UNIVERZITET U NIŠU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA HEMIJU Određivanje teških metala u zemljištu sa dečijih igrališta -master rad- Mentor St

Транскрипт

1 UNIVERZITET U NIŠU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA HEMIJU Određivanje teških metala u zemljištu sa dečijih igrališta -master rad- Mentor Student dr Aleksandra Pavlović, vanr. prof. Bojana Stamenković, 98 Niš, god.

2 ПРИРОДНO - MАТЕМАТИЧКИ ФАКУЛТЕТ НИШ КЉУЧНА ДОКУМЕНТАЦИЈСКА ИНФОРМАЦИЈА Редни број, РБР: Идентификациони број, ИБР: Тип документације, ТД: Тип записа, ТЗ: Врста рада, ВР: Аутор, АУ: Ментор, МН: Наслов рада, НР: Језик публикације, ЈП: Језик извода, ЈИ: Земља публиковања, ЗП: Уже географско подручје, УГП: Монографска текстуални / графички Мастер рад Бојана Стаменковић Александра Павловић Одређивање тешких метала у земљишту са дечијих игралишта Српски Српски Р. Србија Р. Србија Година, ГО: Издавач, ИЗ: ауторски репринт Место и адреса, МА: Ниш, Вишеградска 33 Физички опис рада, ФО: (поглавља/страна/ цитата/табела/слика/графика/прилога) Научна област, НО: Научна дисциплина, НД: 45 стр., 10 табеле, 10 сликe, 67 референце Хемија Аналитичкa хемија Предметна одредница/кључне речи, ПО: тешки метали, земљиште, дечија игралишта, ICP- OES, кластер анализа УДК (546.4/ ) : Чува се, ЧУ: Важна напомена, ВН: Библиотека

3 Извод, ИЗ: У раду је одређен садржај тешких метала (Cd, Co, Cr, Mn, Cu, Fe, Pb, Zn и Ni) у узорцима земљишта са дечијих игралишта која се налазе на територији града Ниша, применом оптичке емисионе спектрометрије са индукованом куплованом плазмом (ICP-OES). Од свих анализираних елемената, Mn је највише заступљен у узорцима земљишта. Садржај Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb и Zn налазе се у оквирима смерница које су прописале Република Србија, као и Немачка и Енглеска. На основу добијених резултата може се закључити да су узорци земљишта која се налазе у близини локација са јако фреквентним саобраћајем са највећим садржајем тешких метала. Применом кластер методе извршена је диференцијацијa испитиваних узорака на основу садржаја метала. Датум прихватања теме, ДП: Датум одбране, ДО: Чланови комисије, КО: Председник: Члан: Члан, ментор:

4 ПРИРОДНО - МАТЕМАТИЧКИ ФАКУЛТЕТ НИШ KEY WORDS DOCUMENTATION Accession number, ANO: Identification number, INO: Document type, DT: Type of record, TR: Contents code, CC: Author, AU: Mentor, MN: Monograph textual / graphic University Degree Thesis Bojana Stamenković Aleksandra Pavlović Title, TI: Language of text, LT: Language of abstract, LA: Country of publication, CP: Locality of publication, LP: Publication year, PY: Publisher, PB: Determination of heavy metals in soil of playgrounds Serbian English Republic of Serbia Serbia author s reprint Publication place, PP: Niš, Višegradska 33 Physical description, PD: (chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/appendixes) Scientific field, SF: Scientific discipline, SD: Subject/Key words, S/KW: 45 p., 10 tables, 10 figures, 67 references Chemistry Analytical Chemistry heavy metals, soil, playgrounds, ICP-OES, cluster analysis UC (546.4/ ) : Holding data, HD: Library Note, N:

5 Abstract, AB: The content of heavy metals (Cd, Co, Cr, Mn, Cu, Fe, Pb, Zn and Ni) in soil of playgrounds that are in the city of Nis, was determined using optical emission spectrometry with inductively coupled plasma (ICP-OES). Among the analyzed elements, Mn is most abundant in the soil samples. Contents of Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn are within the guidelines set by the Republic of Serbia, as well as by Germany and England. Based on these results it can be concluded that the soil samples that are near to very traffic places have the highest content of heavy metals. Cluster method was used for differentiation of samples based on metal content. Accepted by the Scientific Board on, ASB: Defended on, DE: Defended Board, DB: President: Member: Member, Mentor:

6 Eksperimentalni deo ovog master rada je rađen u naučno-istraživačkoj laboratoriji Katedre za analitičku i fizičku hemiju, Prirodno-matematičkog fakulteta, Univerziteta u Nišu. Veliku i iskrenu zahvalnost upućujem svojoj mentorki prof. dr Aleksandri Pavlović na prihvatanju saradnje, ukazanom poverenju i razumevanju, izdvojenom vremenu i stručnoj pomoći tokom izrade i pisanja ovog rada. Takođe se zahvaljujem doktorantkinji Jovani Krstić na pomoći tokom eksperimentalnog rada. Najveću zahvalnost dugujem svojim roditeljima, bratu i sestri na pruženoj bezgraničnoj podršci, motivaciji, strpljenju i razumevanju tokom studiranja i pisanja ovog rada. Hvala Vam!

7 Sadržaj 1. UVOD TEORIJSKI DEO KARAKTERISTIKE ZEMLJIŠTA Metali u zemljištu ph vrednost zemljišta TEŠKI METALI Posledice štetnog uticaja teških metala po zdravlje ljudi UZORKOVANJE ZEMLJIŠTA Uzimanje uzoraka za laboratorijske analize Priprema uzorka za analizu ICP SPEKTROMETRIJA NAČINI PRIPREME UZORKA Suva mineralizacija Mokra mineralizacija Mikrotalasna digestija KLASTER ANALIZA EKSPERIMENTALNI DEO PRIBOR I APARATURA REAGENSI LOKALITETI UZORKOVANJA PRIPREMA UZORAKA ZEMLJE PARAMETRI INSTRUMENTA ODREĐIVANJE PH VREDNOSTI ZEMLJIŠTA ODREĐIVANJE HIGROSKOPSKE VLAGE U ZEMLJIŠTU STATISTIČKA OBRADA PODATAKA REZULTATI I DISKUSIJA ph I HIGROSKOPNOST ZEMLJIŠTA SADRŽAJ TOKSIČNIH ELEMENATA ZAKLJUČAK LITERATURA... 41

