بررسی غلظت و الگوی پراکنش فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات سطحی رودخانه کارون با استفاده از زمین آمار در محیط GIS

مقاله پژوهشی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و سوم، شماره شش، شهریورماه 1400(244-229)

بررسی غلظت و الگوی پراکنش فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات سطحی رودخانه کارون با استفاده از زمین آمار در محیط GIS

میرمهرداد میرسنجری[1] ^*

mmmirsanjari@malayeru.ac.ir

فریبا هدایت زاده[2]

حمیدرضا پورخباز[3]

چکیده

زمینه و هدف: در اکوسیستم­های آبی فلزات سنگین به علت سمیت و پایداری بالا و نیز آثار فیزیولوژیکی­شان بر موجودات زنده، بسیار حایز اهمیت هستند. هدف از این پژوهش مطالعه و بررسی میزان غلظت فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات سطحی رودخانه کارون و الگوی توزیع مکانی آن­ها است.

روش بررسی: برای بررسی میزان و چگونگی توزیع غلظت فلزات سنگین سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات رودخانه کارون، در تابستان و زمستان 1394، شش ایستگاه انتخاب و با استفاده از روش سیستماتیک تصادفی، از هر ایستگاه سه نمونه از رسوبات رودخانه برداشت شد. پس از انتقال نمونه­ها به آزمایشگاه، خشک کردن و هضم نمونه­ها، سنجش فلزات سنگین با استفاده از دستگاه جذب اتمی شعله صورت گرفت. بعد از انجام تجزیه و تحلیل­های آزمایشگاهی به منظور درون­یابی توزیع غلظت عناصر سنگین از روش معکوس وزنی استفاده شد.

یافته­ها: نتایج حاصل از اندازه­گیری غلظت فلزات نشان داد که فلز روی بیش­ترین تجمع و فلز کادمیوم کم­ترین تجمع را در رسوبات سطحی رودخانه کارون داراست. میانگین غلظت فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در فصل تابستان به ترتیب 28/26، 36/72، 48/53 و 85/3 میکروگرم برگرم وزن خشک و در زمستان به ترتیب 47/13، 54/59، 26/30 و 42/0میکروگرم بر گرم وزن خشک اندازه­گیری شد.

بحث و نتیجه­گیری: مقایسه میزان اندازه­گیری شده فلزات سنگین مورد مطالعه با راهنمای کیفیت رسوب آمریکا و کانادا نشان داد که تنها غلظت فلز کروم در فصل تابستان از سطح TEL و فلز کادمیوم نیز از سطح PEL و TEL بیش­تر بود. غلظت سایر فلزات بسیار کمتر از حدود راهنما به دست آمد. یافته­های این تحقیق اطلاعات مناسبی را در مورد توزیع غلظت فلزات سنگین در رسوبات رودخانه کارون ارایه می­کند که می­تواند به فرایندهای پایش و ارزیابی رسوبات در منطقه مورد مطالعه کمک کند.

واژه­های کلیدی: فلزات سنگین، رسوبات، رودخانه کارون، زمین آمار.

Evaluation of the concentration and distribution pattern of lead, zinc, chromium and cadmium in surface sediments of Karun River using geostatistics in GIS environment

Mir Mehrdad Mirsanjari[4]^*

mmmirsanjari@malayeru.ac.ir

Fariba Hedayatzadeh[5]

Hamidreza Pourkhabbaz[6]

Abstract

Background and Objective: In aquatic ecosystems heavy metals are very important due to their toxicity and endurance and having a high bio-accumulation in the environment. The aim of this research, Evaluation of the concentration and distribution pattern of heavy metals (lead, zinc, chromium and cadmium) in surface sediments of the Karun River.

Material and Methodology: To determine the concentration and distribution of heavy metals (lead, zinc, chromium and cadmium) in sediments of the Karun River in summer and winter of 2015, six stations were selected and from each station 3 samples of sediments were randomly collected. After transferring samples to the laboratory, drying and digestion of samples, the measurement of heavy metals was performed using a Flame atomic absorption spectrometry. An inverse weight-distance method was used to interpolate the distribution of heavy metals.

Findings: According to the results, zinc had the highest concentration and cadmium had the lowest concentration among the studied metals in the surface sediments of the Karun River. The mean concentrations of lead, zinc, chromium and cadmium in summer were 26.28, 72.36, 53.48 and 3.85 μg/g dry weight and in winter were 13.47, 59.59, 30.26 And 0.42 μg/g dry weight, respectively.

Discussion and Conclusion: Comparison of the measured heavy metals concentration by the American and Canadian national guidelines indicated that levels of Cr in the summer and Cd in surface sediments were higher than the Threshold effect level (Canadian Guideline) and Lowest Effect Level (NOAA Guideline). Whereas Concentrations of other metals were lower than mentioned limits. The findings of this study provide useful information on the distribution of heavy metals concentration in the Karun River sediments which can help monitoring and assessment of sediments in the region.

Key words: Heavy metals, Sediments, Karoon River, Geostatistics.

