توسعه سریع فعالیت‌های بشر از قبیل معدنکاری، صنعت و کشاورزی در چند دهه اخیر به طور پیوسته به افزایش آلودگی محیط‌زیست منجر شده است. در این میان، سامانه‌های آبی زمینی و به ویژه رودخانه‌ها در برابر آلودگی آسیب‌پذیرتر هستند. در این سامانه‌ها بسیاری از آلاینده‌ها جذب سطحی رسوبات می‌شوند، بنابراین می‌توان از رسوب برای پایش آلودگی در سامانه‌های آبگین استفاده کرد. ترکیب رسوبات علاوه بر شرایط طبیعی، نشان‌دهنده فعالیت‌های انسان در حوضه آبریز است. آلودگی فلزات سنگین و ترکیبات آروماتیک چند حلقه‌ای از جمله نگرانی‌های زیست‌محیطی هستند که می‌توانند از منابع مختلف انسان‌زاد و زمین‌زاد وارد سامانه‌های رودخا‌نه‌ای شوند. فلزات سنگین به دلیل پایداری محیطی، تمرکز و سمناکی زیست‌شناختی، جذب و واجذب، پتانسیل اکسایش-کاهش، ته‌نشست، انحلال‌پذیری، کیلیتی شدن و خطرات بوم‌شناختی توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای نیز به دلیل سمناکی پایدار، آسیب به ژن‌ها، سرطان‌زایی و اثر منفی بر تولیدمثل در مطالعات زیست‌محیطی اهمیت زیادی دارند. بررسی زمین‌شیمی رسوبات آبگین، اطلاعات مهمی در مورد عناصر(به ویژه فلزات بالقوه سمی حل شده، معلق و ته‌نشین شده) و اطلاعات مهمی در مورد تاریخچه و فعالیت‌های حاکم بر منطقه در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد. رسوبات آلوده شاخص‌های بسیار مهم آلودگی محیط‌های آبگین هستند، بنابراین برای پی بردن به شرایط سامانه آبگین بررسی زمین شیمیایی رسوب بسیار ضروری است.

1-2- زمین شیمی زیست محیطی

بسیاری از مباحث زیست محیطی نیازمند آشنا بودن با اصول زمین شیمی، و تحرک آلاینده‌هاست. زمین شیمی زیست محیطی مفهومی گسترده است که می‌تواند شامل هر فرایند زمین‌شیمیایی در سطح یا نزدیک به سطح زمین باشد که با سامانه‌ها و فرایندهای بی شماری در ارتباط است. در واقع مطالعات زمین‌شیمی زیست محیطی بیشتر بر فرایندهای شیمیایی مؤثر بر انسان و محیط زیست آن متمرکز است. این مطلب می‌تواند شامل شیمی آلاینده‌ها(در آب، خاک و هوا)، فروکاهی منابع طبیعی از جمله تغییر شیمیایی و تغییر اقلیم باشد(O’Day, 1999). این علم با شرایط زیست شناختی، شیمیایی و فیزیکی محیط مانند دما، حالت ماده، اسیدینگی، پتانسیل اکسایش-کاهش، هدایت الکتریکی و فعالیت باکتریایی در ارتباط است. تمام این عوامل بر تحرک، گسترش، توزیع، ته‌نشینی و غلظت فلزات و شبه فلزات بالقوه سمناک که به تندرستی اندامگان‌ها در یک بوم سامانه آسیب می رساند، اثر دارد. داده‌های زمین شیمیایی زیست‌محیطی، شرایط نابی را