8 1 1. UVOD

9 Zemljište je površinski rastresiti sloj Zemljine kore (litosfere), sastavni je deo ekosistema i nalazi se smešteno između Zemljine površine i stena. Podeljeno je na horizontalne slojeve koji se međusobno razlikuju po svojim fizičkim, hemijskim i biološkim karakteristikama i imaju različite funkcije. Ovаj površinski sloj Zemljine kore stаlno se menjа pod uticаjem аtmosferskih i bioloških fаktora (nаročito temperаture, vode, vаzdušnih pokretа i zemljine teže). Od živih orgаnizаmа, u procesu stvаrаnjа zemljištа, pored životinja, nаročito su znаčаjni biljni orgаnizmi. Ostаci uginulih orgаnizаmа u rаzličitim fаzаmа rаzgrаdnje i minerаlizаcije ulаze u sаstаv zemljištа. Sa gledišta humane ekologije i ekonomije, zemljište predstavlja jedan od osnovnih prirodnih resursa. Čovek na zemljištu proizvodi hranu i bez njega ne može opstati. Međutim zemljište je ograničen resurs, a potrebe savremenog čoveka za obradivim zemljištem sve više rastu. Kada se govori o potencijalnim izvorima i o načinu zagađenja zemljišta, treba pomenuti sledeće izvore zagađenja: a) Zagađenja iz vazduha i atmosfere. Ova vrsta zagađenja obuvata izduvne gasove automobile, kao i emisiju gasova koja nastaje prilikom tehnoloških procesa, sagorevanjem fosilnih goriva, biomase, šuma, itd. Zagađivači u obliku gasova, para, aerosol i prašine dospevaju na površinu Zemlje spiranjem sa padavinama, a aerosoli i čestice direktno sedimentacijom. b) Zagađenja iz otpadnih voda. Ovaj način zagađenja obuhvata otpadne vode iz tehnoloških procesa, domaćinstava, kao i vode zagađene usled poljoprivredne delatnosti. Zagađivači prisutni u površinskoj i podzemnoj vodi zagađuju zemljište sa kojim je ta voda u dodiru. c) Zagađenja čvrstim otpadom iz privrede, domaćinstva i poljoprivrede, predstavlja jedan od najčešćih načina zagađenja. Zemljište se zagađuje direktnim unošenjem hemijskih sredstava ( Hemijske materije koje se mogu naći u prirodi, sve su brojnije i raznovrsnije. Pored onih koje su po poreklu prirodni proizvodi, postoji i sve veći broj sintetičkih, kao i onih koje se dobijaju hemijskom transformacijom prirodnih proizvoda u tehnološkim procesima. Dugo se, ni na koji način, ljudi nisu obazirali na štetan uticaj hemijskih zagađivača na životnu sredinu. Jedan od najopasnijih zagađivača jesu teški metali ( Danas ovih metala ima daleko više u poljoprivrednom zemljištu, iako ih u matičnom supstratu na kome je zemljište formirano nije bilo u takvom sadržaju. Uzrok tome je sve veći broj industrijskih postrojenja. Sve je više topionica metala i termoelektrana iz čijih dimnjaka izlaze visoke koncentracije pojedinih metala u vidu gasova, gari i dima. Svi oni, najčešće padavinama, dospevaju u zemljište, zagađujući životnu sredinu i uništavajući vegetaciju. Pored dospevanja teških metala u zemljište matičnog supstrata, od koga se ono i obrazuje tokom pedogeneze, i drugi izvori njihovog unošenja moraju se imati u vidu. Industrijska postrojenja zagađuju vazduh teškim metalima, a samim tim zagađenje se prenosi na zemljište i vodu. U blizini topionica za preradu metala i termoelektrana neretko se primećuju oštećenja biljaka i 2

10 zemljišta. Znatan deo teških metala dospeva u zemljište primenom hemijskih sredstava u industrijskim i poljoprivrednim procesima. To su na primer olovo (Pb), živa (Hg), nikl (Ni) i arsen (As). Izvori unošenja teških metala u zemljište mogu da budu i neka mineralna đubriva i pesticidi. Mnogi teški metali unose se sredstvima za zaštitu biljaka, a gradsko smeće (komunalni otpad) se sve više pominje kao potencijalni izvor ovih elemenata ( Kao posledica njihovog nagomilavanja, teških metala u biosferi, ljudi i životinje ih unose u organizam, što dovodi do pojave raznih bolesti. S obzirom da teški metali predstavljaju potencijalni rizik u proizvodnji kvalitetne hrane, u svetu i kod nas, su sprovedena brojna istraživanja u cilju određivanja njihovog sadržaja, distribucije i mobilnosti u obradivim zemljištima. 3

11 4 2. TEORIJSKI DEO

12 2.1. KARAKTERISTIKE ZEMLJIŠTA Zemljište predstavlja površinski sloj zemljine kore, koji je nastao kao rezultat dugotrajnih promena matičnog supstrata litosfere. Sadrži, produkte raspadanja stena, biljnih i životinjskih organizama. Jer upravo, međusobnim delovanjem mineralnih i organskih supstanci, uz neposredni uticaj živih organizama i spoljašnjih faktora (klima, vlažnost i itd.), nastaje zemljište. Zemljište se sastoji od mineralnih i organskih materija. Smatra se da je zemljište četvorofazni disperzni sistem, sastavljen od čvrste faze, koja čini 50% zemljišta. Pri tome, 45% čine organske materije, a 5% neorganske materije. Ostali deo čine, 25% vode i 25% vazduha. Između ostalog ovo je i najpoželjniji odnos faza zemljišta, i smatra se da je najpogodniji za pravilan rast i razvoj biljke. ( i%c5%a1ta_opt.pdf) Osnovne osobine zemljišta su: - fizičke, - biološke (biohemijske) i - hemijske. U fizičke osobine zemljišta spadaju sastav, struktura, boja, poroznost, vodno, vazdušni i toplotni režim itd. Sastav podrazumeva, procentualni sadržaj čestica različite poroznosti (pesak, šljunak, mulj, glina, prah). Pravilan odnos ovih frakcija, određuje kvalitet zemljišta kao supstrata za gajenje biljaka. Višak gline, dovodi do smanjenja zemljišnjih pora, tako da je i otežano kretanje vode. Sa druge strane, veći procenat peska poboljšava kretanje vode i vazduha kroz pore, ali je istovremeno povećana dreniranost, pa je takvo zemljište potrebno češće navodnjavati. Srednja finoća čestica je najpogodnija. Struktura zemljišta, podrazumeva sposobnost zemljišta da obrazuje agregate različite veličine i forme. Zemljište može biti u strukturnom i bezstrukturnom stanju. Ako čestice nisu povezane (pesak), ili ako su previše slepljene (teška glina) onda se takva zemljišta označavaju kao bezstrukturna. Biološke osobine zemljišta, odnose se na prisustvo biljnih organizma. Uticaj životinjskih organizama ne treba zanemariti, posebno kada se radi o prvim fazama razlaganja organskih materija. Svi biljni organizmi prisutni u zemljištu, dele se na: makroorganizme (makroflora) i mikroorganizme (mikroflora). Hemijska svojstva odnose se i na čvrsti deo i na zemljišni rastvor. Ukupan hemijski sastav zemljišta zavisi od hemijskog sastava svih sfera (hidrosfere, atmosfere i biosfere). U zemljištu se nalaze gotovi svi elementi periodnog sistema, u različitim koncentracijama. Većina njih se javlja u tragovima. Postojanje organske materije u zemljištu vrlo je bitno. Upravo raspadanjem organske materije pod dejstvom aerobnih i anaerobnih bakterija u zemljištu dolazi do stvaranja hranljivih materija, koje služe kao osnovni izvor hranljivih materija za biljke. Sa jedne strane, posebno značajne za razvoj biljaka su neorganske kiseline (ugljena, azotna i fosforna kiselina) i sumporna jedinjenja, 5

