Metalliyhdisteiden ekologisten riskien luonnehdinta maaekosysteemeille

Metalliyhdisteiden riskinluonnehdinta maaekosysteemeille

Miten ekologisten metalliriskien luonnehdinta toteutetaan maaperälle? Mitä laskentakaavoja käytetään numeeriseen laskentaan? Miten riskin suuruus päätellään ja arvioidaan?

Perusarviointi

Maaperän ekologisten riskien kuvaus ohjearvojen avulla

Maaperän ekologisten riskien luonnehdinnan alkuvaiheessa tehdään perusarviointi eli arvioitua tai mitattua maaperän kokonaispitoisuutta (mg/kg dw) verrataan Valtioneuvoston PIMA -asetuksessa (214/2007) annettuihin pilaantuneen maan kynnys- ja ohjearvoihin (Taulukko 1). Tarkennetulle riskinarvioinnille on tarve, jos haitallisten aineiden pitoisuudet ylittävät yhden tai useamman maaperälle asetetun kynnysarvon. Tarkennettuun tarkasteluun joudutaan myös, jos haitta-aineesta ei ole olemassa kynnys- tai ohjearvoa.

Ekologinen RCR = PECsoil,total / kynnysarvo tai taustapitoisuus tai ohjearvo

• PEC_soil,total = maaperän arvioitu tai mitattu kokonaispitoisuus, mg kg^-1 (dw)

• Taustapitoisuus, mg kg^-1 (dw)

Kynnysarvo

Maaperässä luontaisesti esiintyvien metallien kynnysarvot on asetettu mineraalimaan keskimääräistä luontaista pitoisuutta suuremmaksi ja luontaisen pitoisuuden vaihteluvälin ylärajaa pienemmäksi (Tarvainen 2006). Metalleille (esim. Sm, Hg, Cd, ja Pb), joiden taustapitoisuudet ovat luontaisesti pieniä, kynnysarvon asettaminen perustuu myös ekologisesti vaikutuksettomaan pitoisuuteen (SVP). Kynnysarvovertailun lisäksi mitattuja pitoisuuksia tulee verrata lähialueen taustapitoisuuksiin (Ympäristöministeriö 2007). Jos alueen taustapitoisuus on suurempi kuin asetettu kynnysarvo, pidetään taustapitoisuutta arviointikynnyksenä.

Alempi ja ylempi ohjearvo

Metallien alempi ja ylempi ohjearvo on asetettu pääosin ekologisten riskien perusteella pohjautuen maaperän suurimman ekologisesti hyväksyttävän pitoisuuden (SHPeko ja SHPTeko) viitearvoihin. Laskentaperusteet viitearvoille on esitetty Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) julkaisussa (Reinikainen 2007). Antimonin ja lyijyn alemmille ohjearvoille on käytetty myös terveysperusteisia viitearvoja (Reinikainen 2007). Ohjearvo on säädetty pitoisuuteen, jossa maaperän keskimääräinen luontainen taustapitoisuus on lisätty laskennallisesti SHPeko ja SHPTeko arvoihin. Ylempi ohjearvo on tarkoitettu teollisuus-, varasto-, liikenne- ym. vastaavien alueiden arviointiin. Alempaa ohjearvoa käytetään vastaavasti muilla alueilla, joissa maankäyttö on tavanomaista.

Alempi ohjearvo = SHPeko + taustapitoisuus

Ylempi ohjearvo = SHPTeko + taustapitoisuus

Taustapitoisuus = arvio mineraalimaan keskimääräisestä luontaisesta pitoisuudesta, syvyys 2 m?

Ohjearvovertailussa maaperästä mitattuja pitoisuuksia verrataan maankäytön perusteella valittuihin ohjearvoihin. Mikäli yhdenkin aineen osalta ohjearvo ylittyy, maaperää pidetään pilaantuneena ja puhdistamista tarpeellisena (Ympäristöministeriö 2007). Jos maaperän pitoisuudet ovat ohjearvoja pienempiä, mutta kynnysarvoja suurempia, pilaantuneisuus katsotaan epätodennäköiseksi.

Taulukko 1. Maaperän metallien ja puolimetallien kynnys- ja ohjearvot (mg kg^-1(dw)) (VNa 214/2007)

Aine	'	Kynnysarvo	Alempi ohjearvo	Ylempi ohjearvo
Antimoni	Sb	2	10	50
Arseeni	As	5	50	100
Elohopea (epäorg.)	Hg	0,5	2	5
Kadmium	Cd	1	10	20
Koboltti	Co	20	100	250
Kromi	Cr3+	100	200	300
Kupari	Cu	100	150	200
Lyijy	Pb	60	200	750
Nikkeli	Ni	50	100	150
Sinkki	Zn	200	250	400
Vanadiini	V	100	150	250

Maaperän ekologiset viitearvot

Ekologiset viitearvot ovat arvioita eliöille haitattomista tai haitallisista pitoisuuksista ympäristössä. Viitearvot voivat koskea joko ainoastaan yhtä lajia tai yleisesti kaikkia tietyssä ympäristönosassa eläviä lajeja (Ympäristöministeriö 2007).

