Records of metals in bryophytes emitted from ash clouds of thermal power plants: A case study of Orhaneli, Bursa, Türkiye

Abstract

Most of the world's energy production still comes from fossil fuels such as coal and lignite. Thermal power plants that produce energy using these resources have the potential to cause serious damage to the environment due to the heavy metals and other pollutants they release into the atmosphere. This study investigates the accumulation of heavy metals in fly ash clouds from a thermal power plant in Orhaneli, Bursa in the tissues of Hypnum cupressiforme Hedw. and Homalothecium sericeum (Hedw.) Schimp. Within the scope of the study, ICP-OES analyses were performed on moss and rock samples taken from five different sampling sites around the thermal power plant. Bioconcentration Factor (BCF) was calculated based on Pb, Cr, Cd, Ni, Ni, Co, Cu, Hg and As concentrations. The results showed that there was no accumulation of Hg and As, bioaccumulation for Cd, Fe and Cu was observed in only one station, but the average BCF values for these metals were below 1. In contrast, the BCF levels of Cr and Pb were found to be quite high, with mean values of 60.26 and 1.54, respectively. These results suggest that mosses can be used as effective biological indicators for heavy metal accumulation. It is also emphasized that regular monitoring of air quality and mitigation of environmental risks are vital for the health of the inhabitants of the region.

Keywords

• Moss
• Heavy metal
• Atmospheric pollution
• Thermal power plant
• Biomonitoring

Termik santrallerin kül bulutlarından salınan metallerin bryofitlerdeki kayıtları: Orhaneli, Bursa, Türkiye Örneği

Öz

Dünya enerji üretiminin hala büyük bir kısmı kömür ve linyit gibi fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Bu kaynakları kullanarak enerji üreten termik santraller, atmosfere saldıkları ağır metaller ve diğer kirleticiler nedeniyle çevreye ciddi zarar verme potansiyeline sahiptir. Bu çalışma, Bursa Orhaneli'ndeki bir termik santralden kaynaklanan uçucu kül bulutlarındaki ağır metallerin Hypnum cupressiforme Hedw. ve Homalothecium sericeum (Hedw.) Schimp. türü karayosunlarının dokularında birikimini incelemektedir. Araştırma kapsamında, termik santral çevresinde belirlenen beş farklı örnekleme sahasından alınan karayosunu ve kaya örnekleri üzerinde ICP-OES analizleri gerçekleştirilmiştir. Pb, Cr, Cd, Ni, Co, Cu, Hg ve As konsantrasyonlarına dayanarak Biyokonsantrasyon Faktörü (BCF) hesaplanmıştır. Bulgular, Hg ve As birikiminin olmadığını, Cd, Fe ve Cu için biyoakümülasyonun yalnızca bir istasyonda gözlemlendiğini, ancak bu metallerin ortalama BCF değerlerinin 1'in altında kaldığını göstermiştir. Buna karşın, Cr ve Pb'nin BCF seviyeleri oldukça yüksek bulunmuş ve ortalama değerleri sırasıyla 60,26 ve 1,54 olarak tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, karayosunlarının ağır metal birikimi için etkili biyolojik indikatörler olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca, bölgede yaşayanların sağlığı için hava kalitesinin düzenli izlenmesinin ve çevresel risklerin azaltılmasının hayati önem taşıdığı vurgulanmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• karayosunu
• ağır metal
• atmosferik kirlilik
• termik santral
• biyoizleme

Kaynakça

1. Atlas, G. W. (2021). Global wind atlas 3.0. Technical University of Denmark (DTU).
2. Baba, A. (2000). Leaching characteristics of wastes from Kemerkoy (Mugla-Turkey) Power Plant. Global Nest Journal, 2(1), 51–57. https://doi.org/10.30955/gnj.000146
3. Baba, A., Kaya, A. (2004). Leaching characteristics of solid wastes from thermal power plants of western Turkey and comprasion of toxicity methodologies, Journal of Environmental Management, 73, 199-207. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2004.06.005
4. Bačeva, K., Stafilov, T., Šajn, R., & Tănăselia, C. (2012). Moss biomonitoring of air pollution with heavy metals in the vicinity of a ferronickel smelter plant. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 47(4), 645-656. https://doi.org/10.1080/10934529.2012.650587
5. Batan, N., Özdemir, T., Saralıoğlu, E., Akçay, N., & Mendil, D. (2021). Determination of heavy metal levels in some moss samples collected from near the highways in Burdur Province. Anatolian Bryology, 7(1), 33-43. https://doi.org/10.26672/anatolianbryology.891979
6. Berg, T., & Steinnes, E. (1997). Use of mosses (Hylocomium splendens and Pleurozium schreberi) as biomonitors of heavy metal deposition: from relative to absolute deposition values. Environmental Pollution, 98(1), 61-71. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(97)00103-6
7. Berg, T., Røyset, O., & Steinnes, E. (1995). Moss (Hylocomium splendens) used as biomonitor of atmospheric trace element deposition: estimation of uptake efficiencies. Atmospheric Environment, 29(3), 353-360. https://doi.org/10.1016/1352-2310(94)00259-N
8. Borchert, H., & Uzkut, İ. (1967). Harmancık (Bursa İli) kuzeybatısındaki krom cevheri yatakları. Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 68(68), 49-63.