13 a sa druge strane značajne su i soli kalcijuma, magnezijuma i gvožđa ( faktori) Metali u zemljištu Metali se u zemljištu nalaze kako u obliku jona, tako i u obliku različitih soli. Podela metala koji ulaze u sastav zemljišta je: - makroelementi (Ca, Mg, K i Na) - mikroelementi (Fe, B, Mo, Se, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn,...) Prvu grupu čine elementi koji su neophodni biljkama za pravilan rast i razvoj. Mikroelementi se nalaze u zemljištu u tragovima i neki od njih su neophodni za razvoj biljaka. U većim koncentracijama mogu da budu i štetni za biljke. U okviru mikroelemenata, posebnu pažnju privlače teški metali. Oni su toksični i uglavnom dospevaju u zemljište različitim procesima zagađenja ( Prilikom procenjivanja da li je neko zemljište zagađeno teškim metalima ili ne, važnu smernicu predstavljaju granične vrednosti za maksimalno dozvoljene koncentracije teških metala u zemljištu. Maksimalno dozvoljena koncentracija (MDK) teških metala u zemljištu, u Srbiji, definisana je Pravilnikom o dozvoljenim količinama opasnih i štetnih materija u zemljištu i metodama za njihovo ispitivanje, koji je objavljen u Službenom glasniku Republike Srbije (23/94) (Tabela ). Međutim, ovaj pravilnik definiše MDK vrednosti samo za poljoprivredna zemljišta, dok za zemljišta druge namene (industrijska zemljišta, igrališta, parkovi itd.) ne postoji zakonom propisan maksimalni sadržaj teških metala. Tabela Maksimalne dozvoljene koncetnracije opasnih i štetnih materija u zemljištu u Republici Srbiji (mg/kg vazdušno suvog zemljišta) Element As B Ba Cd Co Cr Cu Fe Zn Pb MDK (mg/kg) Druge države, kao na primer Nemačka i Engleska, zakonom su definisale maksimalno dozvoljene koncentracije pojedinih kontaminanata u zemljištu u zavisnosti od njegove namene (Federal soil protection and contaminated sites ordinance (BBodSch V, 12 July 1999) (Tabela ) i Heavy metal guidelines in soil (Yara UK, 2009) (Tabela )). Iz podataka prikazanih u Tabelama i vidi se da se MDK vrednosti za teške metale razlikuju u zavisnosti od namene zemljišta i da su kriterijumi za kvalitet najoštriji za zemljišta na kojima se nalaze dečija igrališta, odnosno stambene oblasti. 6

14 Tabela Maksimalno dozvoljene koncentracije teških metala (mg/kg) u zemljištu različite namene po nemačkom zakonu Element Igrališta Stambene oblasti Parkovi Industrijske oblasti As Pb Cd Cr Ni Hg Tabela Maksimalno dozvoljene koncentracije teških metala (mg/kg) u zemljištu različite namene prema engleskoj regulativi Element Stambene Parkovi Komercijalna Poljoprivredna oblasti zemljišta zemljišta As Cd 10 1, Cr Hg Ni Se Pb Cu Zn ph vrednost zemljišta ph zemljišta predstavlja numeričku vrednost kiselosti ili alkalnosti zemljišta. Mera ph vrednosti izražava se logaritamskom skalom od 0 (najkiselija zemljišta) do 14 (najalkalnija ili bazna zemljišta). Ukoliko u zemljišnom rastvoru preovladavaju H + joni, onda je zemljište kiselo, ako preovladavaju OH - joni onda je ono alkalno, a ukoliko je podjednako H + i OH - jona, onda je zemljište neutralne reakcije. 7

15 Zavisnost o stepenu kiselosti, zemljišta su podeljena u pet kalasa (Tabela ). ( Tabela Podela zemljišta u pogledu kiselosti ph reakcija zemljišta Oznaka klase 4,5 veoma kisela 4,5 5,5 kisela 5,6 6,7 umereno kisela 6,8 7,2 neutralana > 7,2 alkalana (bazična) Kiselost zemljišta se deli na aktivnu i potencijalnu kiselost. Aktivnu kiselost čine slobodni vodonikovi joni (H + ) koji se nalaze u zemljišnom rastvoru. Ona se određuje u suspenziji zemljišta sa vodom jer ukoliko bi se estrahovao sam zemljišni rastvor njegov ph bi bio znatno viši nego kada se rastvor nalazi u kontaktu sa čvrstom fazom. Supstitucionu kiselost čine vodonikovi joni (H + ) koji se nalaze labavije vezani u adsorptivnom kompleksu i odatle se istiskuju u rastvor dejstvom soli kao što je npr. KCl. Vodonikovi joni koji su jače vezani u adsorptivnom kompleksu istiskuju se u rastvor dejstvom neke bazne soli kao što je npr. kalcijum acetat, i ova kiselost se naziva hidrolitička. Supstituciona i hidrolitička kiselost zajedno čine potencijalnu kiselost, i njenim poznavanjem može da se izvršiti kalcizacija kiselih zemljišta. ph takođe varira u jednom istom zemljištu u zavisnosti od godišnjeg doba. Tokom leta kada su mikrobiološki procesi izraženi ona je niža, a viša je tokom zime kada su mikrobiološki i hemijski procesi svedeni na minimum. Od reakcije zemljišnog rastvora zavisi rastvorljivost mnogih jedinjenja, pa prema tome i mogućnost pojavljivanja pojedinih hranjivih elemenata u rastvoru, što ima direktnog uticaja na mogućnost njihovog usvajanja od strane biljaka. Tako npr. rastvorljivost gvožđa i mangana pri ph vrednosti većoj od 8 naglo se smanjuje, kao i rastvorljivost fosfata magnezijuma i kalcijuma u alkalnoj sredini, dok se u kiseloj sredini povećava ( Zemljišta sa visokim vrednostima ph su bazna zemljišta. To su zemljišta s adsorbiranim natrijumom, odnosno zemljišta u kojima se nalaze Na2CO3 i NaHCO3 i ph im je iznad 8. Ovakva zemljišta nisu pogodna za razvoj biljaka. Promena ravnoteže jona u zemljištu direktno je povezana sa promenom ph vrednosti, te se ista, primenom odgovarajućih sredstava treba održavati u optimalnim granicama, neophodnim za pravilan rast i razvoj biljke. 8

