentteihin. Terveessä järvessä tämä systeemi huolehtii siitä, ettei veden fosforipitoisuus nouse haitallisen korkealle.
Suomessa pohjaveden rautapitoisuuden keskiarvoja korkeampia pitoisuuksia löytyy Pohjanmaan ja Lounais-Suomen savikoilta. Myös moreenimaiden pohjavesi on usein rautapitoista.
Talousvesi.
Juomaveden käyttöarvo yleensä putoaa rautapitoisuuden kasvaessa. Vaikka rauta on ihmiselle tärkeä hivenaine, voi se korkeina pitoisuuksina olla haitallinen aine. Hyvälaatuisessa talousvedessä rautaa on alle 0,1 mg/l = 100 μg/l ja sen suositeltu enimmäispitoisuus on kunnallisessa talousvedessä 200 μg/l ja yksityisellä hieman korkeampi 400 μg/l. Raudan alkaa maistaa juomavedessä noin 500–1 000 μg/l, mutta tämä pitoisuus ei aiheuta vielä terveyshaittoja. Oman kaivon tai lähteen käyttäjän tulee kuitenkin seurata rautavedessä elävien rautabakteerien lisääntymistä.
Ihmisessä olevan raudan kokonaismäärä on noin 4 grammaa. Ihminen tarvitee vuorokaudessa useita milligrammoja rautaa korvatakseen kehosta poistuvan raudan. Miehillä tarve on 7 mg ja naisilla 11 mg vuorokaudessa. Raudan pitkäaikainen puute aiheuttaa anemiaa, sillä punaisten verisolujen hemoglobiini rakentuu raudan ympärille. Hemoglobiinin rauta tarttuu verenkierrossa happeen ja kuljettaa sen soluihin ja palatessaan keuhkoihin se kuljettaa soluista pois hiilidioksidia. Lihasten punaisuus johtuu myoglobiinista, joka sisältää myös rautaa. Rauta osallistuu useisiin ihmiskehon prosesseihin ja sitä tarvitaan jatkuvasti riittävä määrä kehossa. Jos rautaa on riittävästi, raudan ylimäärää varastoituu maksaan, haimaan, pernaan, sydämeen ja luuytimeen. Jos rautaa kertyy liikaa, alkaa se vaurioittaa näitä varastoelimiä. Ihminen hyödyntää ravinnostaan juuri hapettunutta rautaa (Fe2+) sen eri yhdisteissään, jota se saa ravinnosta ja juomavedestä. Jatkuva yli 200 mg/l pitoisen juomaveden nauttiminen aiheutta lopulta tällaisen vaarallisen tilan. Tappava pitoisuus on kuitenkin 10–50 g kehossa.
Raudan kohonneet arvot aiheuttavat myös muunlaista haittaa. Rauta värjää veden ruosteen väriseksi. Tällöin pitoisuudet ovat jo maistamisen pitoisuuksia moninkertaisia ja kyseessä onkin vaikeasta rautaongelmasta. Kaikki väriongelmat eivät johdu lähdeveden tilasta, vaan syy saattaa olla esimerkiksi putkiston korroosiosta. Siihen voi veden rautapitoisuus olla alkuperäinen syyllinen, sillä rauta aiheuttaa korroosiota. Kun vesiputket ruostuvat, värjäävät myös ne vesijohtovettä. Värjäytynyt vesi tarttuu kaikenlaisille pinnoille. Lavuaarit, pesutilojen kaakelit, astian- ja pyykinpesukoneiden sisäosat, astiat, vaatteet ja yleensä kaikki, jotka ovat veden kanssa toistuvasti tekemisissä, värjäytyvät ruosteen väriseksi. Värjäävä pitoisuus on yleensä 0,3 mg/l = 300 μg/l.
Raudan poistaminen talousvedestä on useitakin menetelmiä. Pelkistynyttä rautaa (Fe2+) voidaan poistaa ioninvaihdolla, mutta silloin vedessä ei saa olla happea. Ilmastus eli ilmakuplien johtaminen veteen, veden sumuttaminen ilmaan tai muu happea lisäävä toimenpide hapettaa raudan (Fe3+), joka muuntuu lopuksi rautahydroksidina saostuvaan muotoon. Biologinen hapetus tehdään rautabakteerien avulla, jotka käyttävät pelkistynyttä rautaa happipitoisessa vedessä ravintonaan ja tuottavat rautakarbonaattia ja rautahydroksidia, jotka saostuvat vedestä pois. Kotitalouksille myydään pieniä suodattimia, joissa raudanhapetuksen aiheuttaa katalysoiva massa.