A talajkolloidok és szerepük

A talajkolloidok a talaj legaktívabb, legreaktívabb komponensei (< 1 µm) [5]. A talajban a szerves és az ásványi rész nem független egymástól, közöttük erősebb vagy lazább kapcsolat alakul ki. A kolloidális ásványi részecskék (oxidok, agyagásványok) a felületükhöz adszorbeálódó humuszanyaggal együttesen alkotják az ún. agyag-humusz komplexumot (organo-minerális komplex) [30]. Ezáltal megváltoznak a vizekben szuszpendált ásványi részecskék felületi tulajdonságai – a reaktív felületi helyek borítottakká válnak, elfedettek az agyagásvány és oxid részecskék közötti különbségek –, a részecske-részecske kölcsönhatások, a vizes szuszpenziók kolloid stabilitása növekszik [13], [21], [22]. Védőkolloidként a HS növeli az ásványi részecske koagulációval szembeni ellenállását [13], sztérikusan és elektrosztatikusan stabilizálja az ásványi komponenseket. A részecskék diszpergálhatósága növekszik, a

szuszpenziók elektrolitérzékenysége jelentősen csökken [21], ami hatással van a felszíni vizek lebegőanyagtartalmára, üledékképződésre, a talajok szerkezetére, erodáltságára, az ásványi részek mobilitására [11]. A természetes vizekben oldott HS-nak az ásványi részecskékre kifejtett diszpergáló hatása nagyon fontos a környezeti folyamatok szempontjából [22].

A talajkolloidok nagy fajlagos felülete (800-900 m²/g) a felületi/határfelületi jelenségeknek meghatározó szerepet kölcsönöz [31]. Az agyagásványok és a humuszanyagok töltése túlnyomóan negatív, így rajtuk a kationadszorpció az uralkodó folyamat [19], [20], [32].

Negatív töltésű felület akkor alakul ki, ha

ƒ izomorf szubsztitúcióval az agyagásványokba a helyettesítendőnél kisebb vegyértékű fémion épül be,

ƒ az agyagásványok, oxidok (Fe-, Al-oxidok) törésfelületein és az éleken lévő SiOH-, AlOH-, FeOH-csoportok disszociálnak,

ƒ a huminsavak karboxil- és fenolos OH-csoportjai disszociálnak.

Az izomorf szubsztitúcióval a kristály lapjain állandó töltés, míg disszociációval pH-függő töltés jön létre. Ez a töltésbeli heterogenitás irányítja vizes szuszpenziókban a részecskék közötti kölcsönhatásokat [19], [33]. A vas- és alumínium-oxid hidroxidjai amfoterek, gyengén lúgos közegben protont adnak le, savas közegben protont vesznek fel.

A humuszanyagok polielektrolit jellegű, kémiailag kötött, disszociábilis funkciós csoportokat tartalmazó, töltéssel rendelkező makromolekulák [34], [21]. A FA és HA agyagásványokkal/oxidokkal való kölcsönhatását a pH és az ionerősség lényegesen befolyásolja [21]. A HS töltés- és kolloid állapota (konformáció, aggregáció, határfelületi felhalmozódás) a funkciós csoportok minőségétől, mennyiségétől, a vizes oldat összetételétől, elsősorban annak pH-jától, ionerősségétől, a specifikus ionok (minőség és töltés) és szilárd részecskék jelenlététől függően változik. A HS kolloid tulajdonságait vizes közegben alapvetően a térhálós szénváz savas funkciós csoportjainak disszociációjával kialakuló elektrosztatikus tér határozza meg. A nanorészecskék töltött térrészei közötti taszítás csökken (ezáltal a HS adszorpciója nő), ha csökken a pH és nő a töltéseket árnyékoló elektrolitok koncentrációja. A pH növekedésével, kicsi elektrolitkoncentrációnál fokozódik a HS disszociációja, a töltések kevésbé árnyékoltak, a negatívan töltött helyek erős taszítása (elektrosztatikai gátlás) miatt azok egymástól a lehető legtávolabb helyezkednek el, így a humátegységek kinyílnak [21]. Ám játszódik le adszorpció erősen lúgos pH-n is, ami bizonyítja, hogy az elektrosztatikus kölcsönhatáson kívül más mechanizmusok is működnek [21]. Ilyen a felületi aktív helyek – agyagásványok esetén elsősorban az oktaéderes Al-OH