16 Generalno, metalni katjoni su više pokretljivi u kiseloj sredini, što znači da povećanje ph smanjuje njihovu pristupačnost. Prema Adrianu (2001) pristupačnost Cu manje je osetljiva na promene ph u poređenju sa Zn i Ni TEŠKI METALI Ne postoji jedinstvena definicija teških metala. Najčešće korišćena definicija je da su teški metali, metali koji imaju zapreminsku masu veću od 5 g/cm 3. Njihova zastupljenost kao polutanata u radnoj i životnoj sredini predstavlja ozbiljan zdravstveni i ekološki problem zato što su toksični, nisu biorazgradivi, imaju veoma dugo poluvreme života u zemljištu (Ram i sar., 2000) i akumuliraju se u živi sistem kroz aktivni lanac ishrane. Teški metali se odlikuju različitim hemijskim, fizičkim i fiziološkim dejstvom. U teške metale čija je emisija iz prirodnih i/ili antropogenih izvora značajna spadaju živa (Hg), kadmijum (Cd), kobalt (Co), hrom (Cr), olovo (Pb), nikl (Ni), mangan (Mn), gvožđe (Fe), bakar (Cu), cink (Zn) i dr. Zbog visoke toksičnosti u grupu teških metala uključuje se i berilijum (Be), a iz istog razloga često se u tu grupu svrstavaju metaloidi arsen (As) i antimon (Sb) i nemetal selen (Se). Za više organizme Zn, Cu i Se su esencijalni elementi. Njihovo prisustvo je neophodno pri niskim koncentracijama, dok u većim koncentracijama mogu imati toksičan efekat. Teški metali se ubrajaju u veoma opasne zagađivače i predstavljaju veliku opasnost za sve žive organizme. Poznato je da teški metali, kao karakteristični polutanti, u svom geobiociklusu, odnosno atmosferskim depozicijama, dospevaju u zemljište u kojem se mogu zadržati u površinskom (oraničnom) sloju i veoma se teško iznose iz zemljišta. U zemljištu se mogu akumulirati u velikim koncentrcijama i mogu uzrokovati višestruke ekološke posledice, zbog čega se i smatraju vodećim zagađivačima okoline. Zadržavanje teških metala u zemljištu zavisi od vrste metala, njihove koncentracije, fizičkohemijskog sastava zemljišta, ph sredine, sadržaja organskih materija i drugih faktora. Zato je poznavanje faktora koji utiču na ponašanje metala u zemljištu i njihova pristupačnost živim organizmima od velikog značaja. Zemljište apsorbuje i veže metale u teško rastvorljiva jedinjenja, čime se smanjuje njihova dostupnost biljkama. Veliki apsorpcioni kapacitet za metale imaju oksidi gvožđa i mangana, karbonati i organske materije. Intenzitet vezivanja metala u zemljištu raste sa porastom sadržaja organske materije i ph vrednosti zemljišta ( Teški metali se prirodno nalaze u zemljištu, u određenim koncentracijama, i vode poreklo od matične stene, odnosno supstrata na kojem je zemljište nastalo. U površinskim horizontima zemljišta često se mogu naći i teški metali koji nisu geohemijskog već antropogenog porekla, odnosno, dospeli su u zemljište kao posledica različitih ljudskih aktivnosti (industrija, sagorevanje fosilnih goriva, primena agrohemikalija, atmosferska depozicija...). Pored ovih neorganskih zagađujućih materija u zemljištu su često prisutne i brojne organske zagađujuće materije koje se zbog niske biodegradabilnosti nazivaju perzistentnim (perzistentni organski polutanti tzv. POPs), a u koje spadaju policiklični aromatični ugljovodonici (PAH), pilihlorovani bifenili (PCB) i ostaci pesticida i njihovih metabolita. 9

17 Urbana zemljišta, u odnosu na ruralna, često su više izložena antropogenom uticaju zbog veće gustine naseljenosti, inteziteta saobraćaja, blizine industrije itd. Dugotrajno unošenje zagađujućih materija u zemljište može dovesti do smanjenja njegovog puferskog kapaciteta što kao posledicu može imati trajnu kontaminaciju zemljišta i podzemne vode (Thornton, 1991). Danas sve više raste svest ljudi da zagađujuće materije, kao što su teški metali i perzistentni organski polutanti, koji se nalaze u zemljištu mogu imati ozbiljne posledice po ljudsko zdravlje. Teški metali koji se akumuliraju u ljudskom organizmu mogu izazvati trovanje, ugroziti delovanje centralnog nervnog sistema i izazvati niz drugih teških poremećaja (Schwartz, 1994; Bellinger, 1995; Tripathi i sar., 2001). Postoji nekoliko putanja kojima kontaminanti iz urbanog zemljišta mogu dospeti u ljudski organizam. Najvažnija od njih je putanja zemljište - uobičajene ljudske aktivnosti kada čovek dolazi u kontakt sa zemljištem boraveći u parkovima, na igralištima, stambenim zonama, industrijskim, komercijalnim i drugim objektima. Druga po značaju je putanja zemljište - korisne biljke - čovek kada čovek dolazi u dodir sa kontaminantima posredno, preko biljaka koje gaji na zagađenim zemljištima. Značaj poznavanja kvaliteta urbanog zemljišta sa stanovišta sadržaja organskih i neorganskih kontaminanata ogleda se u mogućnosti procene rizika, lociranja i sanacije zagađenih oblasti kao i gradskog planiranja u smislu identifikacije i izmeštanja izvora kontaminanata. U poslednjih dvadeset godina u svetu se intezivno razvijala svest o uticaju kvaliteta urbanog zemljišta na zdravlje ljudi što je rezultiralo detaljnim ispititivanjima kvaliteta gradskog zemljišta mnogih velikih gradova u Evropi i Americi kao na primer: Mineapolis, SAD (Mielke i sar., 1984), Berlin, Nemačka (Birke i Rauh, 2000), Aberdein, Škotska (Paterson i sar., 1996), Birmingen, Engleska (Wang i sar., 1997), Majami, Florida, SAD (Chirenje i sar., 2003), Sevilja, Španija (Madrid i sar., 2004) itd. Pored ovoga, Evropska Unija je finansirala nekoliko projekata čiji zadatak je bio da se ispita sadržaj zagađujućih materija u zemljištu velikih evropskih gradova. Najpoznatiji takav projekat je bio URBISOIL koji se bavio sadržajem teških metala u tri evropska grada: Glazgov u Škotskoj, Turin u Italiji i Sevilja u Španiji. U Srbiji je do danas urađena samo jedna studija o sadržaju teških metala u urbanom zemljištu i to u zemljištu na teritoriji Beograda, u kojoj su na manjem broju uzoraka obuvaćena zemljišta različite namene (poljoprivredna, nepoljoprivredna, zemljišta stambenih zona) ali nisu proučavana zemljišta na dečijim igralištima (Crnković i sar., 2006.). Deca su većinom više izložena uticaju kontaminanata iz zemljišta od odraslih ljudi. Postoji više razloga za to, a jedan od najvažnijih je običaj dece da tokom igre stavljaju prljave prste i igračke u usta i na taj način u svoj organizam unose značajno više zemljišta od odraslih osoba (ATSDR, 2000). U jednoj studiji se precizira da deca težine 10 kg koja borave u vrtiću 8 sati dnevno/250 dana godišnje u proseku dnevno unesu u digestivni sistem oko 0,2 g zemljišta, dok je za maksimalni iznos data vrednost od 3 g zemlje na dan (Danish Standards Association, 1995). Za odrasle ljude prosečan unos zemljišta u organizam procenjen na 0,1 g/dan (N & R Consult, 1990). Takođe, deca su, u odnosu na odrasle, mnogo osetljivija na negativne uticaje kontaminanata u organizmu. Pre svega deca imaju malu telesnu masu što uvećava njihovu relativnu izloženost kontaminatu (koja se izražava po kilogramu telesne mase), zatim imaju mnogo veću gastrointestinalnu absorpciju teških metala (Schütz i sar., 1997) i na kraju, ali podjednako značajno, njihov nervni sistem nije u potpunosti razvijen pa su mnogo osetljiviji na 10

