CC BY
22
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.244-248 УДК 543.51, 504.05
А. И. Новиков1, И. А. Гапоненков2, С. В. Дрогобужская1, А. А. Широкая1
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия 2Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, Россия
ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ЧЕРТЕ ГОРОДА МУРМАНСКА МЕТОДОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ
Аннотация. Представлены результаты анализа методом ИСП МС взвешенных частиц атмосферного воздуха в черте города Мурманска, собранных на PTFE-фильтрах системой автоматического пробоотбора пыли (аспиратор) Derenda PNS8TDM-6.1, и пыли, собранной с подоконников в различных частях города. Приведены параметры распределения металлов в образцах, рассчитаны коэффициенты корреляции Спирмена и Кендалла. Установлено наличие токсичных элементов в составе аэрозоля городского воздуха, концентрации которых в большинстве случаев превышают ОДК для почв.
Ключевые слова: взвешенные частицы, городские осадки, пыль, поллютанты, МС ИСП.
A. I. Novikov1, I. A. Gaponenkov2, S. V. Drogobuzhskaya1, A. A. Shirokaya1
1Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw
Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia
2Murmansk State Technical University, Murmansk, Russia
ELEMENTAL ANALYSIS OF THE SOLID PARTICLES OF ATMOSPHERIC AIR IN MURMANSK BY MASS-SPECTROMETRY WITH INDUCTIVE COUPLED PLASMA
Abstract. The paper presents the results of an analysis by the ICP MS method of solid atmospheric particles in Murmansk collected on PTFE filters by the automatic dust sampling system (aspirator) Derenda PNS8TDM-6.1, and dust collected from the windowsills in different parts of the city. The parameters of the distribution of metals in the samples are given; the Spearman and Kendall correlation coefficients are calculated. In the composition of the urban air aerosol, the concentration of toxic elements exceeds the APC for soils. Keywords: solid particles, urban precipitation, dust, pollutants, ICP MS.
Введение
В результате активного развития промышленности постоянно возрастает антропогенная нагрузка на окружающую среду. Увеличивается количество пыли и частиц различного происхождения в результате износа поверхностей конструкций, зданий и различных материалов [1, 2]. Отмечено, что основным естественным источником формирования атмосферных аэрозолей является пыль от выветривания почв и горных пород [3]. Основными антропогенными источниками выбросов являются: промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт. В мониторинге городских экосистем особое внимание уделяется контролю загрязнения атмосферного воздуха, в частности воздуха рабочей зоны как первичному источнику загрязняющих веществ [4].
По данным ФГБУ «Мурманское УГМС», основным источником загрязнения атмосферы в Мурманской области являются: добывающие предприятия, обрабатывающие производства, химическая промышленность и цветная металлургия, производство и распределение электроэнергии, газа и воды.
Крупнейшие предприятия области: «Апатит» (Апатиты, Кировск) — производство апатитового концентрата, «Кандалакшский алюминиевый завод» (Кандалакша) — производство первичного алюминия; «Кольская ГМК» (Мончегорск, Заполярный, Никель) — производство никеля, рафинированной меди, серной кислоты; «Оленегорский ГОК» (Оленегорск) — производство железорудного сырья; Ковдорский горно-обогатительный комбинат — производство апатитового, бадделеитового и железорудного концентратов; Кольская АЭС, Апатитская ТЭЦ, Мурманские ТЭЦ и ГЭС.
Пыль любого происхождения, как правило, оказывает токсичное и аллергенное воздействие на человека, вызывая различные заболевания. Поллютанты могут попадать в организм человека как через пищевод и дыхательные пути, так и через кожу. Многие из них при постоянном воздействии на человека снижают его иммунитет, что провоцирует развитие различных заболеваний. Статистически достоверная зависимость от загрязнения атмосферного воздуха установлена для заболеваний бронхитом, пневмонией, острыми респираторными заболеваниями [5, 6].
Чтобы оценить степень загрязнения и экологическую опасность кроме объема выбросов важно знать их качественный состав и содержание наиболее токсичных элементов. Повсеместно ведутся работы по изучению и мониторингу городских и техногенных экосистем [6-10]. В [11] приводится обзор литературных источников по мониторингу атмосферы и отмечается необходимость в дальнейшем развивать методики проведения исследований. Разрабатываются различные математические модели распространения атмосферных загрязнений [12, 13]. Несмотря на большое количество исследований, до сих пор остается актуальной проблема определения источника антропогенной нагрузки и ее дальнейшего воздействия на экосистемы.
