ردیابی آلودگی فلزات از طریق اکوسیستمهای جنوب صحرای آفریقا
شهره صدری – دانشمندان در سراسر مناطق معدنی آفریقا از تجزیه و تحلیل ایزوتوپ برای ردیابی چگونگی انتشار جیوه در محیط زیست استفاده میکنند.
نکات کلیدی
- بسیاری از معادن کوچک طلا در آفریقا همچنان از جیوه استفاده میکنند.
- جیوه پس از آزاد شدن، وارد محیطهای پویا از نظر شیمیایی میشود.
- ردیابی ایزوتوپهای جیوه میتواند به پژوهشگران کمک کند تا انتشار ناشی از مناطق معدنی را به فرآیندهای جهانی پیوند دهند.
در مناطق جنوب صحرای آفریقا که شاهد استخراج سنتی و کوچکمقیاس طلا هستند، آلودگی بهندرت به سادگیِ یک بازیِ اعداد و ارقام است. طی سالها پایش محیطزیست، اندازهگیریها و ارزیابیهای نظارتی عمدتاً بر میزان کل فلز موجود در مواد مختلف مانند خاک، رودخانهها، گیاهان و خون انسان متمرکز بودهاند. اما بدنه رو به گسترشی از تحقیقات شیمی محیطزیست میگوید که این رویکرد در ثبت جزئیات حیاتیِ «دگرگونی» و «مسیرهای» فلزات ناتوان است. پژوهشگران معتقدند این جزئیات تنها از طریق «آنالیز ایزوتوپهای پایدار» قابل بررسی هستند.
یرون سونکه (Jeroen Sonke)، مدیر تحقیقات مرکز ملی تحقیقات علمی و ژئوشیمی در موسسه ژئوساینس محیطزیست تولوز، میگوید: «امضاهای ایزوتوپی جیوه، اطلاعاتی درباره منابع غالب یا مسیرهای انتقال جیوه به اکوسیستمها به ما میدهند؛ در حالی که صرفاً اندازهگیری غلظتها، چنین اطلاعاتی را فراهم نمیکند.»
این تمایز — یعنی تفاوت میان «مقدار جیوه موجود» و «شکلی که جیوه به خود میگیرد» — در حال تبدیل شدن به هسته اصلی یک تغییر رویکرد در تحقیقات شیمی محیطزیست است. در سراسر مناطق معدنی آفریقا، دانشمندان بهطور فزایندهای از آنالیز ایزوتوپی برای ردیابی مسیرهای شیمیایی پنهانی استفاده میکنند که از طریق آنها، جیوه دگرگون شده و در اکوسیستمها منتشر میشود.
جیوه و معادن غیررسمی طلای آفریقا
آلودگی جیوه همچنان یکی از مشکلات زیستمحیطی تعیینکننده و اصلی مرتبط با استخراج سنتی و کوچکمقیاس طلا است. در بسیاری از نقاط آفریقا، جیوه همچنان بهطور گسترده برای استخراج طلا استفاده میشود؛ چرا که ارزان، در دسترس و از نظر فنی برای استفاده، ساده است.
در بسیاری از عملیاتهای معدنی غیررسمی، جیوه مستقیماً با سنگ معدنِ خردشده مخلوط میشود تا یک «ترکیب جیوه-طلا» تشکیل شود. در طول فرآیند فرآوری، مقادیر زیادی از جیوه به درون رودخانهها، خاکها و اتمسفر نشت میکند. زمانی که معدنکاران آمالگام را برای جدا کردن طلا گرم میکنند، بخار سمی جیوه در هوا آزاد میشود که معدنکاران و جوامع اطراف را در معرض خطرات جدی سلامتی قرار میدهد.
آلسنو موسای (Alseno Mosai)، مدرس و پژوهشگر گروه شیمی در دانشگاه پرتوریا، میگوید: «تخمین زده شده است که به ازای هر گرم طلای استخراج شده، ۲ گرم جیوه در محیط زیست تخلیه میشود.»