18 neurotoksične metale kao što su olovo (Pb) i živa (Hg) (Klaassen, 1996). Poznato je, na primer, da predškolska deca mogu imati značajne neurološke smetnje ako je koncentracija olova u njihovoj krvi veća od 10 μl/dl krvi pa se zbog toga u mnogim zemljama danas izrađuju posebne studije u kojima se procenjuju maksimalno dozvoljene koncentracije ovog elementa u različitim medijumima (voda, zemljište, vazduh itd.) i njihov uticaj na sadržaj olova u krvi (Defra and Environment Agency, 2002). Kvalitetom zemljišta dečijih igrališta sa aspekta sadržaja opasnih i štetnih materija danas se bave mnogi stručnjaci u većini evropskih zemalja. Izrađene su i mnogobrojne studije u kojima su detaljno ispitani sadržaji kontaminanata i procenjen je nihov rizik za zdravlje dece. Potencijalnu opasnost i izvor zagađenja predstavljaju i drvene platforme i druge drvene igračke postavljene na dečijim igralištima. Naime, u procesu prerade drveta, pogotovu onog koje će biti korišćeno za izradu konstrukcija za spoljašnju upotrebu, drveni materijal se tretira hemikalijama koje ga na određeni način konzerviraju. U poslednjih 60 godina, za konzerviranje drveta se najčešće koristilo zaštitno sredstvo na bazi hroma, arsena i bakra pod nazivom hromirani bakar arsenat ili CCA (Chromated Copper Arsenate) koje se sastoji od 18,5% bakar(ii)-oksida, 47,5% hrom(vi)-oksida i 34% arsen(v)-oksida. Arsen u ovom sredstvu služi kao insekticid, bakar ima svojstvo fungicida, a hrom služi za fiksiranje arsena i bakra u drvetu. Drvo tretirano ovim zaštitnim sredstvom se često koristi za izradu drvenih platformi za igru, a kako se te platforme uglavnom nakon postavljanja na igralište više ne pomeraju, tokom godine trpe uticaj atmosferskih padavina, a najviše uticaj kiše što nakon određenog vremena dovodi do pojave spiranja arsena, hroma i bakra u okolno zemljište. Postoje mnogobrojne studije koje su se bavile uticajem ispiranja CCA sa drvenih konstrukcija na kontaminaciju zemljišta i ugrožavanje zdravlja dece (Fields, 2001; Stilwell, 1997; Hemond, 2004). Rezultati ovih istraživanja su indukovali zabranu upotrebe drveta tretiranog sa CCA za izradu platformi za igru u Kanadi (2003) i SAD (2002). U našoj državi prema Pravilniku o ograničenjima i zabranama proizvodnje, stavljanja u promet i korišćenja hemikalija ("Službeni glasnik RS", br. 90/13, 25/15 i 2/16) zabranjeno je stavljanje u promet drveta tretiranog rastvorima CCA, odnosno dozvoljeno je korišćenje drveta tretiranog CCA do isteka roka njegove upotrebe ako je bilo u upotrebi ili je stavljeno u promet pre 30. septembra godine. Zbog toga je važno, prilikom praćenja kvaliteta zemljišta na dečijim igralištima posebnu pažnju posvetiti sadržaju arsena, bakra i hroma u njemu. ( 0zemljiste%20na%20decijim%20igralistima.pdf) Posledice štetnog uticaja teških metala po zdravlje ljudi Posledice koje ostavljaju teški metali u organizmu su veoma brojne. Neke od njih su: - Psihički poremećaji usled trovanja: depresija, nagle promene raspoloženja, halucinacije, pojačana agresivnost, nesanica, hronični umor, iznurenost i mentalna iscrpljenost, gubitak apetita, anoreksija, strahovi, oslabljena pažnja i koncentracija, kratko pamćenje, Alchajmerova bolest. 11

19 - Senzorni poremećaji: preosetljivost na svetlost i zamućen vid, problemi sa sluhom. - Motorni poremećaji: teškoće i problemi pri hodanju, otežano gutanje hrane, problemi sa govorom, gubitak ravnoteže, epileptični napadi, kao i smanjena pokretljivost udova. - Fiziološki poremećaji u mozgu i centralnom nervnom sistemu: neuritis (zapaljenje perifernih nerava), neuropatija, smanjena brzina nervne provodljivosti, promene u kičmenoj moždini, gubitak osećaja/utrnulost ekstremiteta, parestezija (trnci u udovima). - Želudačno-crevne tegobe: česta mučnina, povraćanje, dijareja, bol i grčevi u stomaku, osećaj žarenja u grlu i ustima, upala jednjaka, upala želuca i creva, kao i kancer pankreasa, debelog creva i želuca. - Poremećaji u radu bubrega i jetre: hepatotoksičnost, ciroza jetre, hepatitis, oštećenje bubrega. - Kardiovaskularne tegobe: oštećenje krvnih sudova, tahikardija, anemija (malokrvnost), hipertenzija (povišen pritisak). - Disajni problemi: plućna fibroza, bronhijalna astma, upala ždrela, upala pluća, bronhitis. - Slabljenje imunološkog sistema i česti padovi imuniteta. - Poremećaji u radu reproduktivnih organa: poremećaji menstrualnog ciklusa, menstrualni bolovi, prevremeni porođaji ( UZORKOVANJE ZEMLJIŠTA Rad na monitoringu kvaliteta zemljišta odvija se u dve faze: 1. terenska istraživanja sa uzimanjem uzoraka i 2. analitička istraživanja u laboratoriji Uzimanje uzoraka za laboratorijske analize Za laboratorijska istraživanja uzimaju se dve vrste uzoraka: - Uzorci u narušenom stanju za određivanje fizičkih i hemijskih osobina (slika ). - Uzorci u nenarušenom stanju za određivanje vodno-vazdušnih osobina (slika ). 12

20 Obično se uzimaju uzorci mase 1,5 kg, a kod skeletnih zemljišta do 2 kg. Slika Uzimanje uzoraka u narušenom stanju Slika Uzimanje uzoraka u nenarušenom stanju Pri uzimanju uzoraka moraju se poštovati sledeća pravila: Pre uzimanja uzoraka istraživana strana profila očisti se pedološkim nožem ili ašovom od gore na dole. Uzorci u narušenom stanju uzimaju se od dole na gore, od donjih ka gornjim horizontima. Voditi računa da u uzorak ne upada zemljište iz susednih horizonata. Količina uzorka treba da bude dovoljna da se na uzorku izvrše sve analize. Uzorci u narušenom stanju stavljaju se u plastične vrećice. Svaki uzorak obeležava se posebnom etiketom. 13

21 Uzimanje uzoraka u narušenom stanju sastoji se od dve faze: Obeležavanje mesta odakle će se sakupljati uzorci. U sredini svakog horizonta pedološkim nožem se obeleži mesto uzimanja uzoraka (pravougaonik širine 10 cm dužine cm). Uzimanje uzoraka lopatom ili pedološkim nožem. Uzorci se potom smeštaju u najlonske vreće sa pravilno popunjenim etiketama. Uzorci se uzimaju iz svakog horizonta vodeći računa da se pri tome nekontaminira uzorak. Izbegavaju se mesta gde je utvrđeno prisustvo karbonata, i ne dodiruje se uzorak rukama kako bi merenja ph vrednosti bila realna. Uzorci u vrećicama ili plastičnim kutijama smeštaju se u drvene ili metalne sanduke i transportuju u laboratoriju Priprema uzorka za analizu Konačni rezultati istraživanja zavise od pravilne pripreme uzoraka za analizu. Za pripremu zemljišnih uzoraka potreban je sledeći pribor: porcelanski avan sa tučkom, gumeni tučak, sito sa otvorima prečnika 1 ili 2 mm, pedološki nož, veći komad tvrđeg papira, papirne kese, kartonske kutije i staklene posude. Postupak kojim se zemljište priprema za analizu obuhvata sledeće operacije: a. Sušenje uzoraka b. Izdvajanje srednje probe c. Sitnjenje uzoraka d. Prosejavanje uzoraka e. Čuvanje uzoraka Uzorci se nakon terenskog istraživanja dopremaju u laboratoriju. Uzorcima se dodeljuju brojevi po redosledu po kom stižu u laboratoriju. Iako su već obeleženi na terenu u laboratoriji im se daju posebne oznake. a. Sušenje zemljišnih uzoraka Uzorci doneti sa terena se stavljaju na veći komad tvrđeg papira ili karton i rukom poravnjaju do debljine od 1 do 2 cm. Za sušenje zemljišnih uzoraka koriste se i rerne i mikrotalasne pećnice posebno dizajnirane. b. Uzimanje srednje probe Pod srednjom probom podrazumeva se deo uzorka mase oko 500 g koji predstavlja srednju vrednost uzetog zemljišnog uzorka na terenu. Kada se uzima srednja proba mora se voditi računa o sastavu uzorka.tom prilikom se iz zemljišta moraju odstraniti delovi korenja, specifične pedološke tvorevine kako ne bi kasnije uticali na rezultate laboratorijskih merenja (slika ). 14

