Talajt érő környezeti hatások

Mi a talaj…? A talaj a szilárd földkéreg legfelső (pedoszféra, 5 m vastagság), laza, termékeny takarója. Háromfázisú, heterogén, polidiszperz rendszer. A talajban intenzív anyag- és energiacsere folyamatok mennek végbe (mikroorganizmusok, növények, állatok). Legfontosabb tulajdonsága a termékenység, amely által képes a növényeket tápanyagokkal ellátni. Kialakulása a Föld kőzetburkának (litoszféra, 5-30 km vastagság) felszínén, külső erők hatására lejátszódó mállási folyamatoknak köszönhető Talajképző kőzetek: a földtörténeti időszakok során képződött üledékes (tengeri, folyóvízi), magmás (mélységi, kiömlési) vagy átalakult (metamorf) kőzettípusokba sorolhatóak Ásványok: a szilárd földkéreg kémiai-fizikai szempontból egységes (szabályos) felépítésű alkotórészei Másodlagos ásványok: mállás vagy újraképződés során keletkező agyagásványok

Talajok képződése: mállás és humifikáció Fizikai, kémiai és biológiai folyamatok eredményezik Fizikai mállás: szemcseméret csökkenés (aprózódás) hőmérsékletváltozás, fagy- vagy sórepesztés, növényi gyökerek hatására A megnövekedett felület miatt a kémiai folyamatok nagyobb térhez jutnak Kémiai mállás: ásványok feloldódása vagy kémiai szerkezetének megváltozása víz hatására (hidratáció, ásványok fellazulása, ionok kioldódása, kémiai szerkezet szétesése, talajkolloidok képződése, kristályosodás, másodlagos agyagásványok) Biológiai folyamatok: humuszképződés és ásványosodás Humusz: a talajban és a talajfelszínen felhalmozódó, állati és növényi eredetű szerves maradványokból képződő humuszanyagok összessége Humuszképződés: szerves anyagok biológiai lebontása során (talajlakó állatok felaprítják és elfogyasztják, a mikroorganizmusok lebontják) Végtermék: sejtanyag, CO 2, víz, foszfát, ammónium, kálium, kalcium (mineralizáció) + nehezen bomló, nagy molekulájú, rosszul oldódó szerves vegyületek (humifikáció: huminsavak, fulvosavak, huminok) Agyagásványokkal kapcsolat: agyag-humusz komplexek (sötét szín)

Talajok fizikai félesége Szemcseméret-eloszlás szerinti osztályozás Besorolás: két legnagyobb arányú frakció alapján Laborvizsgálat: ábrázolás háromszögdiagramban Talajszemcsék mérete kőzettörmelék>7 mm durva kavics5-7 mm apró kavics2-5 mm durva homok0,2-2 mm finom homok0,02-0,2 mm iszap0,002-0,02 mm agyag<0,002 mm Speciális esetek: vályogtalaj (a három fő frakció kb. egyenlő arányban) lösz (a jégkorszak során a szél által kifújt és szállított finom, főként iszapos talaj)

Talajok fizikai félesége hazánkban

Víz a talajban - talajok vízháztartása Utánpótlódás: csapadékvíz (lefolyik a felszínen vagy beszivárog a talajba), levegő páratartalmának megkötődése Beszivárgó víz: gravitációs vízként halad lefelé (szivárgás a talajvízig) vagy tározódik a talajban (megkötött víz) Megkötődés: a talajszemcsék felületén adszorpcióval történik (hidrátburok) A nehézségi erővel szemben a talajszemcse-vízmolekula kohéziója mellett a vízmolekulák egymás közti vonzóereje (adhézió) tartja a vizet a pórusokban (+ felfelé történő talajvízszállítás – kapillaritás) Vízkapacitás (vízmegtartó képesség): a szemcseméret függvénye (több adszorpciós felület) Szabadföldi vízkapacitás: az a vízmennyiség, amit az adott talaj a nehézségi erővel szemben még tárolni tud (nincs szivárgás) Hervadáspont: az a vízmennyiség, amely még felvehető a növények gyökerei által (ez alatti vízmennyiség „holtvíz”)

