Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav chemie a biochemie ŠPÉCIE ORTUTI V SEDIMENTOCH A VODNÝCH EKOSYSTÉMOCH

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav chemie a biochemie ŠPÉCIE ORTUTI V SEDIMENTOCH A VODNÝCH EKOSYSTÉMOCH Dizertačná práca Vedúci práce: Prof. RNDr. Vlastimil Kubáň, DrSc. Vypracovala: Mgr. Jana Margetínová Školiteľ špecialista: Mgr. Pavlína Pelcová, Ph.D. Brno 2011

Prehlasujem, že som dizertačnú prácu vypracovala samostatne s použitím uvedenej literatúry. Dizertačná práca je školskou prácou a môže byť použitá na komerčné účely, iba so súhlasom vedúceho dizertačnej práce a dekana Agronomickej fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Spracovaná dizertačná práca bola finančne podporená z prostriedkov Grantovej agentúry Čr (525/06/P143). 20. 6. 2011 Mgr. Jana Margetínová

Ďakujem prof. RNDr. Vlastimilu Kubáňovi, DrSc. a Mgr. Pavlíne Pelcovej, Ph.D., za odborné rady, záujem a čas ktorý mi venovali. A ďakujem všetkým, ktorí mi pomáhali s odberom vzoriek, spracovaním a pri publikovaní dosiahnutých výsledkov.

OBSAH 1. ÚVOD 2 1.1. Ciele dizertačnej práce 4 2. TEORETICKÁ ČASŤ 2.1. Špeciácia 5 2.2. Ortuť 5 2.2.1. Skupinové trendy 6 2.2.2. Fyzikálne a chemické vlastnosti 6 2.2.3. Zlúčeniny ortuti 6 2.2.4. Toxicita zlúčenín ortuti 7 2.2.5. Zdroje a použitie ortuti 9 2.2.6. Ortuť v životnom prostredí 10 2.3. Bio-geochemický cyklus zlúčenín ortuti 12 2.3.1. Zlúčeniny ortuti vo vodnom ekosystéme 13 2.3.2. Chemické a biologické premeny zlúčenín ortuti vo vodných ekosystémoch 14 2.3.3. Bioakumulácia zlúčenín ortuti 15 2.3.4. Biodostupnosť ťažkých kovov z kontaminovaných materiálov - pôdy 15 2.4. Sediment 17 2.4.1. Sorpcia ortuti na sediment 18 2.4.2. Desorpcia ortuti zo sedimentu 19 2.5. Rozklady a extrakcie 20 2.5.1. Extrakcia tuhou fázou 21 2.6. Metódy stanovenia 22 2.6.1. Stanovenie celkového obsahu ortuti 22 2.6.1.1. Atómová absorpčná spektrometria 22 2.6.1.1.1. Plameňová atómová absorpčná spektrometria 22 2.6.1.1.2. Atómová absorpčná spektrometria s elektrotermickou atomizáciou 23 2.6.1.1.3. Metóda generovania studených pár 23 2.6.1.1.4. Atómová absorpčná spektrometria s termooxidačným rozkladom 23 2.6.1.2. Atómová fluorescenčná spektrometria 24 2.6.2. Špeciačná analýza 24 2.6.2.1. Separácia plynovou chromatografiou 25 2.6.2.2. Separácia vysoko účinnou kvapalinovou chromatografiou 25 2.6.2.3. Separácia kapilárnou elektroforézou 27 3. KOMENTÁR K PRILOŽENÝM PRÁCAM 28 4. ZÁVER 34 5. ABSTRAKT 35 6. SUMMARY 36 7. ZOZNAM SKRATIEK 37 8. ŽIVOTOPIS 39 9. ZOZNAM PUBLIKÁCIÍ AUTORKY 40 10. REFERENCIE 41 11. PRÍLOHY 49 1

1. ÚVOD Kovová ortuť je známa už od staroveku. Poznali ju v antickej Číne a Indii, bola nájdená v Egyptských hrobkách z obdobia asi 1500 rokov pred našim letopočtom [1]. Ortuť a jej zlúčeniny patria medzi najviac toxické škodliviny vyskytujúce sa v životnom prostredí. Sú súčasťou celej rady komplexných bio-geochemických cyklov, napr. vodno-biologických, atmosferických [2]. Biochemický cyklus opisuje jej osud, chovanie a transport do životného prostredia, je zkomplikovaný množstvom rôznych chemických foriem ortuti a inými faktormi. Sorpcia, desorpcia, difúzia, prchavosť a transformácia (redukcia, methylácia, demethylácia) sú procesy, ktoré špécie ortuti prekonávajú. Jednotlivé procesy závisia na množstve biotických a abiotických faktorov [2]. K rozsiahlym a tragickým prípadom otráv methylortuťou došlo v 50. a 60. rokoch minulého storočia v Japonsku (Ninamata) a začiatkom 70. rokov v Iraku. Zdrojom ortuti v Japonsku boli ryby žijúce vo vodách znečistených odpadmi z chemických tovární, zákaz lovu rýb v tomto zálive trval 26 rokov, až kým vláda nepotvrdila neprítomnosť ortuti vo vodách zálivu. V Iraku bolo zdrojom ortuti obilie morené fungicídmi na báze methylortuti, ktoré bolo pôvodne určené ako osivo, ale z neznalosti a núdze bolo použité k príprave chleba [3]. Pred tragédiou v Ninamate (1952) neboli jej kumulatívne účinky popísané. Záujem nielen vedcov ale aj zákonodarcov, odštartovali hromadné otravy ľudí organokovovými zlúčeninami ortuti. Obe tieto krízy poskytli nové informácie ako rozpoznať otravu methylortuťou za jeden z varovných signálov pri otrave methylortuťou sa dnes považuje tzv. syndróm tichého dieťaťa, pri ktorom deti nikdy neplačú a ktorý indikuje poškodenie mozgu methylortuťou. V roku 1990 bola ortuť a jej zlúčeniny uznaná za globálny polutant [4]. Bola zakázaná výroba pesticídov obsahujúcich organické zlúčeniny ortuti a prestali sa aj pridávať takéto fungicídne prípravky do latexových farieb určených k vnútorným náterom [3]. V súčasnosti sú zlúčeniny ortuti uvoľňované do životného prostredia prevažne z antropogenných zdrojov, t.j. v dôsledku činnosti človeka. V Českej republike, rovnako ako v ostatných vyspelých častiach sveta, existuje zvýšené riziko výskytu toxických kovov (Hg, Pb, Cd atď.). V poslednej dobe je ortuť veľmi sledovaným kovom, a to hlavne z hľadiska medzinárodných aktivít, ktoré sa emisiami ortuti a jej vstupom do životného prostredia zaoberajú [5]. Európska legislatíva kontroluje maximálnu dovolenú koncentráciu Hg v rôznych jedlách, nie je v nej rozdiel medzi MeHg + a anorganickou Hg [6]. V minulosti sa nerozlišovali rozdielne chemické formy prvkov v látkach, aj keď majú rozdielne environmentálne správanie, metabolizmus, účinky na živé organizmy a toxicitu. Preto sa do analytickej praxe zaviedol pojem špeciácia [7]. Ortuť sa v životnom prostredí vyskytuje v mnohých formách. Najčastejšie sa vyskytujú anorganické chemické formy ortuti (para Hg 0, ortuťnaté Hg 2+ a ortuťné soli Hg 2 2+ ) a jej alkylované (menej často arylované) zlúčeniny. Z organokovových zlúčenín ortuti sú v biologických materiáloch najčastejšie halogenidy methylortuti. Majú lyofilnú povahu, ktorá im umožňuje jednoduchý prienik biologickými membránami priamo do bunky. Zlúčeniny methylortuti sú asi 10-krát toxickejšie ako anorganické zlúčeniny ortuti. Sú neurotoxické a majú výraznú tendenciu sa bioakumulovať v potravinových reťazcoch, hlavne vo vodných ekosystémoch [8-10]. Medzi najviac toxické chemické formy ortuti patria dimethylortuť a methylortuť. Vznikjú v pôde z priameho vstupu fungicidov, kalov, z atmosferickej depozície, transformáciou z anorganickej ortuti Hg(II). Vysoká koncentrácia ortuti v pôde má veľký potenciál na kontamináciu povrchovej a podzemnej vody [11]. Methylortuť v pôde môže byť transportovaná do podzemnej (aj do povrchovej) vody alebo transformovaná na anorganickú ortuť v závislosti na sorpčných/desorpčných vlastnostiach pôdy [12]. Anorganická ortuť je transportovaná z pôdy a mokradí do riek prevažne väzbou na rozpustenú alebo suspenznú 2