22 Slika Uzimanje srednje probe c. Sitnjenje zemljišnih uzoraka Izdvojenu srednju probu sitnimo u avanu sa tučkom ili u specijalnim mlinovima. d. Prosejavanje uzoraka Prosejavanje se kao i sitnjenje vrši u manjim porcijama. Uzorak se prosejava kroz sito otvora prečnika 1 mm do 2 mm. e. Čuvanje uzoraka Uzorci zemljišta se čuvaju u hermetički zatvorenim plastičnim kesama, na sobnoj temperaturi (htpp:// ICP SPEKTROMETRIJA Optička emisiona spektrometrija sa induktivno spregnutom plazmom (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry - ICP-OES) je metoda koja kao izvor zračenja koristi induktivno kuplovanu plazmu. Zbog visoke temperature plazme, metoda može da se u principu koristi za određivanje svih elemenata periodnog sistema, osim za argon. Takođe, upotrebom hidridne tehnike mogu se odrediti niske koncentracije elemenata koji grade hidride (As, Bi, Ge, Sb, Se, Sn i Te). Međutim, ona je donekle ograničena u praksi pošto određivanje nekih elemenata zahteva posebne uslove (npr. radioaktivnih) ili posebnu optiku (kao što su Cl, Br i F), ili se određuju sa manjom osetljivošću nego pomoću drugih metoda (kao N ili Rb) (Antić- Jovanović, 2006). 15

23 Prednosti ICP spektrometrije: - mogućnost izvođenja višelementne analize, - široka dinamička oblast: kao posledica malog efekta samoapsorpcije u posmatranoj zoni plazme, analitička kriva je linearna u intervalu koncentracija od nekoliko redova veličine, tako da podjednako mogu da se određuju elementi, kako niskih koncentracija (ispod 1 µg/ml), tako i visokih, što je i uslov za izvođenje višelelementne analize, - analiza uzoraka u obliku rastvora, - relativno dugo vreme boravka čestica u plazmi: zadržavanje čestica u plazmi nekoliko milisekundi i njena inertna atmosfera doprinose efikasnosti atomizacije i pobuđivanja, a time i osetljivosti određivanja. Induktivno spregnuta plazma (ICP) Prema definiciji, plazma je jonizovan gas koji se zbog jedinstvenih osobina smatra posebnim agregatnim stanjem materije uz čvrsto, tečno i gasovito stanje. Slobodna naelektrisanja (katjoni i elektroni) čine plazmu električno provodljivom zbog čega ona snažno oseća uticaj elektromagnetnog polja. To je bezelektrodna argonska (ređe azotna) plazma koja radi na atmosferskom pritisku, a održava se induktivnim sprezanjem sa radiofrekventnim elektromagnetskim poljem. Plazmenik se sastoji od tri koncetrične kvarcne cevi. Uzorak se uvodi, najčešće uvodi kroz unutrašnju cev, u obliku rastvora koji se pretvara u fini aerosol pomoću struje argona. Kroz srednju cev uvodi se argon za formiranje plazme, dok se kroz spoljašnju cev tangencionalnim uvođenjem struje argona postiže termička izolacija plazme, koja je neophodna da bi se izbeglo topljenje kvarcne cevi. Ova struje hladi zidove kvarcne cevi i centrira i stabilizuje plazmu. Oko spoljašnje cevi obmotana su 3-4 indukciona kalema vezana za radiofrekventni izvor. Visokofrekventna struja stvara neizmenično magnetno polje koja indukuje elektrone u gasu. Argon se primarno jonizuje Teslinom varnicom, a zatim prolaskom kroz polje oko indukcionog kalema (slika ). Slika Plazmenik- gorionik: 1-navoji indukcionog kalema; 2-Ar koji nosi aerosol (uzorak); 3-Ar za obrazovanje plazme; 4-Ar za hlađenje 16

24 Temperatura plazme varira od 6000 K do K i opada sa visinom iznad indukcionog kalema, tako da se za svako određivanje može podestiti visina sa koje se vrši posmatranje. Oblik plazme je toroidan, a zavisi od konstrukcije plazmenika, brzine protoka gasa i frekvence generatora. U ovom izvoru se razlikuje nekoliko zona (slika ). Prva je zona prethodnog zagrevanje. Početna zona pražnjenja je oblika metka sa intenzivnom atomskom emisijom. Zatim analitička zona, koje se obično koristi, nalazi se na mm iznad indukcionog kalema, u kojoj je ekscitaciona temperatura oko 6500 K. U njoj uglavnom nastaje jonska emisija. Iznad ove zone, temperatura opada i javlja se atomska i molekulska emisija, to je zona plazmene baklje (Todorović i sar. 1997). Slika Temperaturne zone u plazmi Zbog visokih temperatura u ICP izvorima dobijaju se dosta složeni spektri. Tipična plazma ima vrlo intenzivno, blistavo belo jezgro prekriveno repom sličnom plamenu (slika ). Slika Izgled plazme 17