Víz a talajban - talajok vízháztartása

Talajok vízháztartása hazánkban

Talajok hőháztartása A talaj hőmérsékletét a Nap sugárzás adja (a Föld belső melege, mikrobiológiai folyamatok szerepe elhanyagolható). A felső 1 m alatt már nincs jelentős hatása a beérkező hősugárzásnak (közel állandó talajhőmérséklet) Nappal hősugárzást felvevő, éjjel kisugárzó talajfelszín A hő egy része a talaj közeli légrétegek felmelegítésére fordítódik, másik része tovább vezetődik a talajban, ill. nedves talajoknál párolgási hőként elvész Albedó: a talaj felületére merőlegesen beeső és a visszavert sugárzás aránya (sima felszín: 0.3, rögös talaj: , friss szántás: 0.17, hó: 0.7)

Agyagásványok és szerves anyagok felülete túlnyomórészt negatív töltésű Pozitív ionok megkötésére alkalmasak adszorpcióval (lokális pozitív helyeken negatív ionokat is köthetnek), ill. a már megkötöttek kicserélődhetnek másokra A megkötött ionok nem mosódnak ki, tápanyagul szolgálhatnak a gyökerek számára Kationok kötődési sorrendje: H + > Fe 3+, Al 3+ > Ca 2+, Mg 2+ > NH 4 + > K +, Na + Anionok kötődési sorrendje: PO 4 3- > SO 4 2- > NO 3 2- > Cl - Ionok a talajban

Talajok élővilága (edafon) Felső cm-ben koncentrálódik az élővilág (humuszos feltalaj), 1%-a a talaj teljes szerves anyag tartalmának Az egyes populációk életterei kis mértékben különböznek, az abiotikus tényezőktől, a táplálék és a búvóhelyek eloszlásától és a fajok közötti kölcsönhatásoktól függően Mozgás szerint: talajhoz kötött, talajban úszó, mászó és ásó élőlények Méret szerint: mikro- (egysejtűek), mezo- (kerekesférgek, fonalférgek, atkák, ugróvillások), makro- (bogarak, lárvák, ászkák, férgek) és megafauna (földigiliszták, csigák, gerincesek), ill. mikroflóra (baktériumok, algák, gombák) Edafon jelentősége: a szerves anyagokat a növények számára felvehető tápanyagokká bontják le és CO 2 -t termelnek Szárazság és fagy nem kedvez a lebontásnak (tavasszal és ősszel aktívak) Elsődleges lebontók (lárvák, férgek, ászkák, csigák, giliszták): aprítás és fogyasztás, felületnövelés Baktériumok, gombák: gyors lebontás (cukrok, fehérjék, zsírok) Speciális baktériumok: nehezen bontható szerves anyagok feldolgozása Alsó humuszrétegek: O 2 -hiány a korlátozott diffúzió és a lebontás miatt Speciális kapcsolatok: mikorrhiza (gomba-gyökér), N-kötés (baktérium- gyökér)

Talajok élővilága (edafon)

Talajszennyezés Talajdegradáció: minden olyan folyamatot, amely a talaj termékenységét csökkenti, minőségét rontja, funkcióképességét korlátozza vagy a talaj teljes lepusztulásához vezet. A talajdegradáció lehetséges formái: Víz és szélerózió, Szikesedés, talajsavanyodás (só- és savfelhalmozódás) Talajszerkezet romlása (pl. tömörödés közlekedési hatások miatt) Elmocsarasodás, kiszáradás (bányászat hatásai) Talaj pufferkapacitásának romlása (véges tárolótér) Biológiai leromlás (humusz kimerülése) Talajszennyezés Talajszennyezés: emberi tevékenységhez köthető folyamat, melynek során a talaj természetes viszonyok között kialakult fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai jelentős mértékben és kedvezőtlen irányban változnak meg. A talajszennyeződéssel az ökológiai talajfunkciók (biomassza termelés, szűrő, kiegyenlítő, átalakító és raktározó szerep, élettér és genetikai tartalék) károsodnak.

Talajszennyezés forrásai és sorsa Talaj Háttérszennyezettség Mezőgazdasági tevékenység Legális és illegális hulladéklerakás Atmoszférikus kiülepedés Ipari tevékenység és bányászat Közlekedés és üzemanyag szállítás Szennyezőforrások Gáz és por emisszió Beépülés a táplálékláncba Talaj- és felszíni víz szennyezése Biológiai lebomlás Immobilizáció, kötődés a talajalkotókhoz A szennyezők további sorsa