organickú hmotu [13]. Dôležitými faktormi pri sorpcii Hg sú ph a obsah organickej hmoty v pôde [14]. Zvýšenie obsahu Hg vo vode, má za následok zvýšenú koncentráciu v rybách [11], ktorú prezentuje hlavne methylortuť. Ryby prijímajú ortuť hlavne z potravy (planktón). Adsorpčný/desorpčný proces ortuti zahrňuje tri konkurenčné reakcie s rôznymi aktívnymi miestami v pôde. Sú to rýchle a reverzibilné, pomalé a reverzibilné, irevirzibilné reakcie [15]. Kontaminácia ortuťou najvýraznejšie ovplyvňuje organizmy na najvyšších trofických úrovniach potravinovej pyramídy vodných ekosystémov. Niekoľko autorov poukazuje na to, že koncentrácia ortuti a MeHg + stúpa s vekom organizmu [9]. Vysoké koncentrácie v rybách, ktoré majú celosvetovo veľký nutričný význam, môžu významne ovplyvňovať ako zdravie človeka, tak aj piscivorných vtákov (živiacich sa rybami) [16-21]. Pre rozdielnu toxicitu jednotlivých foriem ortuti, je dôležité stanovovať vo všetkých zložkách životného prostredia a aj v potravinách nie len celkový obsah ortuti ale aj jednotlivé chemické formy (špécie). Zlúčeniny ortuti sa silne viažu s thio-, amino- a karboxy-skupinami, ktoré sa často vyskytujú v prírodných matriciach (sediment, bilogické tkanivá, krv, moč a pod.) [7]. Stanovenie chemických foriem ortuti je z analytického hľadiska komplikované nie len zložitou matricou biologických materiálov, ale aj vcelku nízkymi obsahmi chemických foriem ortuti v týchto materiáloch a tiež aj ich toxicitou. Stanovenie si vyžaduje vývoj, optimalizáciu vlastnej separačnej a detekčnej metódy, ale aj vhodné odberové, skladovacie podmienky a optimalizáciu vhodnej extrakčnej metódy. Pre stanovenie špécií ortuti vo vzorkách vôd je využívané množstvo prekoncentračných metód, najčastejšie založených na extrakciách kvapalina kvapalina a extrakciách na tuhú fázu (SPE) [22-25]. Celé stanovenie je zároveň komplikované možnou transformáciou jednotlivých chemických foriem ortuti vo vzorkách počas celého procesu analýzy [26-29]. V teoretickej časti dizertačnej práce je uvedený stručný prehľad vlastností chemických foriem ortuti, ich výskyt a kolobeh v životnom prostredí. Uvedený je aj prehľad najčastejšie používaných metód pre stanovenie celkového obsahu ortuti a aj jej špécii. Praktická časť je koncipovaná tak, aby splňovala hlavný cieľ dizertačnej práce, ktorým bolo vyvinúť a optimalizovať citlivú a robustnú analytickú metódu, ktorá by umožňovala stanovenie špécií ortuti v sedimentoch a aj vo vodách po ich prekoncentrácii. Pôvodná myšlienka bola spojenie jednoduchej, univerzálnej a veľmi rýchlej mikrovlnnej extrakcie sedimentov s chromatografickou separáciou špécií ortuti a prekoncentračnou metódou vzoriek vôd. Veľmi vhodné sa javí použitie komplexačného činidla (2-sulfanylfenolu) ako modifikátoru pri HPLC i pre zachytenie špécií ortuti prekoncentračnou metódou. Druhým cieľom bolo sledovať vplyv niektorých abiotických faktorov (ph, vplyv rôznych druhov sedimentu, koncentrácie ortuti, vplyv vybraných iónov) na sorpčné procesy štyroch chemických foriem ortuti (methylortuť MeHg +, ethylortuť EtHg +, fenylortuť PhHg +, anorganická ortuť Hg 2+ ). Lékař, jenž zná léčivé síly kořenů a bylin, je člověk; ten, jenž zná léčivé síly vody a ohně, je démon; ten, jenž zná sílu modlitby, je prorok; a kdo zná sílu rtuti, je Bůh." 3

1.1. Ciele dizertačnej práce 1. Stanovenie celkového obsahu ortuti (AMA 254) 2. Vývoj a optimalizácia separačnej a detekčnej metódy (HPLC-CV-AFS) pre stanovenie chemických foriem ortuti 3. Vývoj a optimalizácia extrakcie tuhou fázou (SPE) 4. Vývoj a optimalizácia extrakčnej metódy pre stanovenie chemických foriem ortuti vo vzorkách vôd a sedimentov 5. Sledovanie vplyvu abiotických faktorov na sorpčné procesy špécií ortuti 4

2. TEORETICKÁ ČASŤ 2.1. Špeciácia Špeciácia môže byť definovaná ako chemická forma akéhokoľvek prvku v periodickej tabuľke prvkov alebo ako proces identifikácie a kvantifikácie rozdielov, definovaných špécii, foriem alebo fáz obsiahnutých v materiáli. Otázkou však je, koľko chemických foriem môže mať jeden prvok vyskytujúci sa za daných študovaných podmienok a koľko foriem je prítomných za konkrétne existujúcich podmienok [30-32]. V snahe ukončiť nejednotnosť v používaní termínu špeciácia, IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) v roku 2000 vydala odporúčania pre štandardnú terminológiu, ktorá je nevyhnutná pre interdisciplinárnu komunikáciu, ako aj pre komunikáciu s laickou verejnosťou, napr. právnikmi a zákazníkmi [33]. Termín špeciácia sa používal vo viacerých významoch. Geochemici a environmentálni chemici používali pojem špeciácia na opis transformácie počas kolobehu prvkov, v analytickej chémii sa termín používal pri identifikácii jednotlivých foriem výskytu študovaných prvkov. Termín špeciácia sa používal tiež na opísanie distribúcie prvkov vo vzorkách alebo matriciach, napr. toxicita ortuti je silne závislá od jej špeciácie. Špeciácia v tomto prípade je synonymom pre distribúciu druhov (ang. species distribution). Autori odporúčajú používať termín špeciácia v tomto význame. Z vyššie uvedeného však vyplýva jednoznačná potreba presne definovať termín druh (angl. species) v tomto kontexte. 2.2. Ortuť Ortuť Hg (hydrargyrum) je chemický prvok II. skupiny periodickej sústavy. V staroveku bola nazývaná živé striebro (argentin visum) alebo tečúce striebro (hydrargyrum) [34]. Z rumelky HgS bola ortuť izolovaná už pred 2500 rokmi a používala sa k extrakcii kovov amalgáciou. V prírode sa vyskytuje voľná, alebo vo forme zlúčenín. Svojimi vlastnosťami sa radí k ušľachtilým kovom. Vyrába sa pražením sulfidu ortuťnatého (HgS) v prúde vzduchu. Vzniká oxid siričitý (SO 2 ) a pary ortuti, ktoré po ochladení kondenzujú. Získaná ortuť sa ďalej prečisťuje. Ďalšou možnosťou výroby ortuti je praženie sulfidických rúd so železným odpadom alebo oxidom vápenatým (CaO). Tento postup sa dá použiť iba v prípade kvalitnej rudy, ktorá obsahuje dostatočné množstvo ortuti. Z množstva toxických stopových kovov je ortuť jedným z najnebezpečnejších polutantov životného prostredia. Ortuť sa vyskytuje iba v obmedzenom počte oxidačných stavov (0, +I, +II). Avšak vytvára širokú škálu zlúčenín, ktoré sa navzájom líšia fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami ale aj svojou toxicitou. Medzi najdôležitejšie špécie patrí elementárna (kovová) ortuť, ortuťné (Hg 2 2+ ) a ortuťnaté (Hg 2+ ) anorganické formy a organokovové zlúčeniny ortuti, medzi ktoré patrí napr. dimethylortuť (Me 2 Hg), difenylortuť (Ph 2 Hg) a zlúčeniny methylortuti (MeHg), ethylortuti (EtHg), fenylortuti (PhHg) a atď. Organické formy ortuti sa viažu na thioskupiny proteínov a tukových tkanív živých organizmov. Kumulujú sa prevažne v telách vodných živočíchov (rýb, mäkkýšov, kôrovcov) [35]. Najjednoduchšia a najvýhodnejšia likvidácia ortuti je posypanie zinkovým prachom (častejšie sírou), kedy vznikne amalgám (so sírou sulfid), ktorý je na rozdiel od ortuti nejedovatý a ktorý sa jednoducho odstráni. 5

