CC BY
20
УДК 551.510.42, 614.715
© К.С. Голохваст, А.Н. Куприянов, Ю.А. Манаков, В.В. Чайка, Е.А. Филонова, Ю.А. Васянович, И.Г. Лисицкая, А.В. Кирьянов, В.А. Дрозд, А.И. Агошков, 2014
ЭКОЛОГО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТАВА СНЕГА ВБЛИЗИ КРУПНОГО УГОЛЬНОГО КЛАСТЕРА*
Приведены результаты исследования частиц из атмосферных взвесей, содержавшихся в снеге, собранном в 7 точках в районе Караканского угольного кластера (Кемеровская область) зимой 2014 года. В одной точке отбора показано наличие двух наноразмерных фракций (10—20 нм и 50-700 нм) в доле 34%, расположенных между угольными разрезами и технологическими дорогами. Площадь поверхности частиц, обнаруженных в этих двух точках отбора достигает 134844 см2/см3. В 5 из 7 точек отбора в районе Караканского угольного кластера обнаружено повышенное содержание микрочастиц (1-20 мкм) в долях от 12 до 71%. Эти частицы несут на своей поверхности большое количество опасных соединений, в том числе редкоземельных элементов (Ce, Ш, Pr, La). Стоит считать, что нано- и микроразмерное загрязнение атмосферы данного региона носит техногенный характер.
Ключевые слова: атмосферные взвеси, микрочастицы, техногенное загрязнение, Кузбасс.
Как известно угольная промышленность несмотря на важную экономическую роль является одной из самых экологически опасных (Ярош, 2008; Исаков, 2009; Тимофеева, Карпова, 2013).
Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) — один из самых крупных угольных месторождений мира, расположенный на юге Западной Сибири. Наиболее сложные экологические условия складываются на территории Караканского угольного кластера. Здесь уголь добывается открытым способом, породы вскрыши и уголь транспортируются на угольные склады автомобильным транспортом, кроме того, производится экскаваторная погрузка угля в железнодорожные вагоны.
* Работа выполнена при поддержке Научного Фонда ДВФУ, Министерства образования и науки Российской Федерации (№ 14.594.21.0006).
Нами уже на протяжении нескольких лет ведется мониторинг загрязнения в районе Караканского кластера (Голохваст и др., 2014).
В данной работе приводятся результаты исследования проб, собранных зимой 2014 года.
Методы
Караканский угольный кластер находится в северовосточной части Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса, в 35 км от города Белово. Занимает северо-западную часть Караканской синклинали Караканского месторождения. Точки отбирались в 7 разных метах (табл. 1).
Таблица 1
Станции отбора проб
Караканский угольный кластер
1 Окраина с. Евтюхово, за кладбищем в березняке
2 Возле с. Караканы, технологическая дорога, обочина
3 Возле Дунаевского разреза, между технологическими дорогами,
4 Между Дунаевским и Пермяковским разрезами, целина.
5 Между восточным склоном Караканского хребта и с. Пермяки. Контроль 1
6 Село Пермяки, восточная окраина за селом
7 Дорога на Новохудяково, 1,5 км от с. Пермяки, за лесом. Контроль 2
Снег собирался в момент снегопада зимой 2014 года. Чтобы исключить вторичное загрязнение антропогенными аэрозолями, был собран верхний слой (5-10 см) только что выпавшего снега. Его помещали в стерильные контейнеры объемом 3 л. Когда снег в контейнерах растаял, из каждого образца набирали 60 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Fritsch Analysette 22 NanoTec plus.
Вещественный анализ взвесей проводили на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N c энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) Thermo Scientific. Образцы для электронной микроскопии напылялись платиной.
Результаты
Гранулометрические характеристики фракций частиц приводятся в табл. 2.
Более детальные физические характеристики частиц взвеси, обнаруженных в снеге, которые также получены с помощью лазерного анализатора, приведены ниже (табл. 3).