جیوه پس از آزاد شدن، وارد محیطهای بسیار پویایی میشود که در آن شیمی، اقلیم و زیستشناسی به شکلی پیچیده با یکدیگر در تعامل هستند. بخشی از جیوه تبخیر شده و به اتمسفر میرود، جایی که میتواند مسافتهای طولانی را طی کند و سپس از طریق بارندگی یا رسوب گرد و غبار، به خشکی یا آب بازگردد. بخش دیگری از جیوه وارد رودخانهها و تالابها میشود؛ در این محیطها، میکروارگانیسمها میتوانند جیوه را به «متیلجیوه» تبدیل کنند؛ شکلی بهشدت سمی که در ماهیها تجمع یافته و از طریق شبکههای غذایی، دچار «تغلیظ زیستی» (Biomagnification) میشود.
این فرآیند باعث میشود که با حرکت جیوه به سمت سطوح بالاتر زنجیره غذایی، غلظت آن بهطور تدریجی افزایش یابد و در نهایت، از طریق مصرف ماهی و محصولات کشاورزی آلوده، به بدن انسان برسد.
میراث معادن نیز این تصویر را پیچیدهتر میکند. به گفته موسای، سایتهای معدنی رها شده و قدیمی در آفریقای جنوبی همچنان از طریق «زهاب اسیدی معدن» باعث ایجاد آلودگی میشوند؛ این پدیده زمانی رخ میدهد که سنگهای غنی از سولفید، مانند پیریت و آرسنوپایریت، پس از قرار گرفتن در معرض هوا و آب، اکسید میشوند.
موسای میگوید: «فلزات حلشده در زهاب اسیدی معدن میتوانند مسافتهای طولانی را در پروفیل خاک طی کرده و به رودخانهها و آبهای زیرزمینی برسند.»
علاوه بر این، گرد و غبار ناشی از باد که از باطله های معدنی برخاسته است، میتواند آلایندهها را در جوامع اطراف پراکنده کند و مسیرهای مواجهه با آلودگی را بسیار فراتر از سایتهای معدنی فعال گسترش دهد.
چرا اندازهگیری غلظت جیوه کافی نیست؟
برای دههها، پایشهای محیطزیستی برای تخمین خطر آلودگی، بهشدت بر اندازهگیری «غلظت کل جیوه» متکی بودهاند. با این حال، پژوهشگران بهطور فزایندهای استدلال میکنند که این رویکرد، نحوه رفتار جیوه در اکوسیستمهای واقعی را بیش از حد سادهانگاری میکند.
اوکاریا اولوچی نواچی ، استاد بیوشیمی محیطزیست در دانشگاه پورت هارکورت، میگوید: «شواهد نشان دادهاند که صرفِ اندازهگیری غلظت، بهتنهایی بازتابدهنده کامل آلودگی فلز و خطرات سلامتی مرتبط با آن نیست. این تصور اشتباه که “غلظت کل برابر است با کل خطر”، همچنان رایج است..
سمیت جیوه بهشدت به «شکل شیمیایی»، «تحرک» و «قابلیت دسترسی زیستی» آن بستگی دارد. درک اشکال شیمیایی آن مستلزم استفاده از شاخهای از شیمی محیطزیست به نام «آنالیز گونهشناسی» است؛ این روش، گونههای مختلف جیوه از جمله جیوه عنصری، جیوه معدنی و متیلجیوه (MeHg) را از هم متمایز و مقدار آنها را تعیین میکند. از آنجایی که این گونهها میتوانند از طریق واکنشهای اکسایش-کاهش (Redox)، فعالیتهای میکروبی و فرآیندهای فوتوشیمیایی تغییر شکل دهند، پژوهشگران هنگام نمونهبرداری، حملونقل و نگهداری، تکنیکهای حفاظتی ویژهای را به کار میگیرند تا تغییرات شیمیایی را پیش از آنالیز آزمایشگاهی به حداقل برسانند.