Talajszennyezés forrásai Ipari szennyezések – légköri kiülepedés révén, csővezeték törés, szivárgás, szakszerűtlen tárolás, tartálykocsi sérülés miatt, veszteség vasúti átfejtőknél Ásványi anyagok: meddőhányók, fémfeldolgozó üzemek - alumínium kohók (Al, Be), színesfémkohók (Pb, As, Cu). Fosszilis energiahordozók tüzelésekor keletkező füstgázok. Ülepedő por és aeroszolok. Nehézfémek. Szénhidrogének: Kőolajfeldolgozásból több száz vegyület, szénatomszám szerint 1-4 től 60-ig (C5-C12 benzin, C12-C16 kerozin, C16-C25 gázolaj, fűtőolaj). Talajban kétfázisú, heterogén rendszert alkot, a benzin a vízzel kb. azonos sebességgel, az olaj lassabban áramlik. (Benzin 1 év alatt 40m, fűtőolaj 20 nap alatt 20m) PAH-ok: tökéletlen égés, kokszosítás, pirolízis során keletkeznek (kőolajlepárlók, kohók), természetes légköri koncentrációjuk alacsony. Talajba ülepedéssel jutnak, a gyökérzöldségekben felhalmozódnak. Mutagenitás. PCB-k: természetes előfordulásuk nincs. Szigetelő folyadék, ragasztók, kenőanyagok előállítása. Krónikus mérgező hatásuk miatt kivonták a forgalomból. Benzol és alkilbenzol (BTEX): gyógyszeripar, festékipar, műanyagipar. Illékonyak, festékek hígítók komponensei. Klórozott aromás szénhidrogének: olaj, bakelit, kaucsuk oldószerei, régen növényvédőszerekben is használták. Kiülepedéssel jutnak a talajfelszínre. Bioakkumuláció, karcinogenitás. Poliklórózott dibenzo-dioxinok és dibenzo-furánok: szerves klóranyagok gyártása, papírfehérítés/cellulózipar, termikus eljárások (olaj, PVC, hulladékégetés). Légköri szennyeződés útján jutnak a talajba. Nagyfokú perzisztencia jellemző, akkumuláció. Detergensek, felületaktív anyagok: mosószerek, 2-3 cm-es rétegben adszorbeálódnak és a talajvízbe is bejutnak. Lassan vándorolnak: 1-3 év alatt m. Elősegíthetik szerves mikroszennyezők táplálékláncba jutását. Savképzők (SO 2 ) – talajsavanyodás

Talajszennyezés forrásai Mezőgazdasági talajszennyezés Intenzív műtrágyázás (ammónium, nitrát, foszfát, kálium): nincs humuszképző anyag, tápanyag-felhalmozódás, kimosódás Szerves trágyázás (hígtrágya, istállótrágya, zöldtrágya, komposzt): jó hatás a humuszképződésre, nincs megfelelő mennyiségű termőterület a feldolgozásra (tápanyagfelesleg, kimosódás) Szennyvíziszap elhelyezés: nehézfém-tartalom jelentős lehet, felhalmozódnak a talajban, a növények számára hozzáférhetővé válhatnak Talajjavító, fertőtlenítő anyagok, kártevők elleni anyagok, növényvédő szerek: gyomirtók (herbicidek), gombaölők (fungicidek), rovarirtók (inszekticidek). Nagy mennyiségben cm mélyen bedolgozzák, ill. permetezik. Ezenkívül szakszerűtlen kezelés esetén As, Hg, Cu-vegyületek is bekerülhetnek. Klórozott szénhidrogének: régi típusú hatóanyagok: (DDT, aldrin, dieldrin, PCB-k, dioxin, HBC, PCP, 2,4,5-T). Régebbi verziók: zsíroldékonyak, rosszul bomlanak, akkumulálódnak. Kevésbé akkumulálódók: lindán (gamma-HCH), endoszulfán, atrazin. Szerves foszforsav-észterek: vízben jól oldódó, nem (vagy kevésbé) perzisztens, nem akkumulálódó szerek (triazin, 2,4-D). Ma: gyorsan bomló, hatékony és szelektív szerek