2.2.1. Skupinové trendy Chemická podobnosť ortuti so zinkom a kadmiom je malá. Ortuť má oveľa väčšiu tendenciu ku kovalentným väzbám ako Zn a Cd. Preferuje donorové ligandy s N, P a S atómami, s ktorými tvorí +II komplexy, ktoré patria k najstabilnejším komplexom dvojmocných iónov. Zlúčeniny Hg 2+ sú o niekoľko rádov stabilnejšie ako so Zn a Cd. Mnoho zlúčenín Hg II je silne zafarbených v dôsledku ľahšieho prenosu náboja z ligandu ku katiónom s vyšším polarizačným účinkom. Stabilita alkylov a arylov viazaných na σ-väzbou vzrastá od Zn k Hg. Tieto zlúčeniny sú u Zn a Cd pomerne reaktívne a nestále, u Hg sú stále. (Konkurujúca väzba Hg-O je ešte slabšia ako Hg-C, ktorá je pomerne reaktívna a nestála) [36]. 2.2.2. Fyzikálne a chemické vlastnosti Elementárna (kovová) ortuť je jediný kov, ktorý je pri laboratórnej teplote kvapalný s pomerne vysokým tlakom pár a okrem vzácnych plynov je jediným prvkom, ktorého pary sú výhradne jednoatomové. Má veľmi nízky bod topenia 38,83 C a bod varu 356,73 C. Ortuť má na kov výnimočne vysoký merný elektrický odpor (25 C) 961 nω m a povrchové napätie. Kvôli veľkému povrchovému napätiu nevsiakne do podkladu, ale vytvára mierne sploštené kvapky. Tak ako iné kovy je elektricky vodivá. Má katalytické vlastnosti a preto sa používa na výrobu rôznych chemických zlúčenín ako napríklad acetaldehydu a pod. Výpary ortuti sú veľmi toxické. Ortuť je odolná voči pôsobeniu hydroxidov alkalických kovov, ale pri bežných teplotách ochotne reaguje so sírou a halogénmi, rozpúšťa sa v koncentrovanej HNO 3 a horúcej koncentrovanej H 2 SO 4. Zliatiny ortuti s kovmi sú známe ako amalgámy [36]. 2.2.3. Zlúčeniny ortuti Väčšina zlúčenín je prchavých pri teplote medzi 25-450 o C, organické zlúčeniny majú obyčajne nižší bod varu ako anorganické [37]. Najbežnejšie zlúčeniny jednoväzbovej ortuti sú halogenidy, ktoré obsahujú ión Hg 2 2+. Kalomel (Hg 2 Cl 2 ) je málo rozpustný vo vode (2 mg/l pri 25 o C) [38], preto je menej toxický ako ostatné vo vode rozpustné zlúčeniny ortuti. Bol používaný v lekárstve, ale hrozila kontaminácia rozpustnejším silne jedovatým HgCl 2. Dvojmocná ortuť tvorí väčšie množstvo chemických zlúčenín ako jednomocná. Sú to oxidy, sulfidy, halogenidy, soli silných oxokyselín (dusičnany, chloristany a sírany) a koordinačné zlúčeniny, ktoré obsahujú veľmi stále sulfidické väzby Hg II -S a ďalej Hg II -X a Hg II -N [36]. HgS sa vyskytuje v červenej α-forme (cinabarit alebo rumelka) a v čiernej β-forme (metacinabarit), má najmenšiu rozpustnosť zo všetkých ortuťnatých zlúčenín (10 ng/l) [38]. Halogenidy ortuťnaté HgX 2 (X = Cl, Br, I) sa ľahko pripravujú syntézou priamo z prvkov a majú kovalentný charakter väzby, HgF 2 je jedinou iónovou zlúčeninou medzi nimi. Ďalšie Hg II s výrazným iónovým charakterom sú hydratované soli silných oxokyselin. Organokovové zlúčeniny ortuti obsahujú 1 alebo 2 uhľovodíkové zostatky, naviazané na atóm kovu a tvoria RHgX alebo RHgR, R a R sú uhľovodíkové zostatky (-CH 3, -C 2 H 5,- C 6 H 5 ) a X anión je najčastejšie halogenid, dusičnan, sulfid alebo síran. Na ich prípravu sa najčastejšie používajú Grignardové činidlá s HgCl 2 v tetrahydrofurane (rovnice a, b), ale je možné ich vytvoriť aj pôsobením HgX 2 na uhľovodík (rovnica c) [38]. RHgX sú kryštalicky pevné látky, R 2 Hg predstavujú mimoriadne toxické kvapaliny alebo nízkotopiace sa pevné 6

látky. Sú to v podstate kovalentné látky, iba v prípade keď X = F -, NO 3 - alebo SO 4 2- majú iónový charakter a sú rozpustné vo vode [36]. RMgX + HgCl 2 RHgCl + MgXCl (a) RMgX + RHgCl R 2 Hg + MgXCl (b) HgX 2 + RH RHgX + HX (c) 2.2.4. Toxicita zlúčenín ortuti V súčasnosti je z hľadiska neurotoxicity ortuti v centre pozornosti (1) expozícia parám elementárnej ortuti uvoľňovanej z amalgámových zubných výplní, (2) expozícia methylortuti z rýb a (3) expozícia thiomersalu z viacdávkových balení vakcín [3]. Do organizmu ortuť preniká všetkými vstupnými cestami, vrátane pokožky. Elementárna ortuť sublimuje pri izbovej teplote, čo je dôležité pre inhalačný vstup. Na vstup do tráviaceho systému ma dôležitý vplyv rozpustnosť zlúčenín ortuti vo vode. Hlavným spôsobom ako sa dostáva ortuť do tela človeka je konzumáciou potravín [39]. Toxicita, akumulácia a mobilita v pôdach závisí na prítomnosti jej špécii. Organické a anorganické zlúčeniny ortuti môžeme rozdeliť do dvoch skupín podľa ich toxicity. Prvú skupinu tvoria organické a rozpustné anorganické špécie, sú hlavnou zložkou potenciálnej toxicity ortuti v pôdach. Sú charakteristické svojou mobilitou. Patria do nej alkylové špécie ortuti ako methylortuť (MeHg + ) a ethylortuť (EtHg + ) a rozpustné anorganické špécie ako je napríklad chlorid oruťnatý (HgCl 2 ). Alkylové zlúčeniny sú toxickejšie ako anorganické zlúčeniny, pretože sú dobre rozpustné v tukoch, dobre sa kumulujú a prenikajú bariérou krv mozog a placentou. Vstrebávajú sa pokožkou a po jej zasiahnutí dochádza k pocitu lokálneho tepla, začervenaniu a tvorbe pľuzgierov, ktoré sa zle hoja. Pri otravách dochádza k degenerácii nervovej sústavy, dôsledkom čoho je parestézia (porušenie vnímania pocitu na pokožke), paréza (neúplné ochrnutie niektorých častí tela) a niekedy aj trasľavka. Môže dôjsť k strate zraku (zúženie zorného poľa). Príznaky otravy organickými zlúčeninami ortuti sa prejavujú ospalosťou, bolesťami hlavy, žalúdočnými problémami, chudnutím a poruchami videnia. Už v štyridsiatych rokoch minulého storočia bolo zistené, že toxicita ortuti môže byť znížená v prítomnosti selénu. Účinok selénu sa prejavuje pri akútnych aj chronických intoxikáciách anorganickou a aj organickou ortuťou. Mechanizmus pôsobenia selénu je vysvetľovaný väzbou ortuti do zložitých konglomerátov s bielkovinami (selenoprotein + Hg), čo zabraňuje prieniku iónov ortuti do tkanív organizmu. Ide o predstavu, že ortuť môže narušiť syntézu esenciálnych selenoenzymov, ktoré sú dôležité pre nervové tkanivá a tak spôsobiť odumretie nervových buniek a to hlavne v mozgu plodu. To môže nastať, keď matka prijme množstvo ortuti, ktoré prevýši množstvo esenciálneho selénu [40]. Medzi známe zlúčeniny ortuti prvej skupiny patrí methylortuť MeHg +, ktorá blokuje väzbové miesta enzýmov, narušuje syntézu proteínov ako aj včlenenie thymidinu do DNA [9]. Hydroxid methylortuti CH 3 HgOH, je teratogénny a kumuluje sa v mozgu. Ďalšou zlúčeninou je chlorid methylortuti CH 3 HgCl, ktorý spôsobuje psychickú otravu centrálnej nervovej sústavy, pri styku s pokožkou vznikajú pľuzgiere. U dimethylortuti (CH 3 ) 2 HgCl dochádza k ťažkej otrave už po krátkej expozícii a väčšinou končí smrťou. Chlorid fenylortuti C 6 H 5 HgCl sa vstrebáva pokožkou, je menej toxický pre centrálnu nervovú sústavu ako alkylortuťnaté deriváty. Spôsobuje poškodenie pečene, srdca, vznik anémie, leukopenie (znížený počet bielych krviniek) a alergií. Používal sa v prípravkoch na morenie obilia (prípravok PMC). Octan fenylortuti C 6 H 5 HgCOOCH 3 je účinnou súčasťou moridiel na obilie 7

