رسوبات، بخش اساسی و جدایی­ناپذیر سامانه­های آبگین هستند، چرا که زیر لایه­ای برای اندامگان­ها فراهم کرده، و به­وسیله برهمکنش با آب­های احاطه­کننده، نقش مهمی در سامانه­های آبگین ایفا می­کنند (Burden, et al., 2002). رسوبات را می­توان حامل، و منبع آلاینده­ها در سامانه­های آبگین تلقی کرد. آلاینده­ها ضرورتا توسط رسوب تثبیت نمی­شوند، اما ممکن است به­وسیله فرآیند­های زیست­شناختی و شیمیایی، در بخش رسوبی و ستون آب بازیابی شوند. رسوب، یک گرداورنده مهم برای آلاینده­های فلزی در سامانه­های آبگین است. امروزه، بسیاری از مواد شیمیایی انسان­زاد پس از ورود به سامانه­های آبگین، بر روی سطح رسوبات انباشته می­شوند. این آلاینده­ها ممکن است به­طور مستقیم توسط واحد­های صنعتی، و تصفیه­خانه­های فاضلاب شهری، و یا به­طور غیر­مستقیم، توسط رواناب­های آلوده مناطق شهری و کشاورزی در سامانه­های آب تخلیه شوند. در نتیجه، رسوبات بسیاری از بندر­های صنعتی، و نواحی ساحلی اطراف جهان، داری غلظت بالایی از فلزات سنگین هستند، که می­تواند نشانگر­ بسیار مهم آلودگی محیط­ آب باشد (Miller et al., 2000, Chen, et al., 2001, Feng, et al., 2004, Wang et al., 2007).

رسوبات آلوده می توانند حیات آبزیان در محیط دریا را به خطر بیندازند. آلاینده­های همراه­ با رسوب ممکن است توسط آبزیان، زیست­انباشت، و به زنجیره غذایی منتقل شوند. اندامگان­های کف­زی با رسوبات تماس مستقیم دارند، و میزان آلودگی رسوب ممکن است اثر بارزتری بر حیات آنها داشته باشد (Malins, et al., 1984). برخی از آلاینده­های رسوب، توسط کف­زیان در فرآیندی به نام زیست­انباشت جذب می­شوند. هنگامی که جانوران بزرگتر، از این اندامگان­های آلوده تغذیه می­کنند، مواد سمناک را ناخواسته وارد بدن خود می­کنند، و بدین ترتیب، با ورود به جانوران رده­بالاتر در زنجیره­غذایی، طی فرآیندی موسوم به زیست­بزرگسازی، غلظتهای بسیار بالایی از آلاینده­های بالقوه­سمناک در بدن آنها انباشته می­شود. ماهی ها، صدف ها، پرندگان آبزی، و پستانداران دریایی ممکن است غلظت­های خطرناکی از مواد شیمیایی سمناک را در بدن خود انباشته کنند (Begum, et al., 2009).

1-2 فلزات سنگین، مصارف، و منابع

 فلزات سنگین، زیرمجموعه‌ای از عناصر بالقوه­سمناک موجود در جدول تناوبی هستند، كه اغلب ویژگی‌های فلزی دارند. تعاریف مختلفی بر اساس چگالی، عدد اتمی، عدد جرمی، و ویژگی‌های شیمیایی و سمناكی برای این دسته از عناصر ارائه شده­است. از آنجا كه این اصطلاح تعاریف مختلفی را شامل می‌شود، امروزه اصطلاحات دیگری همچون فلزات سمناک، و یا فلزات جزئی كاربرد بیشتری دارد (Sarkar, 2002). فلزات سنگین به دلیل سمناکی بالا، قابلیت زیست­انباشت، و ماندگاری زیاد، خطرات زیست­محیطی زیادی برای زیست­بوم­ها دارند (Tam and Wong, 2000; Clark et al., 1998). برخی از عناصر بالقوه­سمناک، عناصر ریزمغذی ضروری (Fe، Co، Cu، Zn، As، Se، Mo، Mn، Cr) هستند، که كمبود و بیشبود آنها به مسمومیت موجودات زنده منجر می‌شود. برخی دیگر نیز عناصر ریزمغذی غیرضروری (Cd، Hg، Pb) هستند، كه عدم مصرف آنها برای موجود زنده مشكل­ساز نیست، اما بیشبود،‌ عدم دفع، و زیست­انباشت آنها منجر به مسمومیت می‌شود. فلزات، نقش حیاتی و ارزشمندی در توسعه صنعت، و پیشرفت فناوری دارند. از آنجا که این فلزات پس از مصرف، تجزیه نمی­شوند، و بنابراین در محیط زیست انباشته می‌شوند، غلظت بالای آنها به از­بین­رفتن تعادل در بوم‌سامانه­ها منجر شده، و مشكلات متعددی را به همراه خواهد داشت. عناصر As، Cd، Cr، Pb، و Hg، به دلیل ویژگی­های سرطان‌زایی، و دیگر مشكلات سلامتی و بهداشتی، بیش از سایر عناصر بالقوه­سمناک در سال­های اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. فجایع بزرگ انسانی، مانند آنچه كه در میناماتای ژاپن (Hg)، بنگال غربی و بنگلادش (As)، و بیماری ایتای ایتای (Cd) در ژاپن اتفاق افتاد، و یا انواع بیماری­های عصبی و كُندذهنی كودكان (Pb)، دلیلی بر اهمیت بیشتر این عناصر است (Selinus et al., 2005). علاوه بر منابع طبیعی، كاربرد این عناصر در صنعت، معدن، و كشاورزی منجر به افزایش غلظت این عناصر در بوم‌سامانه‌های مختلف شده است، و در صورت عدم كنترل، تصفیه، و جداسازی این عناصر،‌ بوم‌سامانه­ها با مشكلات متعددی مواجه خواهند شد.