9. Cadar, E., Sirbu, R., Pirjol, B. S. N., Ionescu, A. M., & Pirjol, T. N. (2019). Heavy metals bioaccumulation capacity on marine algae biomass from Romanian Black Sea Coast. Revista de Chimie (Bucharest), 70(8), 3065-3072. https://doi.org/10.37358/RC.19.8.7489
10. Coskun, M., Steinnes, E., Coskun, M., & Cayir, A. (2009). Comparison of epigeic moss (Hypnum cupressiforme) and lichen (Cladonia rangiformis) as biomonitor species of atmospheric metal deposition. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 82, 1-5. https://doi.org/10.1007/s00128-008-9491-9
11. Ćujić, M., Dragović, S., Sabovljević, M., Slavković-Beškoski, L., Kilibarda, M., Savović, J., & Onjia, A. (2014). Use of mosses as biomonitors of major, minor and trace element deposition around the largest thermal power plant in Serbia. Clean, 42, 5–11. https://doi.org/10.1002/clen.201100656
12. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü (ÇŞİDB). (2023). İllerimize ait genel istatistik verileri (1927-2022). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx
13. Doğrul, A. (2007). Kocaeli ili çevresinde atmosferik ağır metal çökeliminin liken ve karayosunu analizi yöntemiyle belirlenmesi (Yayın Numarası. 232693) [Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi]. Yükseköğretim Kurulu Başkanlığı Tez Merkezi Açık Erişim Sistemi.
14. Elkoca, E. (2003). Hava kirliliği ve bitkiler üzerindeki etkileri. Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 34(4), 367-374.
15. Erginal, A. E., Türkeş, M., Ertek, T. A., Baba, A., & Bayrakdar, C. (2008). Geomorphological investigation of the excavation-induced dündar landslide, Bursa—Turkey. Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography, 90(2), 109-123. https://doi.org/10.1111/j.1468-0459.2008.00159.x
16. Esenlik, S., Karayigit, A. I., Bulut, Y., Querol, X., Alastuey, A., & Font, O. (2006). Element behaviour during combustion in coal-fired Orhaneli Power Plant, Bursa-Turkey. Geologica Acta, 4(4), 439-454. https://doi.org/10.1344/105.000000345
17. Grodzińska, K., & Szarek-Łukaszewska, G. (2001). Response of mosses to the heavy metal deposition in Poland—an overview. Environmental Pollution, 114(3), 443-451. https://doi.org/10.1016/s0269-7491(00)00227-x
18. Gür, F. (2006). Batı Anadolu termik santralleri çevresinde radyoaktif ve ağır metal kirliliğinin biyomonitörlerle saptanması (Yayın Numrası. 182898) [Doktora tezi, Ege Üniversitesi]. Yükseköğretim Kurulu Başkanlığı Tez Merkezi Açık Erişim Sistemi.
19. Haktanır, K., Sözüdoğru Ok, S. Karaca, A., Arcak, S., Çimen, F., Topçuoğlu, B., Türkmen, C., & Yıldız, H. (2010). Muğla-Yatağan termik santrali emisyonlarının etkisinde kalan tarım ve orman topraklarının kirlilik veri tabanının oluşturulması ve emisyonların vejetasyona etkilerinin araştırılması. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 2(1), 13-30. https://doi.org/10.1501/Csaum_0000000022
20. Jiang, Y., Fan, M., Hu, R., Zhao, J., & Wu, Y. (2018). Mosses are better than leaves of vascular plants in monitoring atmospheric heavy metal pollution in urban areas. International Journal of Environmental Research and Public Health, 15(6), 1105. https://doi.org/10.3390/ijerph15061105
21. Kürschner, H. & Frey, W. (2020). Liverworts, mosses and hornworts of Southwest Asia (Marchantiophyta, Bryophyta, Anthocerotophyta) second enlarged and revised edition. J. Cramer in Borntraeger Science Publishers.
22. Lippo, H., Poikolainen, J., & Kubin, E. (1995). The use of moss, lichen and pine bark in the nationwide monitoring of atmospheric heavy metal deposition in Finland. Water, Air, and Soil Pollution, 85, 2241-2246. https://doi.org/10.1007/BF01186167
23. Macedo-Miranda, G., Avila-Pérez, P., Gil-Vargas, P., Zarazúa, G., Sánchez-Meza, J. C., Zepeda-Gómez, C., & Tejeda, S. (2016). Accumulation of heavy metals in mosses: a biomonitoring study. SpringerPlus, 5(1), 715. https://doi.org/doi:10.1186/s40064-016-2524-7