Фракционный состав частиц, обнаруженных в снеге
0, мкм 1 2 3 4 5 6 7
менее 1 0,15-0,2 5% 0,01-0,02 4%
0,05-0,7 30%
1—10 4-6 6% 2-2,5 2% 1-20 66% 4-7 6% 5-6 2% 1-70 100% 2-3 2%
7-12 65% 4-6 10% 4-9 10%
7-8 8%
10 — 50 13-20 29% 10-13 18% 9-13 10% 10-12 2% 10-40 40%
18-22 13% 15-22 19% 18-20 2%
25-32 15% 25-32 18% 25-30 4%
50—100 45-70 32% 50-80 32% 50-60 4% 50-150 48%
100—400 150-200 15%
400—700
более 700 800-1000 76%
Морфометрический состав частиц, обнаруженных в снеге
Параметры /район 1 2 3 4 5 6 7
Средний арифметический диаметр, мкм 10,25 27,64 4,45 49,11 839,92 13,76 46,21
Мода, мкм 8,35 57,55 7,47 66,76 1003,38 10,05 80,38
Медиана, мкм 9,07 20,94 3,61 30,23 957,85 10,55 31,13
Отклонение, мкм2 11,44 441,78 19,01 1981,33 97716,22 106,01 1154,6
Среднеквадратичное отклонение, мкм 3,38 21,02 4,36 44,51 312,6 10,3 33,98
Коэффициент отклонения, % 32,98 76,04 95,84 90,62 37,21 74,81 73,52
Удельная поверхность, см2/см3 6453,56 17894,48 134844 2684,1 431,52 7013,44 3065,68
Рис. 1. Угольные (темно-серые) и алюмо-силикатные (светло-серые) частицы из образца снега, собранных между технологическими дорогами (станция 3). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах. Измерительный отрезок — 30 мкм
а
б
Рис. 2: а — угольная частица (моноцит?), содержащая Ce, Ш, Pr, La из образца снега, собранных в районе технологической дороги (точка 2). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах; б — спектр
Как видно из табл. 2 и 3 самые опасные размерные фракции частиц взвесей находятся в районе технологических дорог. Здесь в этом году отмечена фракция наночастиц — от 10 до 700 нм в опасной для здоровья доле — 34%. Остальные (66%) относятся к размерной фракции 1-20 мкм (рис. 1).
Эти частицы кроме малого размера обладают соответственно и крайне высокой площадью поверхности — до 134844 см2/см3.
Такие частицы, как свидетельствует электронная микроскопия, несут на своей поверхности большое количество опасных соединений, в том числе редкоземельных элементов (рис. 1).
Обсуждение результатов
Как можно отметить, на протяжении всех лет мониторинга (Голохваст и др., 2014) в районе добычи угля (Караканский кластер) наблюдается взвесь частиц опасных размерных форм (начиная от 10 нм).
В состав таких и более крупных частиц нередко входят редкоземельные элементы с опасными для здоровья людей или малоиз-
вестными свойствами (Guo et al., 2013). Как известно, редкоземельные минералы вызывают ряд профессиональных заболеваний, например, пневмокониозы (Rim et al., 2013; Zhang et al., 2014).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голохваст К.С., Куприянов А.Н., Манаков Ю.А., Чекрыжов И.Ю., Нагорнова Н.А. Анализ атмосферных взвесей Караканского угольного кластера Кузбасса // Медицина труда и промышленная экология. — 2014. № 2. С. 20-23.
2. Исаков Р.Р. Обоснование методики оценки условий труда горнорабочих поверхностного комплекса шахт и карьеров Севера: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2009. 20 с.
3. Тимофеева С.С., Карпова И.А. Оценка пылевой нагрузки на окружающую среду основных технологических процессов при добыче бурых углей на разрезе «Мугунский» // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2013. — № 9(80). — С. 113-118.
4. Ярош А.С. Разработка способа и средства оперативного контроля запыленности воздуха в горных выработках угольных шахт: дис.... канд. техн. наук. Москва, 2008. 157 с.
5. Guo, F., He, F., Xiu, M., Lou, Y.-L., Xie, A., Liu, F., Li, G.-H. Regulatory effects of lanthanum chloride on the activation of nuclear factor kappa B inhibitor kinase beta induced by tumor necrosis factor alpha // Chinese Journal of Burns. — 2013. — Vol. 29, Issue 6. — P. 531-536.
6. Rim K.T., Koo K.H., Park J.S. Toxicological evaluations of rare earths and their health impacts to workers: a literature review // Saf. Health Work. 2013. Vol.4, № 1. P.12-26.
7. Zhang D.-Y., ShenX.-Y., Ruan Q., Xu X.-L., Yang S.-P., Lu Y., Xu H.-Y., Hao F.-L. Effects of subchronic samarium exposure on the histopathological structure and apoptosis regulation in mouse testis // Environmental Toxicology and Pharmacology. — 2014. — Vol. 37, Issue 2. — P. 505-512.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Голохваст Кирилл Сергеевич — кандидат биологических наук, доцент, [email protected],
Чайка Владимир Викторович — кандидат биологических наук, [email protected],
Васянович Юрий Анатольевич — доктор технических наук, [email protected],
Лисицкая Ирина Георгиевна — ведущий инженер, [email protected], Кирьянов Алексей Валерьевич — начальник отдела развития, [email protected],
Дрозд Владимир Александрович — магистрант, [email protected],
Агошков Александр Иванович — профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой, [email protected],
Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, Филонова Екатерина Александровна — начальник Административного департамента, [email protected], Дальневосточный федеральный университет,
Куприянов Андрей Николаевич — профессор, доктор биологических наук, заведующий отделом «Кузбасский ботанический сад», [email protected], Манаков Юрий Александрович — профессор, доктор биологических наук, заведующий лабораторией промышленной ботаники, [email protected], Институт экологии человека СО РАН.