Talajszennyezés forrásai Közlekedés – kipufogógázok, sózás Nehézfémek (Pb, Cu, Cr, Ni, Zn, Cd) – bioakkumuláció, biomagnifikáció, krónikus hatások Szénhidrogének (benzin, motorolaj, kenőolaj, PAH) – mérgezés, akkumuláció Savképzők (NO x ) - talajsavanyodás Sók: NaCl, KCl – közvetlen mérgezés, ioncsere, talajduzzasztás (szikesedés) Hulladéklerakás Háztartási szennyvíz (tápanyagok, kórokozók, detergensek) – fertőzés, mérgezés Illegális hulladéklerakás (mikroszennyezők, szerves anyagok, kórokozók) – fertőzés, mérgezés Kommunális lerakók (csurgalékvizek, por, szélfútta könnyű anyagok; nehézfémek, szerves mikroszennyezők) – mérgezés Veszélyes hulladék tárolók (meghibásodás, szakszerűtlen telepítés esetén; nehézfémek, arzén, erősen klórozott szénhidrogének, ipari hulladékok, égetőművek maradékanyagai, salakanyagok, radioaktív hulladékok) – krónikus mérgezés, mutagén, karcinogén hatások

Talajszennyezők átalakulási- és transzportfolyamatai Oldott szervetlen Szerves Erózió Kicsapódás/Oldódás Lemosódás Elillanás Adszorpció/Deszorpció Aratás Műtrágya, szerves és zöldtrágya, peszticidek, szennyvíziszap, hulladék, szerves maradványok Kimosódás Légköri kiülepedés/fixáció Immob./Miner. Aktív partikulált Inaktív partikulált Drénezés Talajjellemzők, környezeti feltételek Kémiai, biokémiai reakciók

Talaj: szerves anyagok, légköri szennyezők, hulladékok, szennyvizek befogadója hosszú ideje (határtalan befogadóképesség ideája) Mezőgazdaság: nagy mennyiségű műtrágya (N: kg/ha/év, P: kg/ha/év) és szerves peszticid (1985: ~ 2.5 millió tonna) alkalmazás Hatások: eutrofizáció, nitrátosodás, toxicitás; következmények: ökológiai romlás, vízhasználatok ellehetetlenülése Biológiailag bontható szerves anyagok: jelentős mennyiségben lebontódnak (CO 2, metán, nitrogén gáz, foszfátok) Nagymennyiségű lebontó mikroorganizmus a talajban: természetes visszaforgatás biztosítása Aerob és anaerob körülmények között egyaránt végbemegy a lebomlás Nagy tározási, visszatartási kapacitással rendelkeznek a talajok, azonban ez nem végtelen (kimerülés) Területhasználati váltás: kémiai változások a talajban: szennyezőanyagok elengedése (wetland – szántó, szántó – erdő) Fontos szennyezés-elimináló szerep: a talajvízben már kicsi a visszatartás mértéke (kevesebb mikroorganizmus, szerves anyag, finomszemcsés ásvány, rosszabb kémiai körülmények) Talajok szennyezőanyag-visszatartása

„Kémiai időzített bomba”: kapacitás kimerülése

Talajprofil jellemzői (fent humuszos, lent ásványos)

Veszélyes szennyezőanyag lerakók (egyedi szennyezések, azonosítható szennyezők): vegyszertárolók, működő és felhagyott ipari és vegyi üzemek, korábbi katonai bázisok, szennyezett üledékek Nagyterületű talajszennyezések (hosszú idejű szennyezések): korábbi vagy működő nagy kiterjedésű ipari parkok, közlekedési területek Kisebb szennyezett talajterek (egyedi források, a kibocsátás helyétől távolodva csökkenő hatás): autópályák, autóutak környezete, felszín alatti tárolók, hulladéklerakók Mezőgazdasági művelésű talajok: talajok telítődése foszfáttal, nitrátkimosódás, peszticidek akkumulációja, szerves kemikáliák kimosódása Egyes szennyezők évszázadok óta akkumulálódnak (pl. nehézfémek kitermelése és használata) Kemikáliák, tápanyagok: XX. század második felétől jelentős a felhalmozódás Szennyezés kontrollálása: talajoknál lassabb pozitív hatások (hosszabbak a tartózkodási idők, az akkumulált szennyezők helyben maradnak, főként a kimosódás okozza a tisztulást Talajszennyezések tér- és időléptéke

Kimosódás „hatékonysága”

Szennyezőanyagok túlnyomó része a finomabb szemcsefrakciókhoz kötődik (nagy fajlagos felület) Az erózió szelektív a finom szemcsékre nézve, a finomabb részecskék feldúsulnak a lebegőanyag transzport során Dúsulás: a transzportált lebegőanyagban nagyobb szennyezőanyag koncentráció alakul ki, mint az eredeti talajban Kiváltó folyamatok: A „szennyezettebb” finom szemcsék szelektív eróziója A kis sűrűségű komponensek (szerves anyagok) felúszása a talajról a felszíni lefolyásba A nehéz, durva szemcsék (kevesebb adszorbeált szennyező) kiülepedése a transzport során Feldúsulási arány: a felszíni vagy a mederbeli lefolyás által szállított lebegőanyagban és az eredeti talajban lévő szennyezőanyag koncentrációk hányadosa Partikulált szennyezők feldúsulása