مقدمه

امروزه افزایش جمعیت و توسعه صنایع مختلف و گسترش مناطق کشاورزی باعث ورود حجم بالای آلاینده­های مختلف به محیط­های آبی گردیده است (1). آلاینده­های محیط زیستی از جمله عوامل مختل­کننده­ی اکوسیستم­های طبیعی به شمار می­روند و از میان آن­ها فلزات سنگین به علت اثرات سمی، پایداری بالا و پتانسیل بالای تجمع زیستی در بسیاری از گونه­های آبزی قابل توجه هستند (2). خاصیت تجمع پذیری و تغلیظ زیستی این آلاینده­ها در بافت­های مختلف موجودات زنده و نیز تجزیه نشدن بیولوژیکی­شان باعث می­شود غلظت این فلزات در سطوح بالای زنجیره­های غذایی افزایش یابد و سبب بروز اختلالاتی در عملکرد طبیعی موجودات زنده شوند (3). به همین دلیل آلودگی فلزات سنگین در آب و رسوبات اکوسیستم­های آبی از بزرگ­ترین معضلات محیط زیست به حساب می­آید و لذا آگاهی از میزان این آلاینده­ها و پراکنش آن­ها در محیط­های آبی برای حفظ محیط زیست و سلامت موجودات زنده از جمله انسان بسیار حایز اهمیت است (4). رسوبات جزئی تفکیک ناپذیر از اکوسیستم­های آبی به شمار می­روند و اغلب به منزله­ء مخزن نهایی برای تجمع فلزات سمی محیط­های ساحلی در نظر گرفته می­شوند (5). وقتی عناصر فلزی به محیط­های ساحلی وارد می­شوند، به صورت مجموعه­هایی به یکدیگر می­پیوندند و در نهایت در رسوبات تجمع می­یابند و هنگامی که تعادل بین رسوبات و آب پوشاننده­ی روی آن شکسته می­شود. رسوبات عناصر سمی را به سرعت در زنجیره غذایی وارد می­کنند و در نتیجه تغییرات بنیادی در اکوسیستم که می­تواند برای سلامت بشر مضر باشد رخ می­دهد (6). پس در مجموع آب و رسوبات به منزله­ی معرف و شناساگر مهمی برای آلودگی مطرح­اند و می­توانند برای برآورد میزان آلودگی در محیط زیست و خصوصاً محیط­های آبی استفاده شوند (7).

در میان اکوسیستم­های آبی، رودخانه­ها به عنوان یکی از منابع اساسی تأمین آب برای مصارف گوناگون مطرح هستند که با توجه به اهمیت این مجاری حفظ کیفیت آب رودخانه­ها مهم می­باشد. رودخانه کارون به عنوان پرآب ترین رود کشور، با تأمین آب مورد نیاز صنایع نقش مهمی در تأمین منافع ملی بر عهده دارد. همچنین رودخانه در کناره­های خود اراضی مزروعی و شهرهای بزرگی را جای داده است و از آب این رودخانه جهت شرب، آبیاری سطوح زیرکشت، فضای سبز شهری و نیز تکثیر و پرورش آبزیان استفاده می­شود (7). لذا تضمین کیفیت آب رودخانه کارون از نظر بسیاری از آلاینده­ها در سلامت و بهداشت مصرف ­کنندگان آب شرب، نقش بسزایی را ایفا می­کند و واضح است که هرگونه تغییر در کیفیت و غلظت املاح آب رودخانه می­تواند صدمات جبران ناپذیری را ایجاد نماید. این در حالی است که  متأسفانه بر اثر توسعه شدید شهرنشینی، صنایع و تکنولوژی و افزایش سطوح زیر کشت، سالانه آلاینده های مختلفی از نظر فیزیکی، شیمیایی و زیستی وارد این رودخانه می گردد (9). در میان آلاینده­های ورودی به رودخانه کارون، فلزات سنگین به علت سمی بودن و دسترسی زیستی بالا، از نگرانی­های مهم و عمده برای این اکوسیستم به حساب می­آیند.

برای ارزیابی وضعیت آلودگی خاک، آب و رسوبات به فلزات سنگین و تعیین مناطق آلوده، نمونه برداری امری ضروری است؛ اما به دلیل وسعت مکانی و مشکلات مرتبط با نمونه­های جمع آوری شده برای تعیین مناطق آلوده و مناطق در معرض آلودگی، استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) و روش­های زمین آمار بسیار مفید است (Sengupt, 2002). با استفاده از این روش­ها علاوه بر توصیف و مشاهده الگوی تغییرات مکانی داده­ها، می­توان به تخمین و تهیه نقشه­های کمی پراکنش آلودگی اقدام کرد (Webster & Burges, 2002). مطالعات متعددی در کشورهای مختلف برای درون یابی و تعیین توزیع مکانی غلظت فلزات سنگین انجام شده است که می­توان به مطالعه حسینی و همکاران (1390) با عنوان ارزیابی آلودگی رسوبات سواحل دریای خزر با جیوه در استان مازندران با استفاده از GIS و زمین آمار اشاره کرد. آنها در این مطالعه از تخمین­گر زمین آماری معکوس فاصله­ی وزنی (IDW) استفاده کردند و به تهیه نقشه توزیع مکانی جیوه در رسوبات سواحل جنوبی دریای خزر پرداختند. همچنین، طاهری و همکاران (1393) طی مطالعه­ای به بررسی غلظت و پراکنش تغییرات مکانی فلز جیوه، سرب و کادمیوم در رسوبات سطحی جنگل­های مانگرو با استفاده از زمین آمار و GIS پرداختند. باقری و عظیمی (1394) در پژوهشی به مطالعه­ی پراکنش فلزات سنگین در رسوبات سطحی سواحل سیسنگان در جنوب دریای خزر با استفاده از GIS پرداختند. Rajendran و همکاران (2017) نیز در پژوهشی به بررسی فلزات سنگین در اکوسیستم­های مانگرو در ساحل جنوب شرقی هند با استفاده از روش­های زمین آماری و GIS پرداختند. Gue و همکاران (2012) نیز به منظور شناسایی منشأ و آثار انسانی در رسوبات سواحل Guangdong در چین، از تکنیک­های کریجینگ و وزن دهی فاصله­ای معکوس (IDW) به منزلهء دو روش درون یابی برای نشان دادن توزیع فلزات سنگین استفاده کردند. هدف از پژوهش حاضر، مطالعه و بررسی میزان غلظت فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات سطحی رودخانه کارون در دو فصل تابستان و زمستان است و به منظور دست­یابی به الگوی توزیع مکانی صحیح از این آلاینده­ها در این اکوسیستم و مدل­سازی پراکنش مکانی این فلزات، از GIS و اصول زمین آمار استفاده شد.