helyek, oxidoknál a kristályrács adott felületi fémionjaihoz kötött Me-OH helyek – komplexálása, felületi komplexek képződése [11]. Al-oxidon a nulla töltéspont (p.z.c.) körüli és annál nagyobb pH-kon az adszorpció domináns mechanizmusa a humátanionok felületi Al-OH helyekkel való komplexálása [21]. Felületi komplexálás esetén az adszorpció mértéke az adszorbensek felületén hozzáférhető aktív helyek mennyiségétől és kémiai tulajdonságaitól függ. A p.z.c.-nél kisebb pH-kon az Al-OH helyek protonálódnak, csökkenő pH-val növekszik a részecskék pozitív felületi töltéssűrűsége, a pozitív potenciálú lokális elektroszta-tikus tér vonzza az ellentétes töltésű humátionokat, így savas pH-n jelentős az adszorpciójuk.

Az adszorpció mellett a közeg pH-jától és ionerősségétől, valamint a humuszmolekulák méretétől és funkcióscsoport-gazdagságától függő mértékben lejátszódik a HS fázisszeparációja is. Bármely tényező, ami a humuszmolekulák hidrofilitását – elsősorban a funkciós csoportok disszociációjának visszaszorítása révén – csökkenti, fázisszeparációt idézhet elő és a már vízben nem oldódó hidrofób humusz-nanorészecskékből kolloid diszperzió képződik. A töltésárnyéko-lás, valamint töltés semlegesítés hatására létrejött liofób állapot aggregálódást (koaguláció) eredményez. Elősegíti a kolloid vagy durva diszperzió képződését a pH csökkentése és a sókon-centráció növelése. A koagulációhoz szükséges sókonsókon-centráció változik a pH-val. A fázis-szeparáció és az oldódás, valamint az aggregáció és diszpergálódás reverzibilis folyamatok.

A talajból a talajvízbe kioldódó humuszanyagok kolloid oldatot képeznek, az oldott szerves szén (DOC) jelentős részét alkotják [35], [36]. A talajszennyezők környezeti eloszlását ez a frakció is erősen befolyásolja. A HS önrendeződése révén szerkezetében különböző méretű üregek alakulnak ki, amelyek képesek visszatartani szerves molekulákat (pl. peszticideket), szervetlen vegyületeket (pl. fémsókat) [21], [22], [28]. Ez a jelenség a szolubilizáció.

A humusz molekulák expanziójakor a szennyeződések ismét felszabadulhatnak [22]. Azzal, hogy a talajban található szerves anyagok a talaj biológiai aktivitását, valamint kémiai és fizikai tulajdonságait jelentősen befolyásolják, hatást gyakorolnak a növényvédőszerek mozgására, perzisztenciájára, átalakulási folyamataira is.

A talaj szerves anyagai és a szervetlen kolloidok többféle módon is kölcsönhatásba kerülhet-nek a növényvédőszerekkel. Mint kolloidok, felületükön képesek jelentős mennyiségű apoláris, illetve poláris anyagot megkötni. A HS karboxil- és fenolos hidroxil-csoportjai disszociálva kationok, amino-csoportjai protonálódva anionok megkötésére képesek. A különböző tulajdon-ságú csoportok együttesen is kölcsönhatásba léphetnek a többféle tulajdontulajdon-ságú molekularészt tartalmazó növényvédőszer molekulákkal. Még erősebb kötődést eredményező komplexek alakulhatnak ki koordinatív, illetve hidrogénhíd-kötések létrejöttével. Lehetséges a peszticid molekula beépülése a humuszmolekulába kovalens kötésekkel is [37]. A szer mind az oldott,

mind a talajon kötött HS-al képes kölcsönhatásba lépni, e két fázisban jelenlévő különböző humusanyagok versengenek egymással a szerves szennyezőkért [13]. Az első folyamat csökkenti, a második növeli a növényvédőszer talaj-víz közötti megoszlását.