 تعیین می‌کند که در آن تهدیدی برای ساکنین یک بوم سامانه وجود نداشته باشد، خواه این خطرات ناشی از نفوذ شیمیایی حاصل از هوازدگی سنگ‌ها و تخریب آن‌ها باشد و خواه از محیط زیستی باشد که در آن خطر آلودگی عناصر شیمیایی از فعالیت‌های انسانی ناشی می‌شود(Siegel, 2002). بنابراین ابتدا باید محیط‌هایی را که در معرض خطر آلودگی (طبیعی یا انسانزاد) هستند شناسایی و سپس این خطرها را توصیف و با استفاده از روشهای فیزیکی، شیمیایی و زیست شناختی آنها را کاهش داده، و یا از بین برد. به این منظور ابتدا باید رفتار زمین شیمیایی عناصر به خوبی شناخته شود (Wong et al, 2006). نقش زمین‌شیمیدان‌ها، بررسی غلظت بالای فلزات بالقوه سمناک در یک بوم‌سامانه، و پی بردن به منابع احتمالی فلزات است. زمین‌شیمیدان‌ها اصول تحرک‌پذیری شیمیایی در فازهای گازی، جامد و مایع را برای تعیین سرنوشت و مسیرهای ورودی فلزات به بوم‌سامانه‌ها به کار گرفته، و غلظت طبیعی هر نمونه‌ را تعیین می‌کنند تا سلامت اندامگان‌ها، و محیط‌های در ارتباط با آن‌ها را کنترل کنند. زمین‌شیمیدان‌ها به پاسخ فلزات آلاینده به شرایط فیزیکی، شیمیایی و زیست‌شناختی پی برده و مؤثرترین، اقتصادی‌ترین و اجتماعی‌ترین روش‌ها را برای حل مشکل آلایندگی فلزات سمی موجود به کار می‌برند. از این دانش برای برنامه‌ریزی پروژه‌های توسعه، همراه با جلوگیری از تخریب‌های آتی ناشی از ورود آلاینده‌های فلزی بالقوه سمی به محیط استفاده می‌شود(Siegel, 2002).

1-3- محیط زمین­شیمیایی رسوب و ارزیابی زیست محیطی آن

رسوب، لایه‌ای از مواد کانیایی و آلی است که توسط فرایندهای شیمیایی، فیزیکی و زیست‌شناختی و تحت تأثیر هوازدگی شیمیایی و فیزیکی از سنگ اولیه یا بستر جدا شده و توسط عواملی چون آب، باد و یخسار به صورت حل‌شده، کلوئیدی، معلق و غلتان انتقال می‌یابد. این لایه بر اثر تغییراتی چون تغییر در سرعت آب، چگالی ذرات، اندازه ذرات، واکنش‌های شیمیایی و زیست‌شناختی در بستر رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، باتلاق‌ها، خلیج‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها نهشته می‌شود(Berkowitz et al, 2008). علاوه بر این، تخلیه‌هایی که از فعالیت‌های شهری، صنعتی و معدنکاری صورت می‌گردد منابع بالقوه ذرات هستند. ویژگی‌های فیزیکی مانند اندازه و چگالی رسوب در فرایند رسوبگذاری و حمل‌ونقل آن مهم هستند. رسوبات، مخلوطی ناهمگن از ذرات هستند که اندازه آن‌ها از میلی‌متر تا میکرون تغییر می‌کند و از نظر اندازه به سه رده گراول، ماسه و گل(سیلت و رس) تقسیم می‌شوند. گراول ویژگی‌های سنگ بستر را نشان می‌دهد. سیلت‌ها علاوه بر ویژگی‌های سنگ بستر، ممکن است فلزات را بصورت جذب سطحی همراه داشته باشد. غنی شدگی شدید فلزات در رسوبات رس اندازه و ماده آلی، در رسوبات معلق، رسوبات نهشته شده، شیل‌ها، کانی‌های اکسید آهن و منگنز و فازهای سنگی معادل آن‌ها مشاهده شده است(Seigel, 2002). جزء رسی سیلت مساحت سطحی بالایی دارد و به دلیل شیمی سطح آن احتمال بیشتری برای جذب آلاینده‌های آلی و فلزات سنگین دارد(Tessier et al. 1984). جزء ماسه‌ای و سیلت درشت‌دانه اغلب شامل کوارتز و گاهی کربنات‌ها(پوسته صدف، مرجان و غیره) و سیلیکات‌های دیگر مانند فلدسپات‌ها و یا قطعات سنگی است. ذرات رسی اغلب سیلیکات‌های ثانویه هستند. دیگر کانی‌های ثانویه مانند اکسیدهای آلومینیم و آهن در جزء سیلت ریزدانه و رس فراوان است. بیشتر آلاینده‌های انسان‌زاد با جزء رسی و سیلتی همراه است. رسوب یک مخزن و منبع اصلی مواد غذایی برای موجودات زنده آبی است. ترکیب رسوب علاوه بر اینکه شرایط طبیعی منابع آن‌ها را نشان می‌دهد می‌تواند نشان‌دهنده فعالیت‌های انسان در حوضه رودخانه‌ها، مصب‌ها و سواحل نیز ‌باشد. بیشتر جوامع انسانی در اطراف رودخانه‌ها و یا دیگر منابع آبی تشکیل می‌شوند و از این رو رسوبات آبرفتی، دریاچه‌ای و دریایی نیازمند مدیریت هستند. تجمع فلزات سنگین در رسوبات سطحی محیط‌های آب، به وسیله فرایندهای زیست‌شناختی و زمین‌شناختی رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به کاهش رشد، یا کاهش تولیدمثل و تنوع گونه‌های حفار رسوب و در نهایت مرگ ماهی‌ها منجر شود(Olubunmi et al., 2010)؛ بنابراین بررسی زمین‌شیمیایی رسوبات رودخانه‌ای برای پی بردن به شرایط سامانه‌های آبی امری حیاتی است، چرا که اطلاعات مهمی در مورد عناصر، به ویژه فلزات بالقوه سمی حل شده، معلق، و نهشته شده و دیگر آلاینده‌ها مانند هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد. علاوه بر این، رسوبات، اطلاعاتی در مورد تاریخچه فرایندهای تأثیرگذار در منطقه  به ویژه آلودگی‌های طبیعی و انسان‌زاد به دست می‌دهد.