عوامل محیطزیستی مانند pH، شرایط اکسایش-کاهش ، فعالیت میکروبی، میزان اکسیژن موجود، دما و محتوای مواد آلی، بهشدت بر این دگرگونیها پس از ورود جیوه به سیستمهای طبیعی تأثیر میگذارند. در نتیجه، امروزه اکوسیستمها بیش از پیش نه به عنوان مخازن ایستا (ثابت) آلودگی، بلکه به عنوان محیطهای پویای شیمیایی شناخته میشوند که در آنها جیوه بهطور مداوم از طریق فرآیندهای انحلال، جذب سطحی ، تشکیل کمپلکس و جذب زیستی، میان هوا، آب، رسوبات و موجودات زنده در حال چرخش است.
دنبال کردن «اثر انگشتهای ایزوتوپی» جیوه
یکی از مهمترین ابزارهایی که زمینه را برای این تغییر نگرش (در درک آلودگی جیوه) فراهم کرده است، آنالیز ایزوتوپهای پایدار است. این روش از این واقعیت بهره میبرد که ایزوتوپهای دارای جرمهای متفاوت، طی واکنشهای شیمیایی به شیوههای قابلپیشبینی از یکدیگر جدا میشوند. دانشمندان با اندازهگیری نسبتِ این ایزوتوپها، میتوانند بازسازی کنند که جیوه از کجا نشأت گرفته و هنگام عبور از اکوسیستمها چه دگرگونیهایی را پشت سر گذاشته است.
بریجت ای. برگکوئیست و جوئل دی. بلوم در سال ۲۰۰۷ با مطالعهای که نشان میداد ایزوتوپهای جیوه طی واکنشهای فتوشیمیایی (نور-شیمیایی) در محیطهای آبی دچار «تجزیه ایزوتوپی» میشوند، بنیان این حوزه را بنا نهادند. این یافته، راه جدیدی را برای ردیابی دگرگونیهای جیوه در سیستمهای زیستمحیطی پیش روی دانشمندان قرار داد و عملاً جیوه را از یک آلاینده ساده، به «ردیابِ فرآیندهای محیطزیستی» تبدیل کرد.
برگکوئیست که اکنون استاد گروه علوم زمین در دانشگاه تورنتو است، میگوید: «معمولاً ما میتوانیم در مناطقی که استخراج سنتی طلا وجود دارد، اطلاعاتی در مورد منابع آلودگی و همچنین مسیرهای مواجهه (با آلاینده) به دست آوریم.
از زمانی که استفاده از امضاهای ایزوتوپی جیوه در پایشهای زیستمحیطی مرسوم شد، این روش در ردیابی نحوه حرکت جیوه در سیستمهای محیطزیستیِ بههمپیوسته، بسیار ارزشمند شده است. پژوهشگران از دادههای ایزوتوپی استفاده میکنند تا:
- جیوه حاصل از فعالیتهای معدنکاری سنتی را از جیوهای که از مسافتهای دور توسط جو منتقل شده است، تفکیک کنند؛
- تبادلات بین آب رودخانه و رسوبات را دنبال کنند؛
- و مسیرهایی را که جیوه از طریق آنها وارد شبکههای غذایی شده و در نهایت به جوامع انسانی میرسد، شناسایی نمایند.
در حوضههای آبریز رودخانهای تحت تأثیر معدنکاری سنتی طلا ، دادههای ایزوتوپ نشان دادهاند که چگونه جیوه به جای ثابت ماندن در محلهای استخراج، به طور مداوم بین رسوبات، ستونهای آب و سیستمهای بیولوژیکی در گردش است.
سونکه میگوید: «میزان انحلال و اکسیداسیون، پراکندگی و اثرات اکولوژیکی را تعیین میکند.»
سونکه همچنین توضیح میدهد که «جیوه به عنوان یک فلز حساس به اکسیداسیون-کاهش، به شدت با سطوح معدنی تعامل دارد… هرچه کانیهای رسی، اکسیدهای آهن و مواد آلی بیشتری در رسوبات داشته باشید، جیوه بیشتری به هم متصل میشود.» این اتصال، تحرک و در دسترس بودن بیولوژیکی جیوه را تغییر میدهد، اما خطر زیستمحیطی بلندمدت را از بین نمیبرد.