25 Uvođenje analita plazmu Kod ICP-spektrometrije elementi se analiziraju u obliku rastvora koji se u vidu aerosola uvodi u plazmu. Raspršivanje rastvora, vrši se uglavnom koncentričnim pneumatskim raspršivačima. Pneumatski raspršivač daje široki spektar različitih veličina čestica aerosola. Komore za raspršivanje vrše distribuciju čestica aerosola prema veličini i njenom upotrebom dolazi do smanjenja šuma koji se javlja prilikom interakcije aerosola sa plazmom. Tačnost i osetljivost metode Tačnost metode je u granicama od 1-10% zavisno od koncentracije određivanog elementa. U praksi, sa komercijalnim aparatima namenjenim analitičkim potrebama, granice detekcije (LD) mogu da budu veće za faktor 10 i više, pošto zavise u velikoj meri od kvaliteta (moći razlaganja i svetlosne jačine) spektrometra i tipa raspršivača. Smetnje u ICP spektrometriji Emisija analita u ICP manje je podložna smetnjama nego u bilo kom drugom izvoru pobuđivanja. Nespecifične (fizićke) smetnje prouzrokovane prisustvom supstanci koje utiču na fizićke osobine rastvora, kao što su gustina, viskoznost, površinski napon, usled čega dolazi do promene količine raspršivanjem unetog rastvora u plazmu a time i do promene intenziteta analitičkih linija. Zbog visoke temperature plazme, dužeg vremena boravka ćestica u plazmi i njene atmosfere, hemijskih interferencija u ICP-spektrometriji praktično nema. Najznačajnije smetnje u ICP-spektrometriji su spektralne smetnje, kao posledica pojave spektara bogatog linijama u UV i Vis oblasti, koje se ne javljaju u drugim izvorima pobuđivanja. Ove smetnje su prouzrokovane preklapanjem linije analita sa linijom prisutnog elementa bliske talasne dužine (koji aparat nije u stanju da razloži), preklapanjem sa krilom proširene susedne linije ili preklapanjem sa kontinualnim zračenjem neke komponente osnove ili rasutim zraćenjem u aparatu. Ovaj tip smetnji u tesnoj je vezi sa karakteristikama korišćenog spektrometra (disperzijom i moći razlaganja). Kada se utvrdi, spektralna smetnja može da se otkloni primenom spektrometra veće moći razlaganja, oduzimanjem prethodno određene veličine signalainterferenta (pošto su spektralne smetnje aditivnog karaktera) ili izborom druge linije analita. Efekat matriksa - elementi matriksa koji su prisutni u visokim koncentracijama emituju intenzivno zračenje. Karakteristike optičkog sistema instrumenta mogu biti uzrok pojave da to intenzivno zračenje dovede do zasićenja detektora što povećava pozadinu, a samim tim i šum prilkom merenja. Ovaj efekat se može smanjiti upotrebom visoko kvalitetnih optičkih komponenata (Velimirović, 2013). 18

26 2.5. NAČINI PRIPREME UZORKA Uzorci se podvrgavaju različitim mineralizacionim procedurama pre analize prisustva metala pomoću atomske apsorpcione ili emisione spektroskopije (Pawel, 2009). Najčešće se razlaganje organskih supstanci vrši izlaganjem uzorka visokoj temperaturi, žarenjem i uparavanjem. Međutim, ovaj postupak traje dugo i u određenim fazama može doći do kontaminacije analita, ili njegovog gubitka Suva mineralizacija Suva mineralizacija je uobičajeni način pripreme uzoraka. Uzorci se najpre suše, a zatim žare u porculanskim lončićima na temperaturi od o C, do konstantne mase. Tokom žarenja, uzorcima mogu da se dodaju kiseline (HCl ili HNO3) u cilju potpunog sagorevanja organskog dela uzorka (suvi ostatak je bele boje). Mineralizovani uzorci se rastvaraju u razblaženoj kiselini koja je korišćena za njihovu pripremu, ili u demineralizovanoj vodi Mokra mineralizacija Uzorci se u ovom postupku tretiraju oksidacionim sredstvima ili njihovim smešama. Postupak se izvodi u staklenim čašama ili u porculanskim lončićima. Blago zagrevanje na temperaturi manjoj od 100 o C i vodeno kupatilo se koriste da bi se izbeglo prskanje i penušanje uzorka. U postupku mokre mineralizacije mogu se koristiti kako razblažene, tako i koncentrovane kiseline (HNO3, HCl, H2SO4, HClO4) ili njihove smeše. Po potrebi se može dodati i vodonik peroksid. Suvi ostaci nakon mineralizacije se rastvaraju u demineralizovanoj vodi. 1ml 1 mol/l HCl se može dodati pre razblaživanja vodom. Imajući u vidu temperature isparavanja nekih elemenata, mokra mineralizacija je pouzdanija od suve, jer su smanjene mogućnosti zagaćenja i gubitka analita Mikrotalasna digestija Mikrotalasna mokra digestija u zatvorenom sistemu je tip mokre mineralizacije, koja koristi veće temperature u odnosu na mokru mineralizaciju i koristi mikrotalasnu energiju za zagrevanje rastvarača, koja u kontaktu sa uzorkom prevodi uzorak u rastvor za znatno kraće vreme (Stalović i Đorđević, 2013). Prednosti mikrotalasne digestije: minimalno vreme pripreme uzorka (oko 15 min), redukovane količine reagensa za potpunu disoluciju matriksa, minimalna kontaminacija u laboratoriji i minimalan gubitak isparljivih analita. Sve ove prednosti vode ka nižim granicama detekcije, većoj tačnosti metode i manjem zagađenju okoline ( 19

27 2.6. KLASTER ANALIZA Klaster analiza vrši grupisanje jedinica posmatranja u grupe ili klase tako da se slične jedinice nađu u istoj klasi (klasteru). Grupisanje se vrši na osnovu rezultata (skora) koji se izračunava na osnovu vrednosti obeležja po svim varijablama, za svaku jedinicu posmatranja posebno. Metod koji se koristi za klasifikaciju mora biti potpuno numerički, a broj klasa se unapred obično nezna. Tipovi klaster analize Mnogi algoritmi su korišćeni za klaster analizu. Ipak, dva pristupa su se izdvojila kao najbolja. Prvi je hijerarhijski metod koji kao krajnji rezultat ima dendogram. To je grafički prikaz klastera (grupa) u obliku stabla povezivanja. Prvo se vrše izračunavanja udaljenosti svih jedinica međusobno, a zatim se grupe formiraju putem tehnika spajanja ili razdvajanja. Tehnika spajanja (aglomerativni, hijerarhijski metod) polazi od toga da je svaka jedinica sama u grupi od jednog člana. Bliske grupe se postepeno spajaju dok se na kraju ne nađu sve jedinice u jednoj grupi. Kod tehnike razdvajanja ide se obrnutim redosledom, gde se od jedne grupe stvaraju dve, pa od te dve sledeće dve i tako sve dok ne bude svaka jedinica posmatranja posebno. To je takozvani divizioni hijerarhijski metod koji se, ipak, primenuje mnogo ređe nego aglomerativni. Drugi pristup, nehijerarhijski, vrši raščlanjivanje tako da jedinice mogu da se kreću iz jedne u drugu grupu u različitim fazama analize. Postoji mnogo varijacija u primeni ove tehnike, ali suština je da se prvo pronađe tačka grupisanja oko koje se nalaze jedinice, na više ili manje proizvoljan način, a zatim se izračunavaju nove tačke grupisanja na osnovu prosečne vrednosti jedinica. Jedinica posmatranja se tada pomera iz jedne u drugu grupu ukoliko je bliža novoizračunatoj tački grupisanja. Proces se odvija iterativno, sve do postizanja stabilnosti za unapred zadani broj grupa. U istraživanjima se najviše koristi spomenut hijerarhijski "aglomerativni" metod. 1) SINGLE LINKAGE ("NEAREST NEIGHBOUR"): Jednostruko povezivanje (metoda najbližeg suseda). Prva dva objekta koja se povezuju u klaster su ona dva koja imaju najmanju međusobnu udaljenost (najveću sličnost). Udaljenost između novog klastera i pojedinog objekta određuje sa kao najmanja udaljenost između tog objekta i članova već formiranog klastera. U svakom od sledećih koraka udaljenost dva klastera određuje se kao udaljenost njihova 2 najbliža člana. 2) COMPLETE LINKAGE ("FURTHEST NEIGHBOUR"): Potpuno povezivanje (metoda najdaljeg suseda). Kod ove metode udaljenost između dva klastera računa se na osnovu udaljenosti između dva najudaljenija člana. 3) UPGMA - AVERAGE LINKAGE BETWEEN GROUPS (unweighted pair-group method using arithmetic averages): Prosečna veza između grupa. Definisana udaljenost između dva klastera kao prosek udaljenosti između svih parova koji se mogu definisati između dva objekta. Ovaj metod kao što se vidi uzima u obzir informacije o svim parovima objekata između dva klastera. 20