روش بررسی

منطقه مورد مطالعه

منطقه مورد مطالعه رودخانه کارون در استان خوزستان را در برمی­گیرد که با مختصات جغرافیایی 48درجه و 10دقیقه تا 52درجه و 30دقیقه طول شرقی و 30درجه و 20دقیقه تا 34درجه و 5دقیقه عرض شمالی محدود می­شود (17). به دلیل وسعت بالای این مجموعه و اهمیت بالایی که کیفیت آب رودخانه برای مصارف متفاوت داراست، مقطعی از رودخانه که محل آبگیر تصفیه خانه­های آب شرب شهرستان­های اهواز و ملاثانی می­باشد به عنوان محدوده مطالعاتی مد نظر قرار گرفته است. جهت انجام مطالعه حاضر، 6 ایستگاه به مختصات جغرافیایی زیر در نظر گرفته شد (شکل3-1).

   جدول 1- موقعیت جغرافیایی ایستگاه های نمونه برداری

Table 1- Geographic location of sampling stations

شکل 2- موقعیت منطقه و ایستگاه­ های مورد مطالعه از رودخانه کارون

Figure 1. Map of the study area and the study sites of Karoon River

عملیات نمونه ­برداری

نمونه برداری در طی دو فصل (تابستان و زمستان سال1394) از رسوبات ایستگاه­های مشخص شده با سه تکرار صورت گرفت. در مجموع از 6 ایستگاه طی هر فصل 18 نمونه رسوب برداشت گردید. نمونه­ها به وسیله کاردک پلاستیکی از 20 سانتی متری سطح بستر تهیه شدند (18). نمونه­های برداشت شده به طور جداگانه در ظروف پلی اتیلنی که دارای مشخصات ایستگاه و زمان نمونه برداری بودند، نگهداری شدند. سپس کلیه ظروف در یخ­دان با دمای کم­تر از 4 درجه سانتی­گراد نگهداری و به آزمایشگاه منتقل شدند. در آزمایشگاه تا فراهم شدن مقدمات کار نمونه­ها داخل فریزر آزمایشگاه نگهداری شد. نمونه­های رسوب از فریزر خارج شدند تا در دمای آزمایشگاه یخ زدایی شوند. سپس جهت انجام فرآیند هضم، مقداری از نمونه­های رسوبات به مدت 24 ساعت (تا ثابت شدن وزنشان) در آون در دمای 105 درجه سانتی­گراد خشک شدند. سپس به منظور یک دست کردن نمونه­ها، رسوبات خشک شده داخل هاون کوبیده شده و با استفاده از الک 63 میکرون الک شدند. برای تعیین غلظت کلی فلزات در نمونه های رسوب از روش ارایه شده توسط Yap و همکاران (2002) استفاده گردید. به این ترتیب  که جهت سنجش فلزات (کادمیوم، سرب، روی و کروم) یک گرم از رسوب الک شده را با افزودن 10 میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ (65%) و اسید پرکلریک (60%) به نسبت 4:1 و قرار دادن بر روی دستگاه هضم، به مدت یک ساعت در دمای 40 درجه سانتی­گراد و 4 ساعت در دمای 140درجه سانتی­گراد هضم گردید (Yap et al., 2002). پس از اتمام عمل هضم نمونه­های رسوب تمامی نمونه­ها در بالن حجمی 25 میلی لیتر، با آب دو بار تقطیر به حجم رسانده شدند و از کاغذ صافی واتمن 42 عبور داده و تا زمان تزریق به دستگاه جذب اتمی در ظروف مخصوص در دمای 4 درجه سانتی­گراد در یخچال نگهداری شدند. سرانجام برای سنجش فلزات سنگین از دستگاه جذب اتمی شعله مدل (AA- 67OG) Shimadzu استفاده گردید.

پس از بررسی نرمال بودن داده­ها با استفاده از آزمون شاپیروویلک و همگنی واریانس­ها با استفاده از آزمون لون، برای آنالیز اختلاف معنی­داری بین غلظت فلزات در ایستگاه­های مورد مطالعه از آنالیز واریانس یک­طرفه و آزمون دانکن استفاده شد. جهت بررسی اختلاف احتمالی غلظت فلزات سنگین مورد مطالعه در دو فصل مورد مطالعه از آزمون T-test استفاده شد. ترسیم نمودارها نیز با استفاده از نرم افزار Excel صورت پذیرفت.