(Ceresan, Ceresol, TAG a atď.). Akútna otrava spôsobuje progresívnu slabosť, slinenie, nauseu (nútenie k vracaniu), krvácanie z ďasien, niekedy aj stuhnutie svalov a oslabenie zraku. Chronická otrava má za následok poruchy funkcie pečene, obličiek a krvotvorby [41]. Chlorid ortuťnatý HgCl 2 (sublimát) je najčastejšou príčinou akútnych otráv po požití, smrteľná dávka je 0,2 až 1 g [41]. Vstrebáva sa aj pokožkou. Je možná aj chronická otrava. Najskôr sa prejaví pálením v ústach, slinením, bolesťami brucha, krvavými hnačkami. Potom sa zduria slinné žľazy a začína zápal ústnej sliznice. Chronická expozícia je doprevádzaná tvorbou šedého lemu okolo zubných krčkov a uvoľňovaním zubov. Nasleduje poškodenie obličiek, urémie a môže nastať aj smrť. Priebeh otráv je v podstate rovnaký pre všetky anorganické zlúčeniny ortuti [42]. Druhú skupinu tvoria semimobilné a nemobilné špécie ortuti, ktoré sú charakteristické minimálnou toxicitou, vďaka menšej mobilite v procesoch životného prostredia. Elementárna ortuť Hg a kovové amalgámy ortuti patria medzi semimobilné špécie ortuti. Nemobilné špécie ako sulfid ortuťnatý HgS a chlorid ortuťný Hg 2 Cl 2 sú chemicky stabilné v pôdach po celú dobu geologickej periódy, takže patria medzi najmenej toxické [43]. Atomárna ortuť je zdrojom otráv. Najčastejšou príčinou otráv je inhalačná expozícia parám ortuti, pretože kovová, kvapalná ortuť má vysoký tlak pár nad povrchom. Vstrebáva sa dobre aj pokožkou. Orálna expozícia nie je príliš závažná, v zažívacom trakte je zle absorbovaná. HgS nie je považovaný za jed, pretože je veľmi málo rozpustný. Pri chronickom pôsobení a akumulácii HgS v organizme prebieha po čase premena na toxickejšie zlúčeniny. Hg 2 Cl 2 je tiež málo rozpustný a teda aj pomerne málo toxický [42]. Rozdelenie špécií ortuti je na obr.1. Obr.1.: Rozdelenie špécií ortuti [43] Celková ortuť Jednotlivé špécie ortuti 1. skupina Alkylortuť MeHgCl EtHgCl HgCl 2 Rozpustná Hg(OH) 2 anorganická Hg(NO 3 ) 2 ortuť HgSO 4 HgO Hg 2+ komplexy 2. skupina Semimobilná ortuť Hg alebo Hg-kov Hg 2+ komplexy Nemobilná ortuť Hg 2 Cl 2 (malé množstvo) Hg 2 Cl 2 (veľké množstvo) HgS HgSe U rastlín spôsobuje expozícia ortuťou redukciu fotosyntézy, v dôsledku zníženej syntézy chlorofylu, intenzity dýchania a príjmu vody. Anorganické formy ortuti ovplyvňujú cytoplazmatickú membránu rastlín, zlúčeniny methylortuti predovšetkým metabolizmus organel v cytoplazme [2]. Baktérie sú viac prístupné toxickým kovom ako eukaryotické organizmy, pretože počas svojho vývoja získali schopnosť detoxikácie, a to pumpovaním kovov z bunky, oxidáciou, redukciou alebo transformáciou kovov na menej toxické druhy [44]. 8

Toxicita ortuti u bezstavovcov je okrem vývojovej vyspelosti organizmu závislá na faktoroch ovplyvňujúcich rozpustnosť a vstrebateľnosť ortuti, ako je teplota vody (toxicita rastie s teplotou a klesá s tvrdosťou vody), koncentrácia iónov, koncentrácia rozpustenej organickej hmoty (DOM), prietok vody a koncentrácia jednotlivých špécií ortuti [2]. 2.2.5. Zdroje a použitie ortuti Prírodné zdroje ortuti sú väčšinou vo forme zlúčenín vyvreté horniny, sedimentované sulfidové minerály. V elementárnej forme sú vzácne. Ortuť a jej zlúčeniny majú rozsiahle využitie v širokej škále odvetvi, ako ťažba zlata, výroba batérií, teplomerov a chemických látok ako Cl 2, NaOH. Okrem toho sú zlúčeniny ortuti už po desaťročia používané ako katalyzátory, fungícidy, herbicídy a dezinfekčné prostriedky [45]. Antropogénnymi zdrojmi sú: Fungicídy používané pri výrobe celulózy a papiera Spracovanie chlorovaných uhľovodíkov Destilácia olejov a uhlia Výroba elektrických kontaktov Poľnohospodárske moridlá Spracovanie rúd Amalgácia Elektrochemická výroba Regulačná technika Lekárstvo - aktívna zložka rôznych diuretík, antiseptík a kožných liečiv, zubných amalgámov Laboratórne farbivá Najvýznamnejšie uplatnenie v praxi má ortuť vo forme amalgámov - svojich zliatin s inými kovmi. Ochotne ich vytvára s Au, Ag, Cu, Zn, Cd. So železnými kovmi ako sú Fe, Ni a Co nevznikajú vôbec. Dentálne alamgámy sa používajú v zubnom lekárstve ako veľmi odolná výplň zubu po odstránení zubného kazu. V súčasnosti sa používajú amalgámy, ktoré vznikajú zmiešaním ortuti so zliatinou striebra, medi a cínu. Pomer posledných troch sa líši podľa jednotlivých výrobcov. Aj napriek tomu, že sa v súčasnosti používa amalgám v dentálnej medicíne stále menej a je nahradzovaný plastickými polymérmi, sú jeho mechanické vlastnosti stále najlepšie zo všetkých zubných výplní [40]. Ďalší amalgám sa používa pri amalgácii zlata pri ťažbe vysokokovateľných rúd. Jemne rozdrvená hornina sa kontaktuje s kovovou ortuťou a zlato prakticky kompletne prejde do kvapalného amalgámu. Veľkým problémom tohto spôsobu ťažby je, že sa nedá úplne oddeliť ortuť od hlušiny a kontaminuje sa životné prostredie veľmi toxickou ortuťou [40]. Zaujímavé využitie amalgámov je pri výrobe hydroxidu sodného (NaOH). 2Na + + 2e - + 2 n Hg 2NaHg n 2Cl - - 2e - Cl 2 2NaHg n + 2H 2 O 2NaOH + H 2 + 2 n Hg Elementárna ortuť sa používa ako náplň do fyzikálnych prístrojov ako sú napr.: teplomery a tlakomery [40]. 9