Ohjearvojen perustana olevat SHPeko-arvot ovat esimerkkejä maaperän ekologisista viitearvoista ( Taulukko 2) (Reinikainen 2007). Ekologiset viitearvot on määritetty tilastollisesti lajien herkkyysjakaumaan perustuen, kun aineistoa on ollut riittävästi saatavilla. Muuten viitearvot on johdettu maaperäeliötestien tuloksista arviointikertoimilla tai jakautumiskertoimen (Kd) avulla vesieliötestien tuloksista (Reinikainen 2007). Metallien ekologisiin viitearvoihin liittyvää epävarmuus on kuvattu ekotoksikologisen aineiston luotettavuuden eli tiedon riittävyyden perusteella jakamalla se haitta-ainekohtaisesti kolmeen luokkaan: luotettavuus hyvä, keskinkertainen ja huono(Reinikainen 2007). Koska metallien toksisuusaineisto on vaihtelevaa, HC5 arvon sijaan suositellaan käytettäväksi tilastollisesti vakaampaa HC50 arvoa.

Taulukko 2. Maaperän metallien ja puolimetallien ekologiset viitearvot (HC5, HC50 ja HC50T) (Reinikainen 2007)

Aine	'	HC5	HC50	HC50T	Luotettavuus
		mg/kg	mg/kg	mg/kg
Antimoni	Sb	0,2	26	52	Keskinkertainen
Arseeni	As	0,9	56	250	Hyvä
Barium	Ba	180	730	1460	Keskinkertainen
Elohopea (epäorg.)	Hg	1,9	36	73	Hyvä
Kadmium	Cd	0,79	12	150	Hyvä
Koboltti	Co	2,4	170	250	Hyvä
Kromi	Cr3+	0,38	120	210	Hyvä
Kupari	Cu	3,4	125	192	Hyvä
Lyijy	Pb	55	490	750	Hyvä
Molybdeeni	Mo	39	190	270	Keskinkertainen
Nikkeli	Ni	0,26	65	120	Heikko
Seleeni	Se	0,1	4,5	9	Heikko
Sinkki	Zn	16	210	340	Hyvä
Vanadiini	V	1,1	77	144	Heikko

Maaperän suurin vaikutukseton pitoisuus, SVP, HC5s

Pitoisuus, joka arvioidaan maaperässä haitattomaksi (haitallinen 5% eliöistä).

HC5s = HC5aq x Kd

HC5aq = Hazardous Concentration; pitoisuus, joka on haitallinen 5%:lle vesieliöistä

Maaperän suurin ekologisesti hyväksyttävä pitoisuus, SHPeko, HC50s

Ekologisin perustein asetetut alemmat ohjearvot vastaavat pitoisuutta, joka voi standarditestien mukaan aiheuttaa haitallisia vaikutuksia 50 %:lle maaperän eliöistä tai mikrobiologisista prosesseista (HC50). HC50-arvot on määritetty joko tilastolliselta lajien herkkyysjakaumalta, arviointikertoimien avulla, tai vesieliötestien tuloksista (Reinikainen 2007).

HC50s = HC50aq x Kd

HC50= Hazardous Concentration; pitoisuus, joka on haitallinen 50%:lle eliöistä (mg/kg)

HC50aq = vesieliötestien tuloksista tilastollisesti tai arviointikertoimilla johdettu HC50 -arvo (mg/l)

Maaperän suurin ekologisesti hyväksyttävä pitoisuus teollisuusalueella, SHTPeko, HC50Ts

Ylemmät ohjearvot on ekologisten perusteiden osalta asetettu pääsääntöisesti joko herkkyysjakaumalta (maaperän mikrobiologiset prosessit, NOEC -arvot) määritetyn HC50-arvon perusteella tai kaksi kertaa eliölajien HC50-arvoa suuremmaksi.

HC50Ts = HC50s x 2 (mg/kg)

Tarkennettu arviointi

Jos haitallisten aineiden pitoisuudet ylittävät yhden tai useamman maaperälle asetetun kynnysarvon, riskinarviointia on syytä tarkentaa. Tarkennettua tarkastelua voidaan tarvita myös, jos haitta-aineesta ei ole olemassa kynnys- tai ohjearvoa.