جیوه در اتمسفر (جو)
یکی از مهمترین یافتههای حاصل از تحقیقات ایزوتوپی این است که آلودگی جیوه پس از انتشار، در سطح محلی باقی نمیماند. در عملیاتهای استخراج سنتی طلا ، هنگام گرم کردن «آمالگامهای جیوه-طلا» (که برای بازیابی طلا استفاده میشوند)، مقادیر زیادی از جیوه عنصری مستقیماً به اتمسفر آزاد میشود. علاوه بر این، جیوه میتواند از خاکهای آلوده، رسوبات رودخانهها، تالابها و آبهای سطحی تبخیر شود؛ در حالی که جیوه اتمسفری که پیشتر در محیط رسوب کرده بود نیز میتواند از طریق فرآیندهای طبیعی نظیر «احیای فتوشیمیایی» و «تبادل سطحی»، دوباره به هوا بازگردد.
جیوه پس از ورود به اتمسفر، به دلیل طول عمر نسبتاً بالای خود در جو، میتواند ماهها در هوا معلق بماند؛ این امر به آن اجازه میدهد تا چرخههای مکرر اکسایش-کاهش را پشت سر گذاشته و مسافتهای طولانی را طی کند. طی این مدت، جیوه میتواند پیش از آنکه از طریق «رسوب مرطوب» (بارش برف و باران) یا «رسوب خشک» بر روی سطح خشکیها و آبها از جو خارج شود، هزاران کیلومتر فراتر از قارهها و اقیانوسها جابهجا شود. این جابهجایی، بهطور مؤثری آلایندههای منتشر شده از مناطق معدنی آفریقا را با چرخه جهانی جیوه ادغام کرده و منابع محلی را به مخازن اتمسفری در سطح نیمکره و جهانی پیوند میدهد.
تحقیقات بر روی ایزوتوپهای جیوه نشان داده است که واکنشهای فتوشیمیایی و اکسایش-کاهش در اتمسفر، امضاهای متمایزی از «تجزیه ایزوتوپیِ وابسته به جرم» (Mass-dependent) و «تجزیه ایزوتوپیِ مستقل از جرم» (Mass-independent) ایجاد میکنند که میتوان از آنها برای ردیابی مسیرهای دگرگونی جیوه در جو استفاده کرد. یک پیشرفت کلیدی در این حوزه، مربوط به مطالعهای در سال ۲۰۲۱ در نشریه علوم و تکنولوژی محیط زیست بود که نشان داد فرآیندهای اکسایش و احیای اتمسفری، امضاهای ایزوتوپی مشخصهای تولید میکنند که میتواند به عنوان ردیابی برای چرخه جیوه در اتمسفر عمل کند
با تکیه بر این پایه علمی، «سانگ و همکاران» نشان دادند که میتوان از این امضاهای ایزوتوپی برای تعیین محدودیتهای مکانیسمهای کلیدی اکسایش-کاهش در اتمسفر و کاهش عدم قطعیت در «بودجه جهانی جیوه» استفاده کرد؛ آنها بهویژه بر نقش اکسانها (عوامل اکسیدکننده) مانند بروم در شکلدهی به شیمیِ جیوه در اتمسفر تأکید کردند.
شواهد میدانی نیز این تفسیرها را بیشتر تأیید میکنند: اندازهگیریها در «رصدخانه مائونا لوا» نشان داد که ترکیب ایزوتوپهای جیوه در «تروپوسفر آزاد»، بازتابدهنده فرآیندهای مداوم اکسایش، انتقال و اختلاط است که بر چرخه اتمسفری جیوه در مسافتهای طولانی حاکم هستند.
«سونکه» در این باره میگوید: «از آنجایی که [جیوه] یک عنصر است که بهصورت جهانی پراکنده میشود، در اتمسفر بهطور بسیار گستردهای جابهجا میگردد.»