2.2.2.3.1. Asszociációs kolloidok

Az asszociációs kolloidok a kolloidok azon csoportját jelentik, amelyben az amfifil molekulák – megfelelő oldószerben és körülmények között – az oldatban önrendeződéssel szubmikroszkópos méretű egységeket, micellákat alkotnak. Ide tartoznak a felületaktív anyagok [2]. Ha kis koncentrációban vannak jelen, a felületen vagy a határfelületen monomolekulás réteget eredményező, erős, irányított adszorpciójukat nevezzük felületaktivitásnak [38], amelynek következtében felületi feszültség csökkentő hatásúak [11]. A felületaktív anyagokat gyakran technológiai alkalmazásuknak megfelelően nevezik el, például ilyen elnevezés a mosószer (detergens), a nedvesítőszer, az emulgeátor vagy a diszpergálószer [38].

A felületaktív anyagok híg oldatban mutatott számos fizikai tulajdonsága (pl. turbiditás, ozmózisnyomás, elektromos vezetés, felületi feszültség) egy viszonylag jól definiált koncentrá-ciónál hirtelen megváltozik [38]. Ez a viselkedés a felületaktív anyagból rendezett aggregátu-mok (micellák) létrejöttével értelmezhető. Az a koncentráció, ami felett a micellaképződés jelentőssé válik, a kritikus micellaképződési koncentráció (c.m.c.). Az aggregáció spontán folyamat, a szabadenergia csökkenésével jár (Hardy-Harkins elvnek megfelelő elrendeződés), a felületaktív anyag oldatának határfelületi energiáját csökkenti [38]. Az asszociáció fokát a koncentráció és a hőmérséklet mellett a molekulatömeg, kémiai szerkezet, pH, oldószer is befolyásolja. Molekulaszerkezet alapján megkülönböztetünk anionaktív, kationaktív, nemionos és amfoter asszociációs kolloidokat. A nemionos felületaktív anyagok molekulái 1000-nél is nagyobb tagszámú asszociációt képezhetnek, míg az ionos részecskék a fejcsoportok elektrosz-tatikus taszítása miatt csak 10-100-as tagszámú csoportokat hoznak létre [31]. Gyakran a micellák polidiszperz együttest alkotnak, s alakjuk a koncentrációval változik. Ha az apoláris rész mérete nő, az asszociációs hajlam is növekszik poláris oldószerben, ugyanis az apoláris részek inkább egymással kerülnek kölcsönhatásba, mint a poláris molekulákkal [8], [38]. Oldott elektrolit mennyiségének növelése csökkenti a c.m.c.-t.

A HS a felületaktív anyagokkal analóg módon – hiszen a térhálós humuszmolekula hidrofil és hidrofób tulajdonságokkal egyaránt bír – képes asszociátumok, micellák képzésére [21].

A HS c.m.c. értéke 5-10 g/l [12]. A hidrofób és a gyengén poláris szennyezők előnyben részesí-tik a talajbeli szerves anyaggal kialakított kölcsönhatást, legyen az akár a talaj folyadék, akár

jelenlévő peszticidek oldhatóságát növelni és ezáltal adszorpciójukat csökkenteni [36], [39].

A szennyező molekula és az oldott szerves anyag asszociátumot alkot [40], [41]. Látszólagosan a micellába zárt szerves szennyező oldhatósága növekszik, azaz szolubilizálódik.

A micellaképzés stabilizálja a szennyezőket, segítheti transzportjukat [42].