0 – Relative scale Erosion potential

Talajösszetétel hatása a visszatartásra Szilárd fázisú szennyezők: talajszemcséken rögzültek adszorpció (elektrosztatikus kötődés) és/vagy kicsapódás (kémiai kötődés) révén. Immobil szennyezők (kivéve felső rétegek erózió által) akkumulálódnak a talajban, növények és mikroorganizmusok által nem vagy korlátozottan hozzáférhetőek Oldott fázis: szennyezőanyagok oldott vagy disszociált állapotban a talaj vízfázisában. Oldott anyagok: kismértékű kötődés a szemcsékhez, mozognak a vízzel (lefolyás, szivárgás), biológiailag hozzáférhetőek Fázisok alakulása: a talaj összetételétől, szerkezetétől függ Szerves szennyezők: talaj szervesanyag tartalmához kötődnek Nehézfémek, foszfor: agyagásványok és szerves összetevők adszorbeálják őket Adszorpciós kapacitás: szemcsék fajlagos felületének függvénye Legfontosabb talajjellemzők az adszorpció szempontjából: szerves anyag tartalom, ill. ioncsere kapacitás (fajlagos felülettel arányos), egyéb tényezők (pH, ionösszetétel) Csapadékképződés: pH és a komplexképző vegyületek jelenléte befolyásolják Komplexképzők: számos esetben a víz oxidatív viszonyai határozzák meg jelenlétüket (pl. anoxikus környezetben oldhatatlan fém-szulfidok) Más anyagok esetén (peszticidek, foszfor) általában nem tényező az oxidációs állapot, ezek inkább adszorpcióra hajlamosak

Talajszennyezések környezeti következményei Közvetlen hatások: Tápanyagfeldúsulás, sófelhalmozódás Talaj savanyodása, erdőpusztulás Közvetlen mérgezés és feldúsulás a táplálékláncban (krónikus hatások) Mutagén, teratogén, rákkeltő hatások Közvetett hatások: Felszín alatti vizek szennyezése (nitrátosodás, szerves és szervetlen mikroszennyezők) Felszíni vizek szennyezése (erózióval, drénezéssel, alaphozammal), pl. üledékterhelés, eutrofizáció, szerves és szervetlen mikroszennyezők Légszennyezés (üvegházhatás, ózonlyuk, metán)

Talajszennyezés kezelése 1. Nem tisztítunk, csak korlátozzuk a területhasználatot 2. Nem tisztítunk, csak izolálunk és immobilizálunk (terjedés megakadályozása) 3. Kitermeljük a szennyezett talajt, elszállítjuk és deponáljuk (talajcsere) 4. Megszüntetjük a szennyeződést és helyreállítjuk a területet (talajtisztítás) Technológia szerint: a szennyezés teljes lebontása: termális, biológiai és kémiai kezelés a szennyezés extrakciója és elkülönítése a környezeti közegektől (termális deszorpció, talajmosás, oldószeres kivonás, talajgáz extrakció, fázisszétválasztás, molekuláris szétválasztás, adszorpció szénen, kiűzés, ioncsere, vagy ezek kombinációja) Eljárás helyszíne szerint: ex situ (kitermelést követően, a szennyeződés helyéhez közel (on site), vagy talajtisztító telepre szállítva (off site) kezelik) in situ (talajt, felszín alatti vizet kitermelés és eltávolítás nélkül, helyben kezelik, a tisztított felszín alatti vizet visszanyeletik, szikkasztják a munkaterületen belül)

A módszerek megválasztásához a következő szempontokat kell figyelembe venni: a szennyezőanyag terjedése, kockázata az ökoszisztémára és az emberre, a terület hidrogeológiai adottságai, a szennyezett talaj, felszín alatti víz mennyisége, elhelyezkedése, a talaj inhomogenitása, kötöttsége, a területhasználat és az ezzel összefüggő célértékek, a munkára rendelkezésre álló idő, a rendelkezésre álló összeg. Talajszennyezés kezelése