Современные методы анализа с применением высокочувствительного оборудования дают возможность максимально точно определить те элементы, которые поступают в окружающую среду, и на основании полученных данных определить вероятный источник загрязнения.
Цель данной работы заключалась в оценке качества воздуха в черте города Мурманска и антропогенного воздействия на него. Для этого было необходимо провести отбор взвешенных частиц атмосферного воздуха и определить массовую долю содержащихся в ней металлов. В качестве исследуемых элементов были выбраны типичные для города поллютанты: РЬ, 2п, Си, N1, С^ Со, Мп, Бе, которые к тому же являются наиболее токсичными для человека [5, 6].
Материалы и методы
Объектами анализа стали РТБЕ-фильтры после прокачки через них атмосферного воздуха системой автоматического пробоотбора пыли (аспиратор) Derenda PNS8TDM-6.1 и пыль, собранная с подоконников в различных частях города Мурманска. Определение содержания металлов в исследуемых образцах проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой согласно «Методике выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98». Поскольку масса пыли, отобранной с подоконников, была меньше рекомендованной в методике, проводили разложение пробы целиком, по методике определения содержания кислоторастворимых элементов. В случае
с фильтрами из PTFE разложению подвергали фильтры целиком, после установления массы собранной на них пыли. Измерения проводились на масс-спектрометре ELAN 9000 DRC-e фирмы Perkin Elmer (США).
Результаты исследований
В таблице 1 приведены концентрации металлов в грязе-пылевых осадках города Мурманска. Показано, что во всех образцах наблюдается превышение ОДК Ni, в большинстве — превышение концентраций Zn, Pb, Cd и в некоторых случаях превышение концентрации Cu и ПДК Mn. Корреляционные связи между металлами в исследуемых образцах оценивались путем расчета значений коэффициента корреляции Спирмена (табл. 2). Область допустимых значений то,о5 Спирмена составила ±0,61. Наблюдается сильная статистически значимая положительная корреляционная связь между металлами Fe-Mn, Fe-Zn и Co-Cd. Такая связь может свидетельствовать об общем генезисе металлов в отобранных пылях. Значения коэффициента корреляции Кендалла (табл. 3) подтверждают эту связь. Область допустимых значений то,о5 Кендалла составила ±0,207.
Таблица 1
Массовые доли тяжелых металлов в образцах пыли
Table 1
Mass fractions of heavy metals in the dust samples
Металл Среднее Медиана Диапазон концентраций ОДК"
Mn, мг/кг 840,5 325,5 51,1 - 3210,4 1500""
Fe, % 3,8 2,1 0,7 - 17,7 -
Co, мг/кг 42,7 13,6 2,5 - 248,6 -
Ni, мг/кг 453,9 394,4 86,0 - 1421,8 20
Cu, мг/кг 43,5 24,1 1,0 - 143,3 33
Zn, мг/кг 684,2 590,3 0,1 - 1715,7 55
Cd, мг/кг 3,6 0,5 0,01 - 20,6 0,5
Pb, мг/кг 169,4 98,7 26,0 - 506,2 32
'Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве ГН 2.1.7.2511-09 для песчаных и супесчаных почв.
""Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве ГН 2.1.7.2041-06.
Таблица 2
Значения коэффициента корреляции Спирмена для металлов (11 проб)
Table 2
Values of Spearman correlation coefficient for metals (11 samples)
Металл Mn Fe Co Ni Cu Zn Cd Pb
Mn 1,00 0,90" 0,54 0,46 0,08 0,56 0,54 0,35
Fe - 1,00 0,46 0,49 0,35 0,80" 0,46 0,51
Co - - 1,00 0,38 -0,30 0,22 0,92" 0,11
Ni - - - 1,00 -0,12 0,67" 0,45 0,53
Cu - - - - 1,00 0,35 -0,43 -0,08
Zn - - - - - 1,00 0,32 0,64"
Cd - - - - - - 1,00 0,17
Pb - - - - - - - 1,00
"Статистически значимый коэффициент корреляции Спирмена при p < 0,05.