تخمین­گر معکوس فاصله وزنی

یکی از راهکارهای تصحیح شیوه­ء وزن دهی یکسان به نمونه­ها، وزن دهی بیش­تر به نزدیک­ترین نمونه و اختصاص وزن کوچک­تر به نمونه­هایی است که دارای فاصله بیش­تری از محل تخمین است. بنابراین IDW روش تخمین متغییرها در نقاط نمونه برداری نشده با استفاده از ترکیب خطی ارزش متغییرها در نقاط نمونه­برداری شده است که براساس تابع معکوس فاصله از نقاط نمونه برداری شده، وزن دهی می­شود. بیان آماری چنین رویکرد وزن دهی، عبارت از وزن دهی براساس معکوس فاصله تا نقطه تخمین معادله به شرح زیر است:  

در رابطه؛ d_i: فاصلهء بین نقطهء تخمین تا هر یک از نمونه­های واقع در همسایگی آن؛ (₁x)Z: مقادیر نمونه­های واقع در همسایگی محل تخمین؛ (x₀)Z: مقدار تخمینی متغییر مورد نظر در نقطه­ی x₀ است (20).

یافته­ها

نتایج حاصل از آنالیز رسوبات در ایستگاه­های تحت بررسی از نظر میزان غلظت فلزات سنگین سرب، روی، کروم و کادمیوم در جدول 2 آورده شده است.

جدول2- میانگین غلظت فلزات سنگین (میکروگرم برگرم وزن خشک) در ایستگاه­های مختلف در دو فصل تابستان و زمستان

Tablae 2. Mean (±SE) of heavy metals concentration (µg/g^-1 dry weight) at different stations in summer and winter

میانگین غلظت فلزات مورد مطالعه در رسوبات ایستگاه­های مختلف در دو فصل تابستان و زمستان در اشکال 5-2 نشان داده شده است. نتایج آماری آزمون T-test جهت مقایسه میانگین غلظت فلزات در بین دو فصل نشان داد که غلظت فلزات مورد سنگین (سرب، روی، کروم و کادمیوم) در بخش­ رسوبات ایستگاه­های مورد مطالعه در دو فصل تابستان و زمستان دارای تغییرات معنی­ داری بوده ­است (05/0>P). مقایسه میزان فلزات بین ایستگاه­های مختلف نشان داد که برخی فلزات در فصل تابستان و برخی در زمستان در بین ایستگاه­های مطالعاتی دارای اختلاف معنی­دار می­باشند. حروف متفاوت بالای نمودارها بیان­گر وجود اختلاف معنی­دار در غلظت فلزات بین ایستگاه­های مختلف مطالعاتی است.

نتایج حاصل از اندازه­گیری میزان فلز سرب در رسوبات رودخانه کارون نشان داد که میانگین آن در ایستگاه­های مورد مطالعه در فصل تابستان و زمستان به ترتیب 77/4±28/26 و 65/8±47/13 میکروگرم برگرم وزن خشک بوده است. مقایسه آماری غلظت سرب در ایستگاه­های مورد مطالعه نشان داد که تنها در فصل زمستان اختلاف معنی­داری بین ایستگاه­ها وجود داشت (05/0P<). این فلز در فصل تابستان در ایستگاه 4 با میزان 14/29 میکروگرم بر گرم وزن خشک بیش­ترین میزان و کم­ترین میزان را در فصل زمستان با میزان 58/8 میکروگرم بر گرم وزن خشک در ایستگاه 1 داشته است (شکل2).

شکل 2- غلظت فلز سرب در رسوب در فصول و ایستگاه ­های مختلف

Figure 2. Lead concentration in sediment in the season and various stations

میانگین روی در رسوبات ایستگاه­های مورد مطالعه در رودخانه کارون در فصل تابستان 64/13±36/72 میکروگرم برگرم وزن خشک و در فصل زمستان 86/10±54/59 میکروگرم برگرم وزن اندازه­گیری شد. تنها در فصل تابستان تفاوت معنی داری بین غلظت­های روی در ایستگاه­های مختلف مشاهده شد (05/0P<). بیش­ترین و کم­ترین غلظت­های این فلز به ترتیب در تابستان در ایستگاه 4 با 29/89 میکروگرم برگرم وزن خشک و زمستان با 75/49 میکروگرم بر گرم وزن خشک در ایستگاه 3 اندازه­گیری شد (شکل3).

شکل 3- غلظت فلز روی در رسوب در فصول و ایستگاه ­های مختلف

Figure 3. Zinc concentration in sediment in the season and various stations

میانگین فلز کروم در رسوبات منطقه 27/6±48/53 و 88/1±26/30 میکروگرم برگرم وزن خشک در فصل تابستان و زمستان بوده است. بررسی­های آماری نشان داد که غلظت کروم در ایستگاه­های مختلف تنها در فصل زمستان دارای اختلاف معنی­داری است (05/0P<). بیش­ترین مقدار این فلز در تابستان در رسوب ایستگاه 4 با میزان 98/59 میکروگرم بر گرم وزن خشک و کم­ترین آن در زمستان با میزان 30 میکروگرم بر گرم وزن خشک در ایستگاه 3 مشاهده شد (شکل4).