2.2.6. Ortuť v životnom prostredí Ortuť patrí medzi jednu z najviac toxických látok vyskytujúcich sa vo vodných ekosystémoch, do ktorých je uvoľňovaná prevažne z antropogénnych zdrojov. Cyklus ortuti sa rôzni od jedného systému k druhému. Veľmi záleží na parametroch, ktoré sa menia v závislosti na sezónnych variáciách. Hg tvorí organometalické zlúčeniny, s ktorými sa vyskytuje ako globálny polutant vo všetkých zložkách životného prostredia. Je súčasťou celej rady komplexných bio-geochemických cyklov, napr. vodno-biologických, atmosférických. Biochemický cyklus opisuje jej osud, chovanie a transport do životného prostredia. Je skomplikovaný množstvom rôznych chemických foriem ortuti a inými faktormi. Jednotlivé procesy závisia na množstve biotických a abiotických faktorov [2]. Ortuť sa v životnom prostredí vyskytuje v množstve foriem, ktoré sa od seba výrazne líšia vo svojich fyzikálno-chemických vlastnostiach ako je rozpustnosť vo vodnom prostredí, reaktivita, schopnosť akumulácie, toxicita a chovanie v ekosystéme. Zlúčeniny ortuti sú v životnom prostredí transformované biotickou a abiotickou oxidáciou a redukciou, biologickými premenami medzi anorganickými a organickými formami ortuti a fotolýzou organokovových zlúčenín [46, 47]. Neenzymatická methylácia ortuťnatých iónov methylkobalaninovými zlúčeninami v prítomnosti mikroorganizmov nachádzajúcich sa v sedimente, je najdôležitejším transformačným procesom ortuti vo vodných ekosystémoch [46, 47]. Medzi najviac toxické chemické formy ortuti patria dimethylortuť a methylortuť. Vznikajú v pôde z priameho vstupu vo forme fungicídov, kalov, z atmosférickej depozície, transformáciou z anorganickej ortuti Hg(II). Vysoká koncentrácia ortuti v pôde má veľký potenciál na kontamináciu povrchovej a podzemnej vody. Štúdie dokazujú, že pôdny ekosystém je významným zdrojom ortuti v jazerách a vo vodných tokoch [11]. Zvýšenie obsahu Hg vo vode, má za následok zvýšenú koncentráciu v rybách [11], ktorú prezentuje hlavne methylortuť. Ryby získavajú ortuť hlavne z potravy (planktón). Methylortuť môže byť z pôdy transportovaná do podzemnej (aj do povrchovej) vody alebo transformovaná na anorganickú ortuť v závislosti na sorpčných/desorpčných vlastnostiach pôdy [12]. Anorganická ortuť je transportovaná z pôdy a mokradí do riek prevažne väzbou na rozpustenú alebo suspenznú organickú hmotu [13]. V atmosfére sa vyskytujú prchavé formy ortuti (elementárna ortuť a dimethylortuť). Vo vodnom prostredí sú prítomné reaktívne anorganické formy (Hg 2+, HgX 2, HgX - 3, HgX 4 ), ktoré sú naviazané na častice sedimentu, suspenzie, nereaktívne komplexy organometalových (CH 3 Hg +, CH 3 HgCl, CH 3 HgOH) a anorganických foriem (HgCN, HgS a Hg 2+ ), ktoré sú naviazané na síru na huminových látkach. Rozpustnosť HgS v životnom prostredí značne stúpa so stupajúcim obsahom S 2-, ktorý je schopný sa tvoriť za vzniku rozpustných sulfidových a disulfidových komplexov [48]. Táto schopnosť je zodpovedná za veľké koncentrácie rozpustných špécií ortuti v anaeróbnych zónach spodných sedimentov [49]. Fytoremediácia je jednou z ciest ako vyriešiť problém so znečistením ťažkými kovmi použitím rastlín. Táto technológia využíva zelené rastliny k fixácii, akumulácii a rozkladu kontaminantov. Je priateľská k životnému prostrediu, lacná a môže sa vykonávať priamo na mieste (in situ). Používa sa na vyčistenie vody, pôdy, kalov a sedimentov [50]. Tradičné remediačné stratégie pre pôdu kontaminovanú ortuťou sú drahé a zničia kontaminované miesto. Nenašli sa žiadne rastliny, ktoré by viazali ortuť, ale existujú druhy baktérií ktoré môžu. Vedci navrhli použitie transgénnych rastlín na odstránenie dostupných foriem Hg z kontaminovaných pôd a sedimentov. Tieto rastliny majú bakteriálne modifikovaný reduktázový gén, mera, koreňmi nasiaknutá Hg(II) je premenená na menej toxickú Hg(0), alebo bakteriálny lyazový gén, merb, methylortuť nasiaknutá koreňmi je 10

premenená do sulfhydrylovej väzby Hg(II). Rastliny s obidvomi génmi su schopné premeniť iónovú ortuť aj methylortuť na Hg(0), ktorá je uvoľňovaná do atmosféry vyparovaním [51]. Azola Karolínska (trváca vejárovitá papraď plávajúca na vode) dokáže naviazať veľké množstvo tohto kovu (až do 578 mg dm -3 v suchej biomase) bez genetickej modifikácie. Iné rastliny sú schopné viazať iba malé množstvo ortuti (okolo 6 mg dm -3 ). Táto A. Karolínska môže byť tiež použitá ako hyperakumulátor ortuti. Papradie by mohlo byť použité na fytoremediáciu (odstránenie) ortuti zo znečistených pôd [50]. 11

2.3. Bio-geochemický cyklus zlúčenín ortuti Bio-geochemické cykly popisujú pohyb chemických prvkov a zlúčenín medzi prepojenými biologickými a geologickými systémami. Bio-geochemický cyklus ortuti je popisovaný ako súčet všetkých vstupov a výstupov ortuti v danom ekosystéme. Neustále sa opakuje, iba malá časť ortuti sa naviaže do nerozpustných zlúčenín alebo sa bioakumuluje vo vodných reťazcoch a nemôže byť znova uvoľnená do atmosféry. Pre nevratné naviazanie ortuti v biosfére sú významné thiolové skupiny (-SH) prítomné v molekulách tvoriacich rozpustený organický uhlík (DOC) [52]. Bolo zistené, že k vzniku methylortuti dochádza v rámci tzv. geochemického cyklu ortuti v prírode. Pary elementárnej ortuti uvoľňované zo zemskej kôry stúpajú do atmosféry, kde dochádza k ich oxidácii na dvojmocnú ortuť. Jej zlúčeniny sú rozpustné vo vode, preto sú z atmosféry vymývané dažďom a dostávajú sa do vodných rezervoárov. V sedimentoch na dne morí a jazier je dvojmocná ortuť methylovaná na methylortuť. Tá vstupuje do potravinového reťazca, v ktorom dochádza k procesu bioakumulácie methylortuti. Všeobecne platí, že ryby obsahujú tým viac methylortuti, čím sú väčšie a čím dlhšie žijú [3]. Obr.2: Geochemický model cyklu ortuti pre jazero Velenje, tento model nezahrňuje absorpciu a interakcie rôznych špécií ortuti v biocykle, pretože v tomto jazere skoro žiaden život nie je [53]. 12