1-4- فلزات سنگین

از جمله نگرانی‌های زیست‌محیطی که امروزه در کانون توجه سازمان‌های زیست‌محیطی و بهداشتی قرار گرفته است، آلودگی ناشی از فلزات سنگین است. فلزات سنگین زیرمجموعه‌ای از عناصر موجود در جدول تناوبی هستند که اغلب ویژگی‌های فلزی دارند. این دسته از عناصر شامل فلزات واسطه، شبه‌فلزات، لانتانیدها و اکتینیدها می‌شود. تعاریف مختلفی بر اساس چگالی، عدد اتمی، عدد جرمی، ویژگی‌های شیمیایی و سمناکی برای این دسته از عناصر ارائه شده است. نام فلزات سنگین اولین بار توسط IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry) برای این عناصر انتخاب شد اما از آنجا که این اصطلاح تعاریف مختلفی را شامل می‌شود، امروزه اصطلاح فلزات سمناک، کاربرد بیشتری دارد(Sarkar, 2002). برخی فلزات‌سنگین مانند آرسنیک، مولیبدن، سلنیم، مس، روی، کروم، آهن و منگنز جزء عناصر ریزمغذی ضروری هستند و کمبود یا مصرف بیش از حد آن‌ها موجب مسمومیت موجودات زنده می‌شود. گروه دیگری از فلزات سنگین برای سلامت انسان مضر بوده و هنگامی که از راه هوا، آب آشامیدنی، غذا، یا ترکیبات شیمیایی انسان‌زاد، آزاد می‌شود از راه تنفس، بلع و جذب پوستی، وارد بدن انسان می‌شوند. اگر سرعت ورود و تجمع این عناصر در بافت‌های بدن سریع‌تر از مسیر سم‌زدایی باشد، به تدریج سموم در بدن تجمع می‌یابد. قرارگرفتن در معرض غلظت‌های بالا، برای ایجاد سمناکی در بدن ضروری نیست، بلکه تجمع فلزات سنگین در بافت‌های بدن به تدریج رخ داده و در طول زمان می‌تواند به غلظت‌های سمی، و بسیار فراتر از گستره غلظت مجاز برسد(Suruchi et al, 2012). از نقطه نظر آلودگی زیست‌محیطی، فلزات را می‌توان به سه گروه تقسیم کرد(Wood, 1974):

– غیر سمناک(سدیم، منیزیم، آهن، پتاسیم، کلسیم، آلومینیم، استرانسیم، لیتیم، روبیدیم)

– سمناک ولی بسیار انحلال ناپذیر یا بسیار کمیاب(تیتانیم، هافنیم، زیرکنیم، تانتالیم، گالیم، لانتانیم، اسمیم، ایریدیم، روتنیم، باریم، رودیم)

– بسیار سمناک و نسبتاٌ دسترس‌پذیر(بریلیم، کبالت، نیکل، مس، روی، قلع، کروم، آرسنیک، سلنیم، نقره، کادمیم، جیوه، تالیم، سرب، آنتیموان، بیسموت)