شکل 4- غلظت فلز کروم در رسوب در فصول و ایستگاه ­های مختلف

Figure 4. Chromium concentration in sediment in the season and various stations

میانگین غلظت فلز کادمیوم در رسوب ایستگاه­های مختلف در فصل تابستان 65/0±85/3 میکروگرم برگرم وزن خشک و در فصل زمستان 23/0±42/0 میکروگرم برگرم وزن خشک مشاهده شد. بررسی آماری غلظت­های فلز کادمیوم در ایستگاه­های مختلف تنها در فصل تابستان اختلاف معنی­داری بین ایستگاه­ها نشان داد (05/0P<). بیش­ترین و کم­ترین غلظت کادمیوم به ترتیب در تابستان در ایستگاه 4 با 73/3 میکروگرم بر گرم وزن خشک و در زمستان با 31/0 میکروگرم بر گرم وزن خشک در ایستگاه 5 مشاهده گردید (شکل5).

شکل 5- غلظت فلز کادمیوم در رسوب در فصول و ایستگاه ­های مختلف

Figure 5. Cadmium concentration in sediment in the season and various stations

بحث و نتیجه گیری

بررسی و مقایسه میانگین غلظت فلزات مورد مطالعه در بخش رسوبات رودخانه در دو فصل تابستان و زمستان نشان داد که غلظت فلزات در فصل تابستان بیش­تر از فصل زمستان است. علت این تغییرات مربوط به بارش­های شدید در فصل زمستان می­باشد. این بارش­ها باعث ایجاد جریان­هایی در آب رودخانه می­شود که به این ترتیب به علت تلاطم و شوک وارد شده به آب مقادیری از رسوبات کف رودخانه جا به جا و فلزات سنگین داخل آن­ها توسط جریان آب شسته می­شود، ولی با شروع دوره گرما و افزایش مقدار تبخیر و پایان دوره بارش مجددا غلظت این فلزات در رسوب افزایش می­یابد. در واقع غلظت عناصر در تابستان با کاهش دبی رودخانه، شروع فصل بهره برداری بخش کشاورزی و افزایش تبخیر به بالاترین حد خود می­رسد. نتیجه این بخش از پژوهش با نتایج سایر مطالعات در این زمینه از جمله مطالعه رشمانلو و همکاران (1392)، شنبه­زاده و همکاران (1392) و نیز پژوهش موذنی و همکاران (1392) که نشان دادند که میانگین غلظت فلزات در فصل گرم(خشک) نسبت به فصل سرد(بارشی) بالاتر بود مطابقت دارد. که علت آن را بارش­های سنگین در فصل سرد دانستند که باعث رقیق سازی و تحرک فلزات سنگین در رسوبات و محیط آبی شده است. از سویی نتایج حاصل از مقایسه غلظت این فلزات در رسوبات ایستگاه­های مختلف در دو فصل تابستان و زمستان نشان داد که برخی فلزات در فصل تابستان و برخی در فصل زمستان در بین ایستگاه­های مطالعاتی دارای اختلاف معنی­دار می­باشند، که تفاوت در غلظت فلزات در فصول و ایستگاه­های مختلف ناشی از کم و زیاد شدن حجم آب رودخانه و تفاوت در آلاینده­های ورودی به رودخانه می­باشد. در فصولی که میزان فلزات در بین ایستگاه­های مختلف فاقد اختلاف معنی دار می­باشد، می­تواند حاکی از این باشد که منابع انتشار آلاینده­های فلزی در طول رودخانه و در مجاورت ایستگاه­های مورد مطالعه به میزان یکسانی منجر به نشر این فلزات در آب رودخانه می­شوند و فلزاتی که میزان آن­ها در بین ایستگاه­های مورد نظر دارای اختلاف معنی­دار بوده است (05/0P<)، می­تواند به این دلیل باشد که منابع تولید این فلزات به صورت نقطه­ای در محدوده مورد مطالعه قرار گرفته­اند.

نتایج حاصل از بررسی غلظت فلزات سنگین در رسوبات نشان داد که الگوی تجمع عناصر مختلف بدین صورت است: کادمیوم < سرب < کروم < روی. همان­ گونه که مشاهده می­شود فلز روی نسبت به سایر عناصر دارای غلظت بالاتری می­باشد که دلیل بالابودن میزان این عنصر در منابع آبی می­تواند ورود پساب ناشی از فعالیت­های کشاورزی، صنایع و فاضلاب­های خانگی به این اکوسیستم­ها باشد (24). با توجه به این­که این پساب­ها به وفور وارد رودخانه کارون می­شوند، لذا بالا بودن این فلز نسبت به سایر فلزات مورد مطالعه قابل توجیه است. از طرف دیگر در میان عناصر مورد مطالعه کم­ترین غلظت در رسوب مربوط به عنصر کادمیوم بوده است. با توجه به میزان عنصر کادمیوم در رسوبات دریایی (در محدوده 1/0تا 6/0 میکروگرم برگرم وزن خشک) اختصاص کمترین غلظت میان عناصر اندازه گیری شده به عنصر کادمیوم در رسوبات توجیه پذیر است (25). نتایج مطالعه­ی Rybak و همکاران (2012) در دو اکوسیستم در غرب لهستان، نشان داد غلظت متوسط فلزات در نمونه رسوب به ترتیب Ca>Mg>Pb>Ni>Cd می­باشد و کادمیوم کم­ترین میزان را داشته است. مطالعه­ی دادالهی­سهراب و همکاران (2011) نیز در بررسی میزان غلظت برخی فلزات در منطقه تنگه هرمز نشان داد میانگین سطح فلزات در رسوبات به ترتیب Fe>Zn>Pb>Ni>Cu>Cd بوده است، که فلز روی بعد از آهن بیشترین غلظت و فلز کادمیوم کم­ترین غلظت را در رسوبات مطابق نتایج مطالعه حاضر داشته است.