28 4) AVERAGE LINKAGE WITHIN GROUPS: Prosečna veza unutar grupa. Ovaj metod kombinuje klastere tako da prosečna udaljenost između članova novog klastera bude što manja. Tako se udaljenost između dva klastera definiše kao prosečna udaljenost između svih objekata koji bi sačinjavali novi klaster od ta dva postojeća. 5) WARD'S METHOD. Za svaki klaster izračunaju se aritmetičke sredine za svaku varijablu. Zatim se za svaki objekt računa kvadrirana euklidova udaljenost do aritmetičke sredine klastera. Sumiraju se ove udaljenosti za sve članove klastera. Spajaju se oni klasteri za koje je ukupna (zajednička) suma ovih odstupanja najmanja. 6) CENTROID CLASTERING METHOD. Određuje udaljenost između klastera kao udaljenost između aritmetičkih sredina oba klastera (njihovih centroida). Jedan nedostatak centroidnog metoda jest u tome što se početna udaljenost dva klastera može smanjiti između dva sukcesivna koraka analize. Klasteri spojeni u kasnijim fazama su više različiti nego oni spojeni u ranijim koracima. 7) MEDIAN CLUSTERING METHOD. Kod metoda medijana, dva klastera koja se spajaju ponderisani su jednako prilikom određivanja centroida, bez obzira na broj objekata u svakom od njih. Kvadrirana euklidova udaljenost koristi se kod ovog metoda kao i kod prethodnog (centroidnog). Merenje udaljenosti Postoji veći broj različitih mera udaljenosti ili sličnosti između objekata. Upotreba različitih mera razlikovanja objekata ima za posledicu da se pojedinim karakteristikama podataka pridaje različit značaj (npr. pridavanje većeg značaja većim razlikama; uzimanje u obzir najveće ili najmanje pojedine razlike između dva objekta). Izbor mere uslovljen je važnošću nekih karakteristika podataka u specifičnoj situaciji u kojoj se vrši klasterizacija objekata. Osnovna razlika postoji između mera sličnosti i mera udaljenosti. Termin sličnost često se koristi kao sinonim za povezanost ili korelaciju. Za izračunavanje udaljenosti jedinica posmatranja obično se koristi Euklidova funkcija. Varijable su obično standardizovane pre izračunavanja udaljenosti da bi sve varijable bile u jednakom položaju. To znači da će aritmetička sredina za svaku varijablu biti jednaka nuli, a standardna devijacija jedinici. Na žalost, standardizacija ima i jedan negativan efekat, a to je što se na taj načini minimiziraju razlike između klastera. Neke klaster analize započinju sa izračunavanjem glavnih komponenti da bi se smanjio broj originalnih varijabli. Na ovaj način se smanjuje računski deo posla u klaster analizi ali se na taj način dobijaju i drugačiji rezultati. Danas se ipak analiza glavnih komponenti uglavnom izbegava zbog toga. 1) SEUCLID - SQUARED EUCLIDEAN DISTANCE - kvadrirana euklidova udaljenost. Udaljenost 2 objekta određuje se kao suma kvadriranih razlika vrednosti za svaku varijablu. Udaljenost (X,Y) = ( X Y ) i i 2 2) EUCLID - EUCLIDAN DISTANCE. Standardna euklidova udaljenost računa se kao kvadratni koren iz sume kvadriranih razlika vrednosti za svaku varijablu. 21

29 Udaljenost (X,Y) = ( X Y ) i i 2 3) COSINE - Kosinus vektora za dve varijable. Predstavlja meru sličnosti. Sličnost (X,Y) = k i ( X Y ) k k 2 i 2 i i i i ( X ) ( Y ) i 4) BLOCK - CITY-BLOCK ili MANHATTAN DISTANCE. Razlika između 2 objekta je izražena kao zbir apsolutnih razlika vrednosti za sve varijable. Udaljenost (X,Y) = X Y k i i i 5) CHEBYCHEV - Udaljenost između dva objekta je izražena kao maksimalna apsolutna razlika između dve vrednosti u bilo kojoj od varijabli. Udaljenost (X,Y) = MAX X i Y i 6) PEARSON CORRELATION - Pearsonov koeficijent korelacije između dva objekta koristi se kao mera sličnosti između dva objekta. Sličnost (X,Y) = k i ( z z ) X Y i N 1 7) MINKOWSKI DISTANCE - Udaljenost između dva objekta računa se kao p-ti koren sume apsolutnih razlika između svih parova vrednosti, stepenovanih na p-ti stepen za sve. Potrebno je definisati vrednost p. p Rastojanje (X,Y) = Xi Yi k i p 8) POWER (p.r) ili CUSTOMIZED. Udaljenost u domenu "apsolutne razlike". Udaljenost između dva objekta predstavlja r-ti koren iz zbira apsolutnih razlika između svih parova vrednosti stepenovanih na p-ti stepen. Potrebno je definisati vrednosti p i r.rastojanje r (X,Y) = X i Yi k i p 22

30 3. EKSPERIMENTALNI DEO 23

31 3.1. PRIBOR I APARATURA - ICP-OES ICAP 6000 (Thermo Scientific, Cambridge, UK) - vaga Metteler Toledo, AB204-S/A - aparat za dejonizovanu vodu - TKA MicroMed (TKA Wasseraufbereitungs systeme GmbH, Niederelbert, Germany) - automatske varijabilne pipete - ph metar (Hanna instruments, GmbH) - sušnica 3.2. REAGENSI - HNO3 p.a., Merck (KGaA, Darmstadt, Germany) - multi standard, Ultra scientific (North Kingstown, RI, USA) (30 elemenata, 20,00±0,10 ppm, osim P, K i Si 100,0±0,5 ppm i Ag 5,00±0,03 ppm, matriks je 2% HNO3 i tragovi vinske kiseline) - argon 5,0 (čistoće 99,999%) - dejonizovana voda (χ = 0,05 μs/cm) - puferski rastvori za kalibraciju, ph 4,00 i ph 7,00 (Hanna instruments) Posuđe za pripremu uzoraka je prano česmenskom vodom, rastvorom HCl (1:1) i dejonizovanom vodom LOKALITETI UZORKOVANJA Prilikom izrade ovog rada, uzorci zemljišta su prikupljeni na teritoriji grada Niša (Tabela ) tokom meseca maja godine. Zemljište na igralištima je uzorkovano u narušenom stanju, iz površinskog sloja do dubine od 10 cm. Uzorci zemljišta su uzimani sa mesta gde je zemljište ogoljeno, odnosno nema vegetacije jer je na takvim mestima najintezivniji kontakt dece sa zemljištem. Sa svakog lokaliteta uzeto je 10 subuzoraka sa površine oko 100 m 2, a reprezentativni uzorak dobijen je mešanjem odgovarajućih subuzoraka. Tabela Lokaliteti uzorkovanja zemljišta Uzorak Lokalitet 1 park Svetog Save 2 pored reke Nišave (blizu visećeg pešačkog mosta) 3 Ul. Milenka Stojkovića tzv. naselje Tri solitera (naselje Durlan) 4 Ul. Vojvode Mišića, pored Doma zdravlja 5 park Čair (igralište) 24