Sorpcija i mobilnost zagađivača u zemljištu: zašto jedni putuju, a drugi ostaju

Kada se zagađivač izlije ili nataloži na zemljište, postavlja se pitanje od koga zavisi sve ostalo: hoće li ostati na mestu ili će procuriti naniže, do podzemne vode koju pijemo. Odgovor retko zavisi od same količine; daleko više zavisi od jednog tihog procesa koji se odvija na dodiru čestice i vode, a koji hemičari zovu sorpcijom. Upravo sorpcija razdvaja zagađivače na one koji ostaju zarobljeni u površinskom sloju i one koji slobodno putuju kroz profil tla.

Sorpcija je vezivanje rastvorene materije za čvrstu površinu. Ona obuhvata i adsorpciju, lepljenje za spoljašnju površinu čestice, i apsorpciju, prodiranje u njenu unutrašnjost, pa se zajedničkim imenom često koristi širi termin. U zemljištu su glavne površine za vezivanje minerali gline, oksidi gvožđa i, presudno, organska materija. Koliko će se zagađivač vezati, a koliko ostati u rastvoru, određuje njegovu pokretljivost.

Koeficijent raspodele: broj koji predviđa kretanje

Sklonost zagađivača da se veže za čvrstu fazu izražava se koeficijentom raspodele, koji opisuje odnos koncentracije vezane za česticu i koncentracije u vodi u ravnoteži. Što je taj koeficijent veći, više zagađivača je vezano, pa je manje pokretljiv. To je broj koji praktično predviđa hoće li zagađivač stići do podzemne vode i koliko brzo.

Za organske, hidrofobne zagađivače pokazalo se da je najvažnija upravo organska materija u zemljištu. Karickhoff, Brown i Scott (1979) ustanovili su da sorpcija takvih jedinjenja snažno korelira sa sadržajem organskog ugljenika, pa su uveli koeficijent normalizovan na organski ugljenik. Time je omogućeno da se ponašanje istog jedinjenja predvidi u različitim zemljištima, samo na osnovu toga koliko organske materije sadrže.

Chiou i saradnici (1979) pokazali su da se vezivanje hidrofobnih jedinjenja za organsku materiju ponaša pre kao rastvaranje u njoj nego kao prosto lepljenje za površinu. To je objasnilo zašto je organski ugljenik tako presudan: on deluje kao prirodni rastvarač u koji se hidrofobni zagađivači povlače iz vode.

Hidrofobnost i veza sa rastvorljivošću

Ključno svojstvo organskog zagađivača koje određuje njegovu sorpciju jeste hidrofobnost, izražena koeficijentom raspodele između oktanola i vode. To je mera koliko jedinjenje radije bira ulje nego vodu. Jedinjenja visoke hidrofobnosti slabo se rastvaraju u vodi, snažno se vežu za organsku materiju i stoga su nepokretna u zemljištu.

Schwarzenbach, Gschwend i Imboden (2003), u savremenom temeljnom delu o organskoj hemiji životne sredine, pokazuju kako se iz tako jednostavnih fizičko-hemijskih svojstava može predvideti ponašanje jedinjenja u prirodi. Tu leži snaga ekohemije: umesto da se svaki zagađivač meri u svakom zemljištu, njegovo ponašanje se procenjuje iz nekoliko osnovnih osobina.

Za neorganske zagađivače, pre svega metale, priča je drugačija. Njihova sorpcija jako zavisi od kiselosti i od naelektrisanja površina, pa se ne može opisati istim jednostavnim koeficijentom. Sparks (2003) detaljno razrađuje kako kod metala u igru ulaze površinsko kompleksiranje i jonska izmena, procesi osetljivi na promenu pH.

Kada sorpcija popušta

Vezivanje nije zauvek. Promena uslova može da oslobodi ono što je bilo vezano. Smanjenje kiselosti, povećanje koncentracije soli, pojava rastvorene organske materije koja sama vezuje metal, sve to može da pokrene desorpciju, povratno otpuštanje zagađivača u vodu.

Posebno je važna pojava da deo vezanog zagađivača vremenom postaje sve čvršće zarobljen, takozvano starenje, dok je sveže vezani zagađivač lakše osloboditi. Zato dva uzorka sa istom ukupnom količinom zagađivača mogu imati vrlo različitu pokretljivost, zavisno od toga koliko je dugo bio vezan.

Ova dinamika objašnjava zašto se zagađenje zemljišta ne može proceniti samo merenjem ukupnog sadržaja. Pravo pitanje je koliko je zagađivača u obliku spremnom da pređe u vodu, što opet zavisi od sorpcije i uslova koji je održavaju.

Značaj za zaštitu podzemnih voda

Za Srbiju, gde se značajan deo vodosnabdevanja oslanja na podzemne vode, sorpcija je prva linija odbrane izdani. Zemljište bogato organskom materijom i glinom zadržava mnoge zagađivače i sprečava ih da stignu do izdani; peskovito tlo siromašno organskom materijom pruža slabu zaštitu, pa zagađivači brzo prodiru.

To ima direktne posledice za planiranje. Lokacije deponija, skladišta i intenzivne poljoprivrede treba procenjivati upravo prema sorpcionom kapacitetu tla i ranjivosti izdani ispod njega. Zemljište nije inertna podloga, nego aktivni hemijski filter čiji kapacitet ima granice.

Razumevanje sorpcije omogućava i procenu koliko će se neki pesticid ili rastvarač zadržati i kada bi mogao da dospe u vodu, što je osnova svake ozbiljne procene rizika za podzemne vode.

Zaključak

Sorpcija je proces koji presuđuje o pokretljivosti zagađivača u zemljištu, a time i o sudbini podzemnih voda. Iz nekoliko osnovnih svojstava, hidrofobnosti zagađivača i sadržaja organske materije u tlu, može se predvideti hoće li zagađivač ostati ili otputovati.

Pouka je da je zemljište živ hemijski filter sa ograničenim kapacitetom, a ne pasivna podloga. Čuvati taj kapacitet, pre svega organsku materiju tla, znači čuvati i vodu ispod njega.