2.3.1. Zlúčeniny ortuti vo vodnom ekosystéme Značný podiel ortuti je v prirodzených vodách silne asociovaný na suspendované pevné častice, ktoré sú zodpovedné za jej transport, prípadne akumuláciu na dnových sedimentoch. Miera asociácie je podmienená ph, salinitou, redox potenciálom a organickými ligandmi [54]. O vplyve na zdravie živých organizmov je dostupná celá rada informácií. Informácie o pohybe, transformácii a bioakumulácii ortuti a jej zlúčenín vo vodných ekosystémoch sú značne obmedzené a nekompletné [47, 55]. Proces transformácie a bioakumulácie v prostredí je veľmi zložitý [56]. Najväčším zdrojom znečistenia ortuťou pre európske rieky sú zariadenia na elektrolýzu chloridov alkalických kovov s amalgámovými elektródami. Sú to väčšinou velké chemické továrne, vyrábajúce chlór a alkalické hydroxidy. Prirodzený obsah celkovej ortuti v oceáne je 0,5 3 ng/l, v pobrežných vodách 2 15 ng/l. V riekach a jazerách 1 3 ng/l. Zastúpenie špécií vo vodách závisí na type vodného ekosystému, v oceánoch prevažuje Hg 2+ vo forme chloridu. Koncentrácia methylortuti závisí na type vodného ekosystému. V sladkovodných ekosystémoch sa pohybuje v rozmedzí 1 6 % [57]. O distribúcii ortuti v zložkách životného prostredia (atmosféra, voda, sediment alebo biota) rozhoduje predovšetkým chemická forma ortuti. Medzi faktory ovplyvňujúce zastúpenie chemických foriem ortuti v danej zložke životného prostredia patrí chemické a mikrobiologické zloženie prostredia (koncentrácia kyslíku, ph, redoxné podmienky, množstvo rozpusteného uhlíku a sírnych zlúčenín, mikroorganizmov, prítomnosť voľných radikálov, teplota a atď.) [47], reaktivita a rýchlosť premeny prostredia [37]. V sedimentoch a v povrchových vodách sa ortuť vyskytuje najčastejšie v oxidačnom stave +II a to viazaná na množstvo ligandov, alebo sorbovaná na čiastočky sedimentu. Takto vzniknuté zlúčeniny majú rozdielnu rozpustnosť. Prítomnosť dostatočne vysokej koncentrácie sulfidových iónov stabilizuje dvojmocnú ortuť vo forme hydrogénsulfidov a sulfidov, dokonca aj za podmienok nízkeho redox potenciálu. V dobre prevzdušnených vodách obsahujúcich stabilné organické ligandy, sa ortuť zabudováva do rozličných chloro - hydroxykomplexov v závislosti na ph a koncentrácii chloridov [54]. Chlorokomplexy (HgCl +, nedisociovaný HgCl 2 a HgCl - 3 ) prevažujú vo vodách v slabo kyslom prostredí a to aj pri nízkych koncentráciách chloridových iónov. Podľa termodynamického modelu, Hg môže byť charakterizovaná vysoko rozpustnými stabilnými komplexami, buď naviazaním sa na huminové materiály v sladkej vode [58, 59], alebo komplexáciou s chloridovými iónmi morskej vody, kde tvorí hlavne štyri špécie HgCl +, HgCl 2, HgCl - 3, HgCl 2-4 [60]. V morskej vode klesá väznosť Hg na organickú hmotu (OM), čo korešponduje s nárastom sorpcie na častice. Rozpustnosť Hg môže byť vysvetľovaná ako konkurenčný proces medzi jej väzbovosťou na OM, komplexáciou chlóru a sorpciou na častice [61]. Ióny Hg 2+ už pri ph = 2-6 hydrolyzujú na HgOH + a Hg(OH) 2 podľa reakcií: Hg 2+ + H 2 O HgOH + + H + HgOH + + H 2 O Hg(OH) 2 + H + V alkalickom prostredí je dominantnou formou Hg(OH)Cl, podľa reakcie prebieha čiastočná hydrolýza HgCl 2 [38]: HgCl 2 + H 2 O Hg(OH)Cl + H + 13

Hlavnými organickými formami ortuti v sladkých vodách sú CH 3 HgOH a v morskej vode CH 3 HgCl. Tieto zlúčeniny vznikajú methyláciou anorganických foriem ortuti. Vstupujú do vodných potravinových reťazcov, vďaka svojej lyofilnej povahe sú ľahšie vstrebávané a akumulované biologickými tkanivami ako anorganické zlúčeniny. Až 70 % ortuti vo vodách býva viazanej na organickú matricu, najvyššia kontaminácia nastáva v blízkosti rozhrania voda sediment. Takto naviazané zlúčeniny môžu byť transportované odtokom z kontaminovaného ekosystému do iných ekosystémov, alebo sa uvoľniť z organickej matrice, ale tiež môžu byť biologicky premenené na prchavejšie organické formy ortuti, ktoré sa ľahko uvoľňujú do atmosféry. Dôležitú úlohu pri stanovovaní špécií, osudu, transportu a biodostupnosti ortuti vo vodnom prostredí hrá DOM [46]. Rozpustená organická hmota (DOM) vo vodnom prostredí pozostáva z heterogénnych zmesí organických zlúčenín, ťažko definovanej štruktúry. Asi 20 % DOM pozostáva z uhľohydrátov, karboxylových kyselín, amino kyselín, uhľovodíkov a ďalších zlúčenín. Ďalších 80 % DOM sú huminové látky, ktoré vznikli z komplexnej zmesi usadenín z rozkladu rastlín a zvierat [62]. 2.3.2. Chemické a biologické premeny zlúčenín ortuti vo vodných ekosystémoch Viac ako jedna tretina ortuti v atmosfére pochádza z priemyselných zdrojov. Bez ohľadu na zdroj, organická a aj anorganická forma podlieha environmentálnym trasformáciám [2]. Hlavným transformačným procesom ortuti vo vode a pôde je chemická alebo biologická methylácia/demethylácia, ktorá prebieha pod aeróbnymi/anaeróbnymi podmienkami [63]. Väčšinou je to mikrobiálne riadený proces. Mechanizmus methylácie zahrňuje neenzymatickú methyláciu ortuťnatých iónov methylkobalaminovými zlúčeninami v prítomnosti rôznych mikroorganizmov (baktérie z rodu Bifidobacterium, Chromobacterium, Enterobacter, Escherichia, Methanobacterium, Pseudomonas) vyskytujúcich sa v sedimente. Rýchlosť tvorby methylortuti je závislá na koncentrácii methylkobalaminových zlúčenín, koncentrácii Hg 2+, koncentrácii kyslíku vo vode pri aeróbnej methylácii, na teplote vody, na množstve rozpusteného uhlíku (DOC), na množstve a druhu mikroorganizmov, ph a redoxných podmienkach vodného systému [46, 47]. Pri vysokej koncentrácii Hg 2+ v sedimentoch bol zaznamenaný pokles methylácie Hg 2+, ktorý bol spôsobený úhynom mikroorganizmov [8]. Proces methylácie je podporovaný vyšším prísunom SO 2-4, Hg 2+ a DOC do spodných vrstiev sedimentu a odvodom vzniknutej MeHg + do okolitej vody. Medzi ďalšie transformačné procesy ortuti patrí biotická a abiotická oxidácia a redukcia, biologická premena anorganických a organických foriem ortuti a fotolýza organických foriem ortuti [46, 47]. Tieto premeny prebiehajú vo všetkých zložkách životného prostredia. Tvorba alkyl-zlúčenín z elementárnej ortuti a anorganických zlúčenín ortuti vo vodách morí a jazier je základným článkom celého reťazca premien ortuti v prírode [7]. Premena anorganickej ortuti na methylortuť, je dôležitý proces závislý na vstupe a koncentrácii ortuti v biote [64]. Aj keď je biotická methylácia zlúčenín prevládajúcim procesom, môže vo vodných organizmoch dochádzať tiež k abiotickej methylácii Hg 2+ za pomoci methyl derivátov olova alebo cínu a tiež aj za prítomnosti vysokej koncentrácie huminových látok [47]. Huminové kyseliny sa vyznačujú komplexotvornými vlastnosťami, pre prítomnosť karboxylových a fenolových hydroxylových skupín. Rozpustnosť komplexov huminových kyselín s viacmocnými katiónmi závisí na hmotnostnom pomere obidvoch zložiek. Čím je pomerné zastúpenie katiónu väčšie, tým je rozpustnosť komplexu menšia. Tvorba komplexov je jednou z príčin vylúhovateľnosti kovov z pôd a sedimentov huminovými látkami a príčinou 14