24. Maxhuni, A., Lazo, P., Kane, S., Qarri, F., Marku, E., & Harmens, H. (2016). First survey of atmospheric heavy metal deposition in Kosovo using moss biomonitoring. Environmental Science and Pollution Research, 23, 744-755. https://doi.org/10.1007/s11356-015-5257-1
25. Menteşe, S., & Böbrek, O. (2020). Madencilik faaliyetlerinin topraktaki ağır metaller (as, cd, co, fe ve nı) üzerine etkisi: Orhaneli ve Büyükorhan (Bursa) örneği. Ege Coğrafya Dergisi, 29(1), 45-56.
26. NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health). (2007). Pocket guide to chemical hazards. https://www.cdc.gov/niosh/npg/default.html
27. Olajire, A. A. (1998). A survey of heavy metal deposition in Nigeria using the moss monitoring method. Environment In ternational, 24(8), 951-958. https://doi.org/10.1016/S0160-4120(98)00078-6
28. Ölgen, M., & Gür, F. (2012). Yatağan termik santrali çevresinden toplanan likenlerde (Xanthoria parietina) saptanan ağır metal kirliliğinin coğrafi dağılışı. Türk Coğrafya Dergisi, (57), 43-54. https://doi.org/10.17211/tcd.48360
29. Ören, M., Koçak, G., & Çabuk, H. (2021). Zonguldak Çatalağzı bölgesinde bazı atmosferik polisiklik aromatik hidrokarbonların ve iz elementlerin karayosunları kullanılarak araştırılması. Anatolian Bryology, 7(1), 44-52. https://doi.org/10.26672/anatolianbryology.892981
30. Pala, K., Türkkan, A., Gerçek, H., Osman, E., & Aytekin, H. (2012). Evaluation of respiratory functions of residents around the Orhaneli thermal power plant in Turkey. Asia Pacific Journal of Public Health, 24(1), 48-57. https://doi.org/10.1177/1010539510363622
31. Phetsombat, S., Kruatrachue, M., Pokethitiyook, P., & Upatham, S. (2006). Toxicity and bioaccumulation of cadmium and lead in Salvinia cucullata. Journal of Environmental Biology, 27(4), 645-652. Rühling, Å., & Tyler, G. (1973). Heavy metal deposition in Scandinavia. Water, Air, and Soil Pollution, 2, 445-455. https://doi.org/10.1007/BF00585089
32. Sabovljević, M. S., Weidinger, M., Sabovljević, A. D., Stanković, J., Adlassnig, W., & Lang, I. (2020). Metal accumulation in the acrocarp moss Atrichum undulatum under controlled conditions. Environmental Pollution, 256, 113397. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113397
33. Sabovljevic´, M., Vukojevic´, V., Sabovljevic´, A., Mihajlovic´, N., Drazˇi´c, G., & Vucˇinic´, Z. (2007). Determination of Heavy Metal Deposition in the County of Obrenovac (Serbia) Using Mosses as Bioindicators, III. Copper (Cu), Iron (Fe), and Mercury (Hg). Archives of Biological Sciences, 59 (4), 351–361. http://dx.doi.org/10.2298/ABS0704351S
34. Sarifakioğlu, E., Özen, H., & Winchester, J. A. (2009). Whole rock and mineral chemistry of ultramafic-mafic cumulates from the Orhaneli (Bursa) ophiolite, NW Anatolia. Turkish Journal of Earth Sciences, 18(1), 55-83. https://doi.org/10.3906/yer-0806-8
35. Sekabira, K., Origa, H. O., Basamba, T. A., Mutumba, G., & Kakudidi, E. (2011). Application of algae in biomonitoring and phytoextraction of heavy metals contamination in urban stream water. International Journal of Environmental Science & Technology, 8, 115-128. https://doi.org/10.1007/BF03326201 Smith AJE (2004). The Moss Flora of Britain and Ireland, 2nd ed. Cambridge University Press.
36. Świsłowski, P., Nowak, A., & Rajfur, M. (2024). Significance of moss pretreatments in active biomonitoring surveys. International Journal of Phytoremediation, 26(3), 304-313. https://doi.org/10.1080/15226514.2023.2241583
37. Taşoğlu, E., Öztürk, M.Z., & Yazıcı, Ö. (2024). High Resolution Köppen-Geiger Climate Zones of Türkiye. International Journal of Climatology. (ın press).
38. Tonguç, Ö. (1998). Determination of heavy metal levels in some moss species around thermic power stations. Turkish Journal of Biology, 22(2), 171-180.
39. TUIK (Türkish Statistical Institute). (2022). Katı Yakıtların Teslimat Yerlerine Göre Dağılımı. https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Kati-Yakitlar-Aralik-2022-49693