نقشه­های الگوی توزیع مکانی غلظت فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در رسوبات سطحی رودخانه کارون در دو فصل تابستان و زمستان نیز به ترتیب در شکل­های آورده شده است. نقشه­های ترسیم شده نشان می­دهد که الگوی توزیع مکانی بیش­تر فلزات مشابه است و تمرکز غلظتی این فلزات بیشتر به سمت ایستگاه 4 و غرب آن است. میانگین غلظت فلزات در رسوبات ایستگاه 4 که محل تأمین آب تصفیه خانه شماره 1 می­باشد نسبت به سایر ایستگاه­ها دارای بیش­ترین میزان و ایستگاه 5 و 6 که محل تأمین آب تصفیه خانه شماره 2 و تصفیه­خانه ملاثانی می­باشند دارای کم­ترین میزان بود. ایستگاه­های واقع در بالا دست رودخانه غلظت عناصر سنگین در رودخانه پایین است ولی در محدوده شهر پس از رهاسازی فاضلاب شهری و صنعتی و در نهایت در ایستگاه­های پایین دست رودخانه که بعد از محل خروجی فاضلاب­های مذکور قرار دارند غلظت این عناصر افزایش می­یابد. در محدوده داخلی شهر عمدتاً فاضلاب­های شهری و صنعتی به رودخانه کارون منتهی می­شوند پس ایستگاه­هایی مانند ایستگاه­های 3 و به ویژه 4 یعنی محل تأمین آب تصفیه خانه­های شماره3 و 1 که در این محدوده واقع هستند پذیرای فاضلاب­های شهری و صنعتی می­باشند. با توجه به اینکه ایستگاه 4 محل خروجی فاضلاب شهری به رودخانه کارون می­باشد، پس افزایش فلزات در ایستگاه 4 را می­توان به کانال خروجی فاضلاب شهری استقرار یافته در این ایستگاه نسبت داد و ایستگاه 5 با توجه به اینکه در بالادست رودخانه واقع است پذیرای آلاینده­های کمتری می­باشد.

شکل 6- نقشه توزیه مکانی فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در ایستگاه­ها در فصل زمستان

Figure 6. The spatial distribution map of lead, zinc, chromium and cadmium at stations in winter

شکل 7- نقشه توزیه مکانی فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم در ایستگاه­ها در فصل زمستان

Figure 7. The spatial distribution map of lead, zinc, chromium and cadmium at stations in summer

برای تعیین میزان آلودگی رسوبات سطحی رودخانه به فلزات سرب، روی، کروم و کادمیوم، میانگین مقادیر غلظت محاسبه شده برای این فلزات با استانداردهای کیفیت رسوب آمریکا (NOAA)، استاندارد کیفیت رسوب کانادا (ISQGs) مقایسه شد. این استانداردها برای ارزیابی درجه آلودگی و بررسی میزان تأثیر آلاینده­ها روی موجودات زنده استفاده می­شوند. در واقع این استانداردها غلظتی از آلاینده­ها را نشان می­دهند که در مقادیر پایین­تر از آن، آثار بیولوژیکی به ندرت مشاهده می­شوند. از طرفی اگر غلظت آلاینده بیش­تر از این مقادیر باشد، آثار بیولوژیکی به فراوانی رخ خواهد داد. استاندارد NOAA با شاخص­های ERL و ERM و استاندارد ISQGs با شاخص­های TEL و  PEL نشان داده می­شوند. به منظور تعیین اختلاف معنی­دار غلظت فلزات تحت بررسی در رسوبات سطحی با استانداردهای NOAA و USEPA از آزمون One sample t.test استفاده شد.

جدول 3- مقایسه میانگین غلظت فلزات ­سنگین در رسوبات رودخانه­ کارون با برخی استانداردهای جهانی

Table 3. Comparison of the average concentration heavy metals in Karoon River sediments by the some national standards