zvýšenej koncentrácie železa a mangánu v rašelinných vodách. Ku komplexácii kovov huminovými látkami je potrebné 40 až 100 násobné množstvo organického ligandu (vyjadrené v mg/l organického uhlíku) na ekvivalent ťažkého kovu. Pri znížení ph prostredia sa určitý podiel komplexačnej kapacity zachováva, tzn. že vznikajúce komplexy sú za týchto podmienok pevné a nerozkladajú sa. Komplexáciou ortuti s huminovými látkami dochádza k výraznému zníženiu toxicity [57]. Kovy ako ortuť zjavne uprednostňujú ako ligandy síru, menej elektrónegatívne halogenidy a dusík pred ligandmi obsahujúcimi kyslík [65]. V skutočnosti meno mercaptan pre sulfanylové zlúčeniny, pramení z ich afinity k ortuti. Silné interakcie medzi ortuťou a organickou hmotou nájdené v pôde a vodných prostrediach, boli prisudzované naviazaniu ortuti na funkčné skupiny organickej hmoty obsahujúce síru [46]. Vyskytuje sa tiež v podobe HgS, ktorý je málo rozpustný, ukladá sa v sedimentoch a znižuje tak formovanie zlúčenín methylortuti [47]. Elementárna ortuť je vo vode vytváraná demethyláciou MeHg + alebo redukciou Hg 2+ (redukcia je zvyšovaná účinkom slnečného žiarenia a inhibovaná chloridovými iónmi) a je následne uvoľňovaná do atmosféry. 2.3.3. Bioakumulácia zlúčenín ortuti Vysoká bioakumulačná schopnosť organokovových zlúčenín, závisí na ich lyofilnej povahe a umožňuje im ľahký prienik biologickými membránami. Zlúčeniny ortuti sú prijímané buď priamo z vody (sedimentu), ale častejšie sa do vodných organizmov dostávajú potravou (musí sa najskôr uvoľniť z potravy trávením v žalúdku a v črevách). Z okolitého prostredia prijímajú organizmy zlúčeniny ortuti adsorpciou, absorpciou cez povrch tela alebo respiračnými orgánmi. Obsah ortuti a methylortuti vo vodných organizmoch rastie s trofickou úrovňou potravinovej pyramídy. Celkové naakumulované množstvo ortuti v rybích tkanivách môže byť zoradené svaly > pečeň > obličky > pohlavné žľazy [66]. Rastliny prijímajú ortuť priamou cestou najčastejšie koreňovým systémom, v ktorom ju tiež najviac akumulujú. Schopnosť rastlín prijímať zlúčeniny ortuti zo sedimentu je obmedzená, pretože ju nedokážu uvoľniť z pevných komplexov s huminovými kyselinami. Bezstavovce žijúce v sedimentoch (zoobentos) majú obvykle vo svojich tkanivách vyššie obsahy ortuti ako bezstavovce žijúce vo vodnom stĺpci. Ryby akumulujú zlúčeniny ortuti z potravy aj z vodného stĺpca. Viac ako 85 % ortuti vyskytujúcej sa vo svalovine dravých rýb je vo forme methylortuti. Koncentrácia rastie s vekom jedinca. Bioakumulácia methylortuti vzrastá s klesajúcim ph vody a s rastúcim obsahom DOC, naopak klesá s rastúcou tvrdosťou vody (obsahom vápniku) a obsahom kyslíku [2]. Piscivorné cicavce a vtáci ako predátori sú na vrchole potravinovej pyramídy, bioakumulujú vo svojom tele MeHg, ktorú prijímajú v potrave (ryby), vo väčšom množstve ako cicavce a vtáci živiaci sa rastlinami, obojživelníkmi a hmyzom [67]. 2.3.4. Biodostupnosť ťažkých kovov z kontaminovaných materiálov - pôdy Priamym zdrojom výživných aj toxických prvkov je pre rastliny pôdny roztok, ktorý obsahuje predovšetkým katióny vápniku, horčíku, draslíku a sodíku, ktorých koncentrácia je obvykle 2 3 mmol/l, ale aj katióny ťažkých kovov. Chemickú aktivitu a eventuálny efekt daného prvku určuje jeho chemická forma v pôdnom roztoku. Kov M sa môže vyskytovať v pôdnom roztoku buď ako hydratovaný katión (M n+ aq) alebo ako komplexná zlúčenina [M n+ L m- ] aq +,-,0,±. Vzrastajúca koncentrácia 15

iónov v pôdnom systéme môže viesť k rozpustnosti kovov a k jeho špeciacii. Náboj charakterizujúci rozpustné formy môže silne ovplyvniť ich distribúciu v pôdnom systéme a ich biologický efekt [68]. Výmenné reakcie v pôde sú zahájené zmenou koncentrácií rozpustených katiónov, ktoré porušia rovnováhu medzi iónami viazanými na povrchu čiastočiek pôdy. Napríklad, keď sú výživné katióny z pôdneho roztoku adsorbované koreňmi rastlín, nahradia ich H + ióny, ktoré sú uvoľnované koreňmi. Rovnováha medzi vymeniteľnými a rozpustenými iónmi je obnovená posunutím do roztoku. Ku katiónovej výmene dochádza tiež pridaním veľkého množstva jednotlivých katiónov (v rozpustnej forme) do pôdy v podobe umelých hnojív [69]. Ďalšími procesmi, ktoré zahajujú katiónovo výmenné reakcie sú straty rozpustených katiónov lúhovaním. Dochádza k uvoľneniu vodíku a ďalších katiónov do roztoku, rozkladá sa organická hmota, prebieha adsorbcia katiónov pôdnymi mikroorganizmami a tieto zmeny vedú k zmene pôdnej vlhkosti. Je nepravdepodobné, že by katiónovo výmenné reakcie prebiehali kontinuálne. 16

2.4. Sediment Sediment, alebo usadenina je názov spevnenej alebo nespevnenej tuhej látky, vzniknutej usadením zo zmesi, najčastejšie suspenzie. V geológii sa týmto pojmom označujú nespevnené úlomky usadených hornín, ktoré môžu byť prenášané a ukladané vetrom, vodou, alebo ľadovcom. Sedimenty sa zvyknú ukladať v rôznych vrstvách. V sedimentoch sa môžu zachovávať fosílie uhynutých organizmov. Prírodný sediment je zmes rôznych fáz, hlavne zostatkov po erózii ilových minerálov, aluminosilikátov, oxihydroxidov železa a mangánu, sulfidov, uhličitanov a častíc pochádzajúcich z biologickej a priemyselnej aktivity, ktoré boli transportované kvapalnou fázou. Prítomnosť prvku v pôde a sedimente je prechodná, pretože pôda a sediment sú iba jedným z článkov biochemického cyklu prvkov v ekosystéme [70]. Z fyzikálneho hľadiska je pôda trojfázový systém zložený z tuhej (zvetraná hornina, rastliny, živočíchy), kvapalnej (pôdny roztok) a plynnej (pôdny vzduch) fázy. Z chemického hľadiska pôda obsahuje anorganický podiel (prvky a zlúčeniny) a organický podiel (humínové látky). Pôdna organická hmota je produktom biologickej a chemickej transformácie odumretých rastlinných a živočíšnych zvyškov v pôdach nazývame ju humusom. Humus má rôznorodú makromolekulárnu štruktúru, obsahuje rozpustné (DOM) alebo nerozpustné látky fulvokyseliny, humínové kyseliny a humíny. Fulvokyseliny sú rozpustné v kyslých a zásaditých roztokoch, humínové v zásaditom prostredí a humíny sú nerozpustné. Ďalej sa v pôde vyskytuje množstvo polysacharidov, lignín, jednoduché uhľovodíky, lipidy, bielkoviny a organické kyseliny. Sorpčné správanie závisí predovšetkým od molekulárnej štruktúry polutanta a vlastnosti pôdy. Sediment hrá dôležitú úlohu v dynamike prírodného vodného systému. Mobilita a osud špécii ortuti vo vodnom ekosystéme závisia hlavne na mineralógii a chémii povrchu sedimentov, tak ako aj na chémii vodného prostredia. Lepšie porozumenie adsorpčného/desorpčného procesu a znalosť rýchlosti týchto procesov je potrebné. Dôležitá je znalosť rozdelenia chemických foriem ortuti medzi kvapalnú, plynnú a tuhú fázu [13]. Reakcie kontaminantov s pôdou zahŕňajú chemické reakcie a aj difúzne procesy. Difúzia je známa ako rýchlosť limitujúci krok pre adsorpciu/desorpciu. Aj penetrácia do minerálnej mriežky aj difúzia cez medzičasticové póry, je zodpovedná za pomalé reakcie kovov s pôdou alebo pôdnymi komponentmi [15]. Obsah ortuti v sedimentoch je závislý na stupni zaťaženia danej lokality a na charaktere sedimentu. Poukazuje na celkovú kontamináciu danej lokality lepšie ako okamžitá koncentrácia vo vode [49]. Vzorky sedimentu s vyšším obsahom bahna a organických súčastí vo väčšine prípadov, obsahujú viac ortuti v porovnaní so vzorkami pieskového charakteru [69]. Literárne údaje o obsahu ortuti v sedimentoch sú nejednotné, záleží na spôsobe odberu vzoriek a ich analýzy [71]. Jedným z problémov vyplývajúcich z prítomnosti Hg v dnových sedimentoch je riziko ich uvoľnenia a mobilizácie v životnom prostredí. Ortuť sa v pôdach vyskytuje vo forme elementárnej ortuti Hg 0 (až 30 % nerozpustná vo vode avšak veľmi prchavá), vo forme anorganických zlúčenín ortuťnatých Hg 2+ s vysokou afinitou k organickým a anorganickým ligandom, s ktorými je komplexovaná kovalentnou väzbou a je tiež pútaná adsorpčnými miestami na povrchu ílových minerálov a ďalej vo forme CH 3 Hg, ktorá vzniká činnosťou baktérií [69]. V prírode určitú dobu trvá kým sa špécie Hg dostanú cez vodný stĺpec až k sedimentu, vďaka difúzii. Bolo dokázané, že sediment na seba viaže veľmi rýchlo (do 30 min) väčšinu ortuti pridanej do vody ak to bola CH 3 HgCl alebo HgCl 2 [72]. Napriek tomu, pokiaľ ortuť kontaminuje sediment, nemôže byť detekovaná vo vode. Preto je voda zlým indikátorom 17