40. TUIK (Türkish Statistical Institute). (2024). Enerji Kaynaklarına Göre Elektrik Enerjisi Üretimi ve Payları. https://data.tuik.gov.tr/Kategori/GetKategori?p=Cevre-ve-Enerji-103
41. Tuncel, S. G., & Yenisoy-Karakaş, S. (2003, 10-12 Eylül). Ege Bölgesi’nde kirlilik kaynaklı metallerin coğrafik dağılımı. Yanma ve Hava Kirliliği Kontrolü VI. Ulusal Sempozyumu, İzmir, 358-368.
42. Türkan, I., Henden, E., Çelik, Ü., & Kivilcim, S. (1995). Comparison of moss and bark samples as biomonitors of heavy metals in a highly industrialised area in Izmir, Turkey. Science of the Total Environment, 166(1-3), 61-67. https://doi.org/10.1016/0048-9697(95)04518-6.
43. Ugur, A., Özden, B., Saç, M. M., Yener, G., Altinbaş, Ü., Kurucu, Y., & Bolca, M. (2004). Lichens and mosses for correlation between trace elements and 210 Po in the areas near coal-fired power plant at Yatağan, Turkey. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 259, 87-92. https://doi.org/10.1023/B:JRNC.0000015811.68036.69
44. Uğuz, U. (2007). Karabük Demir-Çelik İşletmeleri (Kardemir)’in çevrede oluşturduğu ağır metal birikiminin biyomonitör olan karayosunları (mosses) üzerinden araştırılması (Yayın Numarası. 199806) [Doktora tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi]. Yükseköğretim Kurulu Başkanlığı Tez Merkezi Açık Erişim Sistemi.
45. USEPA (United States Environmental Protection Agency). (1987). Cadmium Quantitative Estimate of Carcinogenic Risk from Inhalation Exposure. https://iris.epa.gov/ChemicalLanding/&substance_nmbr=141
46. USEPA (United States Environmental Protection Agency). (2006). Air Quality Criteria for Lead: Volume I and II (2006). https://cfpub.epa.gov/ncea/risk/recordisplay.cfm?deid=158823
47. USEPA (United States Environmental Protection Agency). (2024). Chromium Quantitative Estimate of Carcinogenic Risk from Inhalation Exposure. https://iris.epa.gov/ChemicalLanding/&substance_nmbr=144
48. Uyar, G., Ören, Muhammet., Yildirim, Y., & Ince, M. (2007). Mosses as indıcators of atmospheric heavy metal deposition around a coal-fired power plant in Turkey. Fresenius Environmental Bulletin, 16 (2), 182-192.
49. Uyar, G., Yıldırım, Y., & Ören, M. (2005). Çatalağzı Termik Santrali ve Ereğli Demir Çelik işletmelerinin çevrede oluşturdukları ağır metal birikiminin biyomonitör olan karayosunları üzerinden araştırılması. TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi, Proje No: TBAG-2202 (102T100).
50. Uysal, I., Akmaz, R. M., Kapsiotis, A., Demir, Y., Saka, S., Avcı, E., & Müller, D. (2015). Genesis and geodynamic significance of chromitites from the Orhaneli and Harmancık ophiolites (Bursa, NW Turkey) as evidenced by mineralogical and compositional data. Ore Geology Reviews, 65(1), 26-41. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2014.08.006
51. Varela, Z., Fernández, J. A., Real, C., Carballeira, A., & Aboal, J. R. (2015). Influence of the physicochemical characteristics of pollutants on their uptake in moss. Atmospheric Environment, 102, 130-135. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2014.11.061
52. Wolterbeek, B. (2002). Biomonitoring of trace element air pollution: principles, possibilities and perspectives. Environmental Pollution, 120(1), 11-21. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(02)00124-0 Yayıntaş, Ö., & Yayıntaş, A.N. (2001). Tohumsuz bitkiler sistematiği II. Niğde Üniversitesi Yayınevi.
53. Zechmeister, H. G. (1998). Annual growth of four pleurocarpous moss species and their applicability for biomonitoring heavy metals. Environmental Monitoring and Assessment, 52, 441-451. https://doi.org/10.1023/A:1005843032625
54. Zhang, M., Cui, L., Sheng, L., & Wang, Y. (2009). Distribution and enrichment of heavy metals among sediments, water body and plants in Hengshuihu Wetland of Northern China. Ecological Engineering, 35(4), 563-569. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.05.012