Таблица 3
Значения коэффициента корреляции Кендалла для металлов (11 проб)
Table 3
Kendall correlation coefficient values for metals (11 samples)
Металл Mn Fe Co Ni Cu Zn Cd Pb
Mn 1,00 0,75* 0,42* 0,35* 0,05 0,38* 0,42* 0,27*
Fe - 1,00 0,38* 0,38* 0,24* 0,64* 0,38* 0,38*
Co - - 1,00 0,35* -0,09 0,16 0,78* 0,05
Ni - - - 1,00 -0,09 0,53* 0,35* 0,42*
Cu - - - - 1,00 0,24* -0,31* -0,09
Zn - - - - - 1,00 0,24* 0,45*
Cd - - - - - - 1,00 0,13
Pb - - - - - - - 1,00
'Статистически значимый коэффициент корреляции Кендалла приp < 0,05.
Выводы
Исследование элементного состава отобранных образцов позволяют сделать вывод о качестве атмосферного воздуха в черте города. Установлено наличие токсичных элементов в составе аэрозоля городского воздуха, которые неизбежно попадают в организм человека, накапливаются в нем и могут провоцировать различные заболевания [5, 6]. Концентрации металлов в городских грязе-пылевых осадках в большинстве случаев превышают ОДК для почв. Накопление этих металлов в грязевом осадке на территории города, очевидно, связано с антропогенными источниками, такими как выбросы промышленных предприятий, работой жилищно-коммунальных служб (ТЭЦ, ЖКХ и др.) и автотранспорта.
Литература
1. Selbig. W. R., Bannerman R., Corsi S. R. From street to streams: Assessing the toxicity potential of urban sediment by particle size // Sci. of the Tot. Env. 2013. No. 444. P. 381-391.
2. Apeagyei E., Bank M. S., Spender J. D. Distribution of heavy metals in road dust along an urban-rural gradient in Massachusetts // Atmospheric Environment. 2011. No. 45 (13). P. 2310-2323.
3. Определение неорганических загрязнителей в аэрозолях воздуха / Е. Н. Коржова и др. // Журнал аналитической химии. 2011. Т. 66, № 3. С. 228-246.
4. Касимов Н. С. Экогеохимия ландшафтов. М.: ИП Филимонов М. В., 2013. 208 с.
5. Турбина Е. А. Влияние загрязнения атмосферы взвешенными веществами и тяжелыми металлами на заболеваемость органов дыхания у детей // Здоровье населения и среда обитания. 2012. № 2. С. 21-23.
6. Чикенёва И. В., Абузярова Ю. В. Особенности накопления тяжёлых металлов и последствия его влияния на организм человека вблизи автодорог Оренбургской области (на примере трассы Оренбург — Самара) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 6 (44). С.196-199.
7. Методы анализа данных снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере г. Новосибирска) / С. Б. Бортникова и др. // Геоэкология. 2009. № 6. С. 515-525.
8. Ашитко А. Г., Маньшина И. В. Система мониторинга состояния качества атмосферного воздуха в г. Калуге // Вестник калужского университета. 2014. № 1. С. 5-9.
9. Новороцкая А. Г Оценка состояния атмосферного воздуха в зоне влияния ТЭЦ-2 г. Хабаровска // Науки о Земле. Успехи современного естествознания. 2017. № 12. С. 215-220.
10. Селезнев А. А. Тяжелые металлы в поверхностном грязевом осадке города Екатеринбурга // Известия УГГУ. 2018. Вып. 1 (49). С. 46-54. doi: 10.21440/2307-2091-2018-1-46-5
11. Определение неорганических загрязнителей в аэрозолях воздуха / Е. Н. Коржова и др. // Журнал аналитической химии. 2011. Т. 66, № 3. С. 228-246.
12. Белихов А. Б., Леготин Д. Л., Сухов А. К. Современные компьютерные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере // Вестник Костромского государственного университета им. Н. А. Некрасова. 2013. Т. 19, № 1. С. 14-19.
13. Каплунов Д. Р., Воронкова Н. Н., Бородкина Н. Н. Методические принципы комплексной оценки загрязнения атмосферы горнопромышленного региона. // Науки о Земле. Известия ТулГУ. 2018. Вып. 2. С. 3-14.
Сведения об авторах
Новиков Андрей Игоревич
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, [email protected] Гапоненков Иван Андреевич
Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, gaponenkovmstu@mail. ru Дрогобужская Светлана Витальевна
кандидат химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, [email protected] Широкая Анна Александровна
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья
им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, [email protected]
Novikov Andrey Igorevich
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, [email protected] Gaponenkov Ivan Andreevich
Murmansk State Technical University, Murmansk, [email protected] Drogobuzhskaya Svetlana Vitaljevna
PhD (Chem.), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, [email protected] Shirokaya Anna Aleksandrovna
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, [email protected]