در مجموع، این مطالعات نشان میدهند که جیوه اتمسفری نه تنها در مسافتهای طولانی منتقل میشود، بلکه در حین انتقال نیز بهطور مداوم دچار دگرگونی (تغییر ماهیت شیمیایی) میشود. این نقش دوگانه یعنی «جابهجایی» و «واکنشپذیری شیمیایی»، ایزوتوپهای جیوه را به ابزاری قدرتمند برای پیوند دادن انتشار آلایندهها از مناطق معدنی به فرآیندهای اتمسفری جهانی تبدیل میکند.
همچنین مطالعات انجام شده در چشماندازهای مربوط به استخراج سنتی طلا نشان دادهاند که جیوه رسوبکرده از اتمسفر میتواند مستقیماً به سطح گیاهان چسبیده و وارد محصولات کشاورزی شود. این یافته با فرضهای سنتی که معتقد بودند گیاهان عمدتاً جیوه را از طریق خاکهای آلوده جذب میکنند، در تضاد است.
در واقع، نوائیچی میگوید: «در برخی از جوامع کشاورزی نزدیک مناطق معدنی، نشانههای ایزوتوپی نشان دادهاند که جذب جیوه در محصولات کشاورزی تحت تأثیر رسوب از جو است.» «این بدان معناست که ما باید از ایده آلودگی فقط خاک به عنوان راهی برای مداخله فاصله بگیریم.»
این یافته میتواند پیامدهای عمدهای برای استراتژیهای بهداشت عمومی در جوامع کشاورزی واقع در نزدیکی مناطق معدنی داشته باشد. حتی در جایی که سطح جیوه خاک نسبتاً پایین به نظر میرسد، آلودگی هوا همچنان ممکن است جمعیتهای کشاورزی را از طریق سیستمهای غذایی در معرض خطر قرار دهد.
آفریقا؛ یک آزمایشگاه طبیعی برای آنالیز ایزوتوپی
پژوهشگران معتقدند که اکوسیستمها را میتوان به عنوان «مخازن واکنش پیچیده» در نظر گرفت که فلزات سمی از طریق آنها حرکت کرده و تغییر شکل میدهند. بهطور ویژه، از ترکیب ایزوتوپهای جیوه میتوان برای ردیابی این فرآیندهای پنهانِ دگرگونی و همچنین مرتبط ساختن «انتشار آلایندهها» به «میزان مواجهه [با آلاینده]» از طریق هوا، آب، رسوبات، محصولات کشاورزی و موجودات زنده استفاده کرد.
با وجود پیشرفتهای سریع در این حوزه، همچنان چالشهای تحلیلی وجود دارد؛ از جمله هزینه بسیار بالای برخی تجهیزات و ناهماهنگی در روششناسیهای) مورد استفاده در آزمایشگاههای مختلف.
با این وجود، برخی از محققان میگویند که شیمیِ ایزوتوپهای جیوه هماکنون در حال متحول کردن درک آنها از آلودگی جیوه در مناطق معدنی آفریقا است. «نوایچی» میگوید: «نیجریه تنها یک مورد مطالعاتی نیست؛ بلکه آزمایشگاهی برای مدلسازی است.»
ترکیبِ روشهای معدنکاری غیررسمی، بارشهای مناطق گرمسیری، انتقال اتمسفری، فعالیتهای بیولوژیکی شدید، سیلابهای فصلی و تغییرات سریع کاربری اراضی، شرایط محیطی بسیار واکنشپذیری را ایجاد میکند که بهندرت میتوان آنها را در آزمایشگاههای کنترلشده بازسازی کرد.
در این سیستمها، جیوه آنقدر از نظر شیمیایی پایدار نمیماند که بتوان آن را به عنوان یک آلاینده ایستا (بدون تغییر) اندازهگیری کرد؛ بلکه در حین چرخه یافتن میان هوا، آب، رسوبات، میکروارگانیسمها، گیاهان، حیوانات و جوامع انسانی، بهطور مداوم در حال تغییر شکل است.
منبع: cen.acs.org