  مقایسه میزان اندازه گیری شده فلزات سنگین مورد مطالعه در رسوبات رودخانه کارون با راهنماهای کیفیت رسوب نشان داد که غلظت فلزات سرب و روی در رسوبات منطقه مورد مطالعه از سطوح مورد تأکید NOAA (ERL و ERM) و راهنمای کیفیت رسوب کانادا (TEL و PEL) بسیار کم­تر است. اما میانگین فلز کروم در رسوبات منطقه در فصل تابستان از حد TEL در راهنمای کیفیت رسوب NOAA و میانگین فلز کادمیوم نیز از حد TEL و PEL در راهنمای کیفیت رسوب کانادا بیشتر بود. همان­طور که ملاحظه می­شود غلظت فلز کادمیوم نسبت به سایر فلزات به میزان بیش­تری در مقایسه با برخی استانداردهای مورد مطالعه بالاتر است حضور فلزات سنگین بیش از استانداردهای تعریف شده در محیط باعث بروز مشکلات و عوارض زیست محیطی برای ساکنان آن محل و اکوسیستم می­گردد. کادمیوم و ترکیبات آن بسیار سمی است و این فلز برای هیچ یک از عملکرد­های بیولوژیکی در بدن انسان ضروری شناخته نشده است (30). پس منابع انتشار این فلز به رودخانه کارون که منجر به افزایش غلظت فلز کادمیوم می­گردد باید کنترل گردد و پایش­های مستمر و منظم بر روی غلظت فلزات سنگین منطقه صورت گیرد. پژوهش میرزایی و سلگی (1394) در بررسی غلظت فلزات سنگین در رسوبات رودخانه زاینده رود حاکی از میزان بالای کادمیوم و بیش از استانداردهای جهانی به دلیل صنایع آبکاری و فعالیت­های کشاورزی در ایستگاه­های بالادست بود که با نتایج این پژوهش مطابقت دارد. بنابراین گرچه میزان این عناصر در رسوبات منطقه در حد خطرناک و بحرانی نیست اما بایستی پیش از آن­که تهدیدی جدی برای سلامت محیط زیست و موجودات منطقه تبدیل شوند، با اقدامات پیشگیرانه، مدیریت و نظارت صحیح از افزایش این آلاینده­ها جلوگیری نمود.