UDC 551.510.42, 614.715
ECOLOGICAL AND CHEMICAL ANALYSIS COMPOSITION OF SNOW NEAR MAJOR COAL CLUSTER
Golohvast K.S., candidate of biological Sciences, far Eastern Federal University, associate Professor of Department of life safety in technosphere, Director of the REC in the direction of nanotechnology, school of Engineering, Russia, Kupriyanov A.N., Professor, doctor of biological Sciences, head of Department "Kuzbass Botanical garden, Institute of human ecology SB RAS, Russia, Manakov Y.A., Professor, doctor of biological Sciences, Institute of human ecology SB RAS, head of laboratory of industrial botany, Russia,
Chayka V.V., candidate of biological Sciences, Far Eastern Federal University, associate Professor of Department of life safety in technosphere, school of Engineering, Russia, Filonova E.A., head of Department, far Eastern Federal University, head of the Administrative Department, Russia,
Vasyanovich Y.A., doctor of technical Sciences, far Eastern Federal University, Professor, Department of mining engineering, school of Engineering, Russia, Lisitskaya I.G., leading engineer, far Eastern Federal University, senior engineer at Department of defence in emergency situations and environmental protection, School of engineering, Russia,
KiryanovA.V., head of development Department, far Eastern Federal University, head of development Department, school of Engineering, Russia,
Drozd V.A., graduate student, far Eastern Federal University, school of Engineering, Russia,
Agoshkov A.I., Professor, doctor of technical Sciences, far Eastern Federal University, head of Department of life safety in technosphere, school of Engineering, Russia.
The results of studies of atmospheric particles from suspensions collected in snow collected in 7 locations in the area of the Karakansky coal cluster (Kemerovo region) in the winter of 2014. At one point selection shows the presence of two nanosized fractions (10-20 nm and 50700 nm) in a share of 34%, located between the coal mines and technological roads. The surface
area ofparticles found in these two sampling points reaches 134844 cm2/cm3. In 5 of the 7 sampling points in the region of the Karakansky coal cluster detected elevated levels of microparti-cles (1-20 /m) in shares from 12% to 71%. These particles carry on their surface a large number of hazardous compounds, including rare earth elements (Ce, Nd, Pr, La). It should be considered that the nano - and micro-sized air pollution in the region is man-made nature.
Key words: atmospheric suspension, microparticles, industrial pollution, Kuzbass.
REFERENCES
1. Golohvast K.S., Kuprijanov A.N., Manakov Ju.A., Chekryzhov I.Ju., Nagornova N.A. Analiz atmosfernyh vzvesej Karakanskogo ugol'nogo klastera Kuzbassa (Analysis of atmospheric suspensions of the Karakansky coal cluster of Kuzbass) // Medicina truda i promyshlennaja jeko-logija. 2014. No 2. pp. 20-23.
2. Isakov R.R. Obosnovanie metodiki ocenki uslovij truda gornorabochih poverhnostnogo kompleksa shaht i kar'erov Severa (Substantiation of the method of assessment of working conditions miners surface complex mines and quarries of the North): avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. Sankt-Peterburg, 2009. 20 p.
3. Timofeeva S.S., Karpova I.A. Ocenka pylevoj nagruzki na okruzhajushhuju sredu osnov-nyh tehnologicheskih processov pri dobyche buryh uglej na razreze «Mugunskij» (Evaluation of dust load on the environment basic technological processes in the extraction of brown coal on the cut "Mugunskiy") // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2013. No 9(80). pp. 113-118.
4. Jarosh A.S. Razrabotka sposoba i sredstva operativnogo kontrolja zapylennosti vozduha v gornyh vyrabotkah ugol'nyh shaht (Development of a method and means of operational control of airborne dust in mines coal mines): dis.... kand. tehn. nauk. Moscow, 2008. 157 p.
5. Guo, F., He, F., Xiu, M., Lou, Y.-L., Xie, A., Liu, F., Li, G.-H. Regulatory effects of lanthanum chloride on the activation of nuclear factor kappa B inhibitor kinase beta induced by tumor necrosis factor alpha // Chinese Journal of Burns. 2013. Vol. 29, Issue 6. pp. 531-536.
6. Rim K.T., Koo K.H., Park J.S. Toxicological evaluations of rare earths and their health impacts to workers: a literature review // Saf. Health Work. 2013. Vol.4, No 1. pp.12-26.
7. Zhang D.-Y., Shen X.-Y., Ruan Q., Xu X.-L., Yang S.-P., Lu Y., Xu H.-Y., Hao F.-L. Effects of subchronic samarium exposure on the histopathological structure and apoptosis regulation in mouse testis // Environmental Toxicology and Pharmacology. 2014. Vol. 37, Issue 2. pp. 505512.