در طبیعت، گونه های انحلال­پذیر فلزات، فراوان، و به آسانی دسترس­پذیر هستند. فراوانی معمولا فلزات دسترس­پذیر را به آنهایی که اعداد اتمی زیر 40 دارند، محدود می­کند. از دیدگاه آلودگی زیست­محیطی، فلزات ممکن است بر اساس سه معیار زیر رده­بندی شوند (Wood, 1974):

• غیربحرانی (Rb, Li, Sr, Al, Ca, K, Fe, Mg, Na)،
• سمناک، اما بسیار انحلال­ناپذیر، و یا بسیار کمیاب (Rh, Ba, Ru, Ir, Os, La, Ga, Ta, W, Zr, Hf, Ti)،
• بسیار سمناک، و نسبتا دسترس­پذیر (Bi, Sb, Pb, Ti, Hg, Cd, Ag, Te, Se, As, Cr, Sn, Zn, Cu, Ni, Co, Be).

فلزات سنگین به صورت اجزای سنگ کره، به­طور طبیعی رخ می­دهند، و به­وسیله فرآیندهای آتشفشانی، و هوازدگی و فرسایش سنگ­ها در محیط زیست آزاد می­شوند (Fergusson, 1990). هر چند، آزاد­شدن بزرگ­مقیاس فلزات سنگین در محیط­های آبگین (مانند تصفیه­خانه­های پساب­های شهری، صنایع تولیدی، و فعالیت­های کشاورزی)، اغلب پیامد مداخله انسان است (Mance, 1987; Denton, et al., 1997; Güven and Akıncı, 2008). نواحی ساحلی، از جمله حساس­ترین محیط­ها است، که به­خاطر اثر­های منفی ناشی از فشار­های انسانی، مانند افزایش شهر­نشینی، توسعه صنعتی، و فعالیت­های تفریحی، مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین، میزان آلودگی سواحل، اغلب به­خاطر منابع آلودگی موجود در خشکی­های مجاور افزایش یافته است (Fergusson, 1990; Wang et al., 2007). فرآیند­ها­یی مثل معدنکاری، ذوب کانسنگ­های فلزی، و پالایش، که خروجی­های باطله تولید می­کنند، اغلب منابع بالقوه­ فلزات سنگین در محیط­های آبگین هستند (Denton et al., 2001). همچنین، فاضلاب­های خانگی، لجن فاضلاب، رواناب­های شهری، و آبشویی از محل دفن زباله­های جامد، منابع دیگر ورود فلزات سنگین به رودخانه­ها، خورها، و آب­های ساحلی است (Mance,1987). بخش دیگری از ورود فلزات انسان­زاد به آب­های ساحلی در مجاورت مراکز شهری و صنعتی ناشی از مصرف سوخت­های فسیلی است. بنادر، و لنگر­گاه­های کوچک قایق­های شخصی، همچنین، فعالیت های تفریحی، تجاری، نظامی، قایق­رانی، و کشتی­رانی نیز منابع بالقوه دیگری از آلودگی محیط­های ساحلی و دریایی است (Denton et al., 1997).

1-3 غلظت­های طبیعی فلزات سنگین

 غلظت­ زمینه طبیعی فلزات سنگین در رسوبات، با استفاده از رویکرد­های مختلف مطالعات پیشین تعیین می­شود. تعیین غلظت­های فلزی در یک منطقه غیر­آلوده، و یا نمونه­برداری از رسوبات زیر­سطحی (نمونه­برداری از عمق 25 سانتیمتری زیر سطح رسوبات) از جمله این رویکرد­ها است. غلظت­های زمینه طبیعی فلزات سنگین در رسوبات مناطق مختلف در جدول 1-1 آورده­شده­است.