expozície pre vodné znečistenie. Pre chronické vyhodnotenia znečistenia sú lepšie indikátory ako sedimenty, ryby a vodné rastliny [56]. MeHg v spojení s organickou hmotou (OM) sedimentov, môže vojsť do jazerného biotopu zaplavením resuspendovanej OM a bentických organizmov na rozhraní sedimentvoda [73]. Následne získanie MeHg z rozhrania sediment-voda a zaplaveného rozhrania pôdavoda, môže byť prehltnutím zooplanktonu (zoobentos a bezstavovce) a tak dochádza k ďalšej kontaminácii na vyšších úrovniach potravinového reťazca [74]. Sunderland zistil, že miešaním sedimentu zmení jeho geochemickú charakteristiku a ovplyvní tak methyláciu na aktívnej vrstve sedimentu, vrátane rozhrania sediment voda. Vrstva sedimentu, v ktorej dochádza k methylácii sa výrazne zvýši. V takomto sedimente sa vzniknutá MeHg ľahšie dostáva do vody. Opoti tomu, prítomnosť kyslíku v nemiešanej vrstve sedimentu nánosového systému, môže fungovať ako geochemická zábrana difúzie MeHg cez reakcie MeHg s hydroxidmi Fe a Mn [64]. 2.4.1. Sorpcia ortuti na sediment Podľa mechanizmu pútania látok možno v pôde rozlíšiť niekoľko typov sorpcie mechanickú sorpciu, ktorá spočíva v mechanickom zadržiavaní hrubodisperzných častíc v póroch pôdy fyzikálnu (adsorpciu), ktorá je podmienená povrchovými javmi na rozhraní fáz, zapríčiňujúcimi zmeny koncentrácie plynov, kvapalín, elektrolytov i neelektrolytov fyzikálne chemickú (výmennú) sorpciu, ktorá sa uskutočňuje výmenou iónov medzipôdnym koloidným komplexom a pôdnym roztokom v ekvivalentných pomeroch chemickú (adsorpciu), ktorej podstatou je nevratné pútanie predovšetkým aniónov, schopných tvoriť málo rozpustné alebo nerozpustné zlúčeniny, ktoré sa po vyzrážaní môžu zadržiavať aj mechanicky bioakumuláciu, ktorá spočíva v prijímaní biogénnych prvkov koreňmi rastlín a mikroorganizmami, vyznačujúci sa vlastným charakterom selektivity Adsorpcia bola uznaná ako jeden z dôležitých procesov určenia osudu kovových kontaminantov v pôde. Variácie v adsorpcii Hg medzi rôznymi typmi pôd, môžu byť vysvetľované rozdielnymi vlastnosťami a obsahom ílov a organickej hmoty. Rozdiely vo fyzikálno-chemických a mineralogických vlastnostiach pôdy, môžu určovať distribučnú kapacitu pôdy v rámci pôdneho profilu. Mnoho štúdií hodnotilo adsorpciu Hg iba na povrch pôdy [75]. Znalosť tejto kapacity je dôležitá z hľadiska posúdenia a predpovedania možného rozptylu Hg, napríklad, znečistenia podzemnej vody. Vyhodnocuje sa pomocou adsorpčných izoteriem, ktoré tiež môžu aj objasňovať mechanizmus adsorpcie [76]. Iónová sila vyvážených roztokov má tiež vplyv na adsorpciu Hg. Íly, piesky a niektoré organické časti sedimentov, adsorbujú menej Hg s narastajúcou koncentráciou Cl - [77]. Predpokladá sa, že za pokles adsorpcie môžu byť zodpovedné Na +, ktoré ho sprevádzajú, alebo tvorba rozpustných chlorokomplexov so zlúčeninami ortuti [14]. Medzi faktory ovplyvňujúce adsorpciu kovových kontaminantov je jedným z najdôležitejších ph a obsah organickej hmoty (OM) [14]. Povrchový náboj pôdnych častíc a špécie kovov v roztoku, sú závislé na ph [78]. Je všeobecne známe, že ťažké kovy tvoria komplexy s rozpustnou OM. Tvorbou takýchto komplexov môže klesať sorpcia kovov. Tendenciu reagovať s rozpustnou OM môže tiež meniť efekt ph [79]. Hg 2+ + mh 2 O + OM HgOM(OH) (2-m)+ m + mh + 18

Barrow a Cox udávajú, že v neprítomnosti Cl -, je adsorpcia maximálna pod ph 4 [80]. Kendorff a Schnitzer, ktorí sledovali adsorpciu 11 kovov (Hg, Fe, Pb, Cu, Al, Ni, Cr, Zn, Cd, Co a Mn) na huminovú kyselinu, udávajú, že z týchto kovov Hg a Fe sú najviac priťahované k huminovým kyselinám [81]. Pri nízkom ph sa ortuť sorbuje na humus, pri vyššom na ílové minerály a oxidy Mn a Fe. [80]. Interakcie Hg 2+ a HgCl + s povrchom pôdy zväčša závisia na povrchovom potenciály, ktorý je funkciou ph. Pri veľmi nízkom ph (ph < 3) má povrch vysoký pozitívny potenciál, čo znamená silný odpor povrchu ku kladne nabitým špéciám. Nárast ph znamená pokles povrchového potenciálu, povrch je viac príťažlivý (alebo menej odpudivý) pre špécie, čo znamená nárast adsorpcie [78]. MacNaughton a James tvrdia, že hydroxohg(ii) špécie boli viac adsorbované ako Hg-Cl komplexy [82]. Hydroxo-kovové špécie sú rovnako alebo viac adsorbované ako aqua-kovové. Preto ako koncentrácia hydroxo-hg(ii) špécii významne vzrastá s rastúcim ph od 3 do 5, adsorpcia Hg(II) rastie. Predpokladá sa, že do ph asi okolo 4, bude stúpať adsorpcia so stúpajúcim ph [80]. Za pokles sorpcie MeHg + s poklesom ph od 6 do 3 môžu byť zodpovedné tri faktory. Ako prvý a pravdepodobne najdôležitejší faktor, je kompetitívna väzba protónov na povrch, ktorá vzrastá s klesajúcim ph. Druhý: je efekt Cl -, pokiaľ je ph upravované HCl. S klesajúcim ph vzrastá väzbovosť MeHg + s Cl -, čo môže znamenať pokles v sorpcii. Vplyv chloridov na adsorpciu ortuti tiež závisí na obsahu OM v pôde, koncentrácii sulfidov a koncentrácii Hg. Tretí: s poklesom ph vzrastá povrchový potenciál, ktorý redukuje elektrostatickú väzbovosť kladne nabitej MeHg + na povrch pôdy [12]. Pri ph viac ako 6, adsorpcia MeHg + klesá a sú za to zodpovedné dva faktory. MeHgOH sa stáva hlavnou chemickou formou methylortuti a koncentrácia MeHg +, ktorá sa silne viaže na povrch je veľmi malá. Ďalšou možnosťou je, že rozpustné ligandy tvoria komplexy s MeHg + [12]. Vplyv Ca 2+ na adsorpciu MeHg + je iný ako na Hg(II). Vápnik (II) môže redukovať rozpustnú OM buď zrážaním alebo komplexáciou, pri ktorej Ca 2+ poslúži ako most medzi pôdnym povrchom a OM [12]. Hg(II) má spravidla vyššiu afinitu k OM ako k anorganickým pôdnym komponentom. Odstránenie OM prispieva k poklesu sorpcie Hg(II) [78]. 2.4.2. Desorpcia ortuti zo sedimentu Obrátenie adsorpčného procesu - znížením príťažlivých medzipovrchových Van der Waalsovych síl, sa zachytené látky začnú uvoľňovať. Sladkovodný príliv a zmeny ph hrajú dôležitú úlohu pri resuspendácii a vylúhovávaní ťažkých kovov z kontaminovaného sedimentu. K desorpcii ortuti z komplexov môže dochádzať pôsobením kyslých dažďov [83]. 19