نقش فلزات سنگین در محیط زیست از دیرباز مورد توجه بسیاری از پژوهشگران بوده است. فلزات سنگین پس از ورود به محیط به دلیل خاصیت تجمع‌پذیری، تجزیه‌نا‌پذیری و مقاومت در برابر تغییرات زیست‌شناختی، می­توانند طی حرکت در چرخه حیات به تدریج در بافت‌های مختلف بدن، به ویژه در موجودات رده‌های بالای زنجیره غذایی انباشته شوند و مشکلات زیادی را برای سلامت موجودات زنده به وجود آورند. این فلزات به صورت گونه‌های انحلال‌پذیر در آب یا به صورت بخشی جدایی نا‌پذیر از جامدات معلق انتقال یافته یا در اثر تبخیر وارد جو می‌شوند، و یا اینکه در رسوبات بستر انباشته شده و توسط اندامگان‌ها جذب می‌شود. از آنجا که بیشتر فلزات در محیط آب در مقادیر کم نیز سمی هستند حتی تغییرات به نسبت کوچک در غلظت آن‌ها، از اهمیت زیادی برخوردار است(Hornberger et al., 1999). بنابراین بررسی و پایش نحوه ورود این عناصر از منابع مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی به منابع پذیرنده آب، خاک و غذا توجه بسیاری از پژوهشگران محیط‌زیست و بهداشت را به خود جلب نموده است.

1-4-1- منابع طبیعی فلزات سنگین

در سامانه‌های طبیعی، عناصر از سنگ‌ها، کانی‌ها، گازها و بخارات فعالیت‌های آتشفشانی، آتش‌سوزی جنگل‌ها و چشمه‌های آبگرم وارد محیط ‌‌شده، در خاک باقی می‌مانند و یا وارد آب‌های سطحی و سفره‌های آب زیرزمینی می‌شوند. با توجه به شرایط فیزیکی، شیمیایی و زیست‌شناختی محیط، و پتانسیل زیست‌دسترس‌پذیری، عناصر از طریق آب یا خاک به شبکه غذایی راه می‌یابند.

1-4-2- منابع انسان‌زاد آلودگی فلزات سنگین

فعالیت‌های بشر از جمله تولیدات صنعتی، معدنی، کشاورزی، و حمل‌و‌نقل غلظت بالایی از فلزات سنگین را واردزیست‌کره می‌کند. فلزات سنگین ناشی از منابع انسان‌زاد در خاک، قابلیت جابجایی بیشتری نسبت به منابع طبیعی تشکیل خاک داشته و از لحاظ زیست‌شناختی زیست‌دسترس‌پذیرتر هستند(Sardar et al., 2013). منابع اولیه آلودگی فلزات سنگین، احتراق سوخت‌های فسیلی، ذوب فلز مانند ذوب کانسنگ‌ها، زباله‌های شهری و دفع پسماند، آفت‌کش‌ها، سموم و فاضلاب است(Nriagu, 1979, 1996; Pendias and Pendias, 1989; Rai, 2009). در مناطقی که باطله‌های معدنی حاوی سولفیدهای غنی از فلز هستند آلودگی فلزات سنگین و زهاب اسیدی معدن، از مهم‌ترین نگرانی‌ها به شمار می‌آیند(Concas et al., 2006; Rai, 2008).

پساب‌ها، فلزات سنگین را از طریق فرایندهای مختلف، که یکی از مهم‌ترین آن‌ها آبیاری می‌باشد به خاک و سامانه‌های آب وارد می‌کنند(Khan et al., 2008). بخش بزرگی از فلزات سنگین حتی پس از تصفیه پساب‌ها در تصفیه‌خانه نیز جدا نشده و بنابراین باعث آلودگی خاک و در پی آن زنجیره‌غذایی می‌شوند(Fytianos et al., 2001). آلودگی فلزات سنگین در هوا از راه فعالیت‌های انسانی افزایش می‌یابد. ذوب و سوزاندن زغال‌سنگ، نفت و مواد زائد، فلزات سنگین را وارد جو می‌کند(Chen et al., 1989).

عواملی مانند رشد صنعتی و ترافیک باعث گسیل کنترل نشده آلودگی و فلزات سنگین در محیط می‌شود، این امر به ویژه در شهرهای با اندازه متوسط و در کشورهای در حال توسعه اهمیت بیشتری دارد. آلودگی فلزات سنگین ممکن است به دلیل عواملی مانند آبیاری با آب آلوده، افزودن کودها و آفت‌کش‌های فلز-پایه، گسیل‌های صنعتی، حمل‌ونقل، فرایند برداشت، ذخیره‌سازی یا فروش محصول، در محصولات زراعی رخ دهد(Radwan and Salama, 2006; Tuzen and Soylak, 2007; Duran et al., 2007).