References

1. Adel, M., et al., Heavy metal concentration in muscle of pike (Esox lucius Linnaeus, 1758) from Anzali international wetland, southwest of the Caspian Sea and their consumption risk assessment. Toxin Reviews, 2016; 35(3-4): 217-223.
2. Khaled, A., ElNemr, A., ElSikaily, A. 2006. "An assessment of heavy metal contamination in surface sediments of the Suez Gulf using geoaccumulation indexes and statistical analysis", Chemistry and Ecology. 22(3): 239-252.
3. Zamani-Ahmadmahmoodi, R., Esmaili-Sari, A., Mohammadi, J., Bakhtiari, A. R., &Savabieasfahani, M. 2013.Spatial distribution of cadmium and lead in the sediments of the western Anzali wetlands on the coast of the Caspian Sea (Iran).Marine pollution bulletin, 74(1), 464-470 pp.
4. Laboy-Nieves, E.N., Conde, J.E. 2001. "Metal levels in eviscerated tissue of shallowwater deposit-feeding holothurians", Journal of Hydrobiologia, 459: 19-26.
5. Sin, S. N., Chua, H., Lo, W., & Ng, L. M. 2001.Assessment of heavy metal cations in sediments of ShingMun River, Hong Kong.Environment International.26(5), 297-301 pp.
6. Malferrari, D., Brigatti, M. F., Laurora, A., &Pini, S. 2009. Heavy metals in sediments from canals for water supplying and drainage: mobilization and control strategies. Journal of Hazardous Materials, 161(2).723-729 pp.
7. Karbasi, M., Karbasi, E., Saremi, A. and Ghorbani Zade Kharazi, H. 2010. Determination of heavy metals consentration in drinking water resources of Aleshtar in 2009.   YAFTEH,    12, 1 (43), 65 - 70. (In Persian)
8. Riahi Bakhtiari, A., Esmaeili Sari, A. and Satri, A. Determination of heavy metals (Ni, Zn, Cu, Pb, Co, Cd) in water, sediments and aquatics of Karun River. Journal of Natural Environment (Iranian Journal Natural Recources), 1998; 1 (52). (In Persian)
9. Alam Sadani pour, S., Alavi Nasab, M.S. 2010. Check the effect of sewage plant of Khorramshahr soap factory on water quality of Karun River and Dehkord. Journal of Environmental science. 48; 43-49. (In Persian)
10. Sengupta, A. K. 2002. Environmental Separation of Heavy Metals. Engineered Processes, CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 400p.
11. Webster, R. and T.M. Burges. 2002. Optimal Interpolation and Isarithmic Mapping of Soil Properties III-Changing Drift and Universal Kriging. Journal of Soil Science, 31, 505-524.
12. Hosseini, S.M., Mirghaffari, N., Mahboobi Soofiani, N., khodakarami, L. Evaluation of Mercury Contamination in the Caspian Sea’s Sediment by GIS and Geostatistic. Journal of Natural Environment, Iranian Journal of Natural Resources, Vol. 64, No. 2, 2011, pp. 169-183. (In Persian)
13. Taheri, M., Riahi Bakhtiari, A., Naimi, B., Gholamalifard, M. 2014. The Concentration and Spatial Distribution of Mercury, Lead, and Cadmium in Surface Sediments of Mangrove Forests Using Geostatistics in GIS Environment. Journal of Environmental Study, 40 (2); 297-310. (In Persian)
14. Bagheri H, Azimi A. 2015. The Distribution of Heavy Metals in Surface Sediments of Sisangan Coasts-The Southern Coast of Caspian Sea. Joc, 6 (21): 27-36. (In Persian)
15. Rajaram, R., Ganeshkumar, A., Vinothkumar, SH., Rameshkumar, S., 2017. Multivariate statistical and GIS-based approaches for toxic metals in tropical mangrove ecosystem, southeast coast of India. Environmental Monitoring and Assessment, volume 189, Number 6, 189:288.
16. Gu, Y. G., Wang, Z. H., Lu, S. H., Jiang, S. J., Mu, D. H., & Shu, Y. H. 2012. Multivariate statistical and GIS-based approach to identify source of anthropogenic impacts on metallic elements in sediments from the mid Guangdong coasts, China. Environmental Pollution (Barking, Essex: 1987).163, 248 pp.
17. Hosseini Zare, N. 2001. Investigation the impact of Faryab lands distribution and development plants in Khuzestan University of science and research. (In Persian)
18. Al – Abdali, M. 1996. "Bottom Sediments of the Arabian Gulf – III. Trace Metal Contents as indicators of Pollution and implications for the effect and fate of the Kuwait oil slick", Environmental pollution. Vol 93. No. 3, PP 285-301.
19. Yap, C.K., Ismail, A., Tan, S.G., Omar, H. 2002. "Correlations between speciation of Cd, Cu, Pb and Zn in sediment and their concentrations in total soft tissue of green-lipped mussel Perna viridis from the west coast of Peninsular Malaysia", Environment International, 28(1-2), 117-126.
20. Mohammadi, J. 2006. Spatial Statistics, Pelk publication, Tehran. Iran, 453 p. (In Persian)
21. Rashmanloo, K., Haeri, S., Saeb, K. 2013. Evaluation of heavy metal cadmium Tajan Sari River by sediment (case study: Sari Paper and wood area). National Conferece Iran Environmental Research, Hamadan: Mofattah Shahid Faculty. (In Persian)
22. Shanbehzadeh, S., Vahid Dastjerdi, M., Hassanzadeh, A., Kiyanizadeh, T. Investigation of Heavy Metals in water and sediment on Massjed soleymanTembi river before and after of wastewater entrance. Journal of Health System Research, 9(10); 1108 – 1116. (In Persian)
23. Moazeni, M., Hayeripour, S., Mohammadi, M., Foladi, H. 2013. Study of some Heavy metals consentration (Cd, Cu, Pb, Ni) in surface sediments of the Naiband national park, Persian Gulf, Iran. Journal of wetland ecobiology, 5(15); 23-32. (In Persian)
24. Rajaei, Q., Hasanpour, M., Mehdinejad, M.H. 2012. Heavy Metals Concentration (Zinc, Lead, Chrome and Cadmium) in Water and Sediments of Gorgan Gulf and Estuarine Gorganroud River, Iran. Scientific research journal of Health System Research (HSR), 8(5); 748-756.
25. Battelle and Exponent, 2000. "Guide for Incorporating bioavailability adjustments into human health and ecological risk assessments at U.S" Navy and Marine Corps Facilities, Naval Facilities Engineering Command Washington; DC 20374-5065.
26. Rybak, A., Messyasz, B., Łe˛ska, B. 2012. "Freshwater Ulva (Chlorophyta) as a bioaccumulator of selected heavy metals (Cd, Ni and Pb) and alkaline earth metals (Ca and Mg)", ; 89(9):1066-76. Doi: 10.1016. (In Persian)
27. Dadolahi Sohrab A, Saghily M, Khivar N. Heavy metals (Ni, Cd, Pb, Cu) concentrations in seaweed and sediments along the coastal areas of Hormuzgan province (Bandar Abbas and Bandar Lengeh). isfj. 2011; 20 (1): 31-42. (In Persian)
28. MacDonald, D.D., Ingersoll, C.G., Berger, T.A. 2000. "Development and evaluation of consensus -based sediment quality guidelines for freshwater ecosystems", Arch. Environ. Contam. Toxicol.39, 20–31.
29. Persaud, D., Jaagumagi, R., Hayton, A. 1993. "Guidelines for the protection and management of aquatic sediment quality in Ontario", Ontario Ministry of the Environment, Ottawa, Ontario. ISBN 0-7729-9248-7. 23 pp.
30. Karbasi, M., Karbasi, E., Sarami, A., Kharrazi, H.G. 2010. "Assessment of Heavy Metals Values in Drinking Water Sources of Alashtar in 2009", Majaleh Daneshgahe Olum Pezeshki Lorestan. 12(1):65-70. (In Persian)
31. Mirzaei, M. and Solgi, E. 2016. Evaluation of heavy metals concentration (cadmium, copper, manganese, nickel, lead and zinc) in sediments of Zayandehrood River. Journal of Research in Environmental Health, 1(4); 251-265. (In Persian)

1- استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران. ^*(مسوول مکاتبات)

[2]-  دانشجوی دکترای محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران.

[3]-  استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، دانشگاه صنعتی خاتم الأنبیاء (ص) بهبهان، بهبهان، ایران.

1- Assistant Professor, Department of Environmental Sciences, Faculty of Natural Resources & Environment, Malayer University, Hamadan, Iran.*( Corresponding Author)

2- Ph.D. candidate of Environment, Faculty of Natural Resources & Environment, Malayer University, Hamadan, Iran

3- Assistant Professor, Department of Environment, Faculty of Natural Resources, Behbahan Khatam Alanbia University of Technology, Iran