1-4 رایج­ترین عناصر بالقوه سمناک در رسوبات

 همانطور که گفته شد، فلزات سنگین می­توانند از منابع طبیعی و یا انسان­زاد، وارد محیط زیست شوند. آلاینده­های رایج از منابع انسانزاد شامل سرب (Pb)، روی (Zn)، کروم (Cr)، مس (Cu)، کادمیم (Cd)، جیوه (Hg)، آلومینیوم (Al)، آهن (Fe)، منگنز (Mn)، و نیکل (Ni) می­شود،

که فراوان­ترین عناصر بالقوه سمناک یافت­شده در رسوبات هستند. عناصری مانند کادمیم (Cd)، جیوه (Hg)، سرب (Pb)، مس (Cu)، و روی (Zn)، به­خاطر پایداری زیست­محیطی، سمناکی، و توانایی ورود به زنجیره­های غذایی، به عنوان آلاینده­های خطرناک سامانه­های آب مورد توجه قرار گرفته­اند (Fortsner and Wittman,1983). در میان این عناصر بالقوه سمناک، کادمیم، سرب، و جیوه، به­خاطر اینکه می­توانند برای دوره­های طولانی­ در بافت­های بدن انباشته شوند، سمناکی بیشتری در غلظت­های نسبتا پایین دارند (Garbarino et al., 1995). سرنوشت یک فلز در سامانه آبی، به­طور قابل ملاحظه­ای به گونه شیمیایی، و انتقال آن بستگی دارد (Allen and Torres, 1991). در ادامه درباره شکل، و گونه شیمیایی برخی از عناصر بالقوه سمناک موجود در رسوبات  آلوده، بحث می­شود.

1-4-1 سرب (Pb)

منابع صنعتی اولیه آلودگی سرب، شامل ذوب کانسنگ و فرآوری فلز سرب، تولید آن به­عنوان محصول ثانوی فلزات دیگر، تولید باتری سرب­دار، رنگ­دانه­ها و مواد شیمیایی مصنوعی، و باطله­های آلوده به سرب می­شود. همچنین، آلودگی­های قابل توجه ناشی از استفاده بنزین سرب­دار در گذشته، از جمله نگرانی­های کنونی است. سرب آزاد­شده در منابع آب زیرزمینی، آب سطحی، و سطح زمین معمولا به شکل سرب عنصری، اکسید­ها و هیدروکسید­های سرب، و کمپلکس­های اکسی­آنیونی فلز سرب است (Smith et al.,1995).

جدول 1-1: غلظت­های زمینه طبیعی فلزات سنگین در رسوبات مناطق مختلف (mg/kg)

محتمل­ترین حالت اکسایشی سرب، 0 و 2 است. Pb2+ شکل رایج­تر و فعال­تر سرب است، و اکسید­ها و هیدروکسید­های تک­هسته­ای و چندهسته­ای را تشکیل می­دهد. در بسیاری از موارد، Pb2+، و کمپلکس­های سرب-هیدروکسیل، پایدارترین شکل­های سرب است. در سامانه­های آبی، بخش قابل ملاحظه­ای از سرب حل نمی­شود، و به صورت رسوب (PbSO4، Pb(OH)2،Pb2O ،PbCO3 )، یون­های جذب شده و یا پوشش­های سطحی روی کانی­ها، و یا به­صورت ماده آلی معلق وجود دارد. کربنات سرب در pH بالای 6 تشکیل می­شود، و هنگامی که غلظت زیادی از سولفید در شرایط کاهشی وجود دارد، PbS پایدار­ترین ترکیب جامد سرب است. فرآیندهای اولیه­ای که سرنوشت سرب در رسوبات را تحت تأثیر قرار می­دهد، جذب سطحی، تبادل یونی، نهشت، و کمپلکس­شدن با ماده آلی است. این فرآیند­ها، غلظت­های سرب در سامانه­های آبگین را محدود می­کند (Evanko and Dzombak,1997).

1-4-2 کروم (Cr)

کروم به طور طبیعی به شکل عنصری حضور ندارد، و معمولا به صورت ترکیبات کروم مشاهده می­شود. کروم به­صورت یک محصول کانیایی اولیه به شکل کانی کرومیت (FeCr2O4) معدن­کاری می­شود. منابع اصلی آلودگی کروم، رها­سازی از فرآیند­های آب­فلز­کاری الکتریکی، و پساب­های کروم­دار است (Dzombak, 1997 Evanko and).

کروم (VI) در شرایط اکسایشی، شکل غالب کروم در سامانه­های آبگین است. گونه­های اصلی کروم (VI)، کرومات (CrO42-)، و دی کرومات (Cr2O72-) است، که به­آسانی در حضور کاتیون­های فلزی (به ویژه Ag+، Pb2+،Ba ) نهشته می­شود. کروم (III)، شکل غالب کروم در pH پایین (کمتر از 4) است. Cr3+ با F–،Cl– ،OH– ، NH3، SO42-، و CN–، کمپلکس­های محلول، و لیگاند­های آلی انحلال­پذیر تشکیل می­دهد. کرم (VI) سمناک­ترین، و متحرک­ترین شکل کرم است (Chrotowski et al.,1991). تحرک کرم به ویژگی­های جذبی رسوب، مانند محتوای رس، اکسید آهن، و ماده آلی بستگی دارد. بیشتر کروم آزاد­شده در آب­های طبیعی نهایتأ جذب سطحی رسوبات می­شود (Smith et al., 1995).