Maaperän PNEC arvon laskeminen johdetaan kolmessa eri tilanteessa parantamalla arvioinnin luotettavuutta vaiheittain (ECHA 2008) :

1) tasapainojakaantumiseen perustuva laskentatapa

2) yleisluonteisen PNECin johtaminen

3) biosaatavuus erojen korjaus, mikä mahdollistaa kohdekohtaisen PNEC_soil arvon laskemisen

Vaihe 1: Tasapainojakautumiskerroin

Jos maaperäeliöistä tai -prosesseista ei ole lainkaan tarjolla toksisuustietoja, PNEC_soil voidaan johtaa vesieliötestien (PNEC_water) tuloksista tasapainojakautumislaskentaan perustuen eli käyttämällä soveltuvaa maa-vesi –jakautumiskerrointa (Kd).

PNECsoil (mg kg-1) = PNECfreshwater (mg l-1) * Kd (l kg-1 ) 

Pahimmassa tilanteessa maaperälle on hyväksyttävää käyttää 10 persentiilin Kd arvoja (jos Kd arvoista ei ole saatavilla tietoa, miten sitten toimitaan?). Jos haitta-aineen adsorption oletetaan olevan korkea, arviointikerroin (assessment factor) 10 pitää lisätä riskilukuun (RCR), jotta se ottaisi huomioon myös eliöiden altistumisen nielemisen kautta.

Vaihe 2: Yleisen PNEC_soil arvon johtaminen

Jos jakautumiskertoimen tuloksena PEC_soil/PNEC_soil suhde on suurempi kuin 1, haitta-aineen vaaran arvioinnin luotettavuuden parantamiseksi tarvitaan maaperäeliöillä tehtyjä ekotoksisuustestejä. Maaekosysteemin testisarjan pitäisi olla suunniteltu siten, että se sisältää arvioinnin kannalta sopivaa tietoa vähintään kolmelle maaperän trofiatasolle (kasvit, hyönteiset ja mikro-organismit).

Vaihe 3: (Bio)saatavuus korjaus

Metallien biosaatavuus ja toksisuus maassa eivät riipu ainoastaan metallin kokonaisannoksesta, vaan myös maaperän ominaisuuksista ja kontaminaatiosta kuluneesta ajasta. Haitta-aineiden biosaatavuus useimmiten vähenee maaperässä ajan kuluessa. Metallien biosaatavuuserojen korjaaminen parantaa riskinarviota ja tuottaa luonnonoloihin ja kenttäkohteisiin paremmin soveltuvia PNEC arvoja. Korjaus ei ole välttämätön, mutta sen avulla voidaan välttää turha riskin tunnistus vähemmän alttiille maille käytettäessä toksisuustietoja, jotka on saatu herkissä maissa. Kemikaalin haitattoman pitoisuuden (PNEC) biosaatavuuskorjaus suositellaan tehtäväksi korjaamaan luonnonoloissa kontaminoituneiden maiden ja standarditestimaiden, joihin on tuoreeltaan lisätty tunnettu määrä haitta-ainetta, välisiä metallitoksisuus (PNEC) eroja.

ECHA (2007) ohjeistaa (bio) saatuvuuskorjauksen tekemistä seuraavasti:

• Jokainen yksittäinen NOEC/EC10 arvo korjataan eliö tai maa kohtaisella liukoisuus/sitoutumis –kertoimella (L/A), jolloin saadaan metallien sitoutumisen huomioivia NOEC/EC10 arvoja:

NOEC/EC10 = (L/A-F * NOEC/EC10,generic,added).

• Maaperän kokonaispitoisuutta vastaava NOEC/EC10 arvo saadaan, kun testimaan taustapitoisuus lisätään vastaaviin L/A korjattuihin NOEC/EC10 arvoihin.

NOEC/EC10 = (Cb +L/A-F*NOEC/EC10generic,added). 

• Testimaan kokonaispitoisuuteen perustuvat NOEC/EC10 arvot normalisoidaan kohde maan kokonaispitoisuuden NOEC/EC10 arvoihin käyttämällä yhtälöä:

log (ECx/NOEC) = intercept + slope * log (abioticfactor),

joka perustuu eliökohtaisista regressiomalleista tai soveltuvista spesiaatio/biosaatavuusmalleista saatuihin kokonaispitoisuuden kulmakertoimiin (slope).

Jos L/A kerroin on riippuvainen maan ominaisuuksista, sen käyttö vaikuttaa myös toksisuusarvojen ja maan ominaisuuksien välisiin regressioihin ja tällöin pitäisi käyttää maan kokonaispitoisuuden NOEC/EC10 regressioista saatua kulmakerrointa. Jos L/A on kaikille maille vakio, regressiot voivat perustua lisätyn haitta-aineen eli testimaan NOEC/EC10 arvoihin.

• Tämän jälkeen voidaan laskea kohteena olevan maan kokonaispitoisuuden PNEC arviointikertoimien avulla tai SSD menetelmällä.

Liukoisuuden -korjaus (Leaching and ageing): (L/A) -kerroin

Maan ominaisuuksien vaihtelun korjaus