CC BY
62
МОНИТОРИНГ БИОГЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Александр Сергеевич Сафатов
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, п. Кольцово Новосибирская обл., зав. отделом биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-48-20, e-mail: [email protected]
Галина Алексеевна Буряк
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, Научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383) 363-47-78, e-mail: [email protected]
Сергей Евгеньевич Олькин
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, заведующий лабораторией отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383) 336-74-79, e-mail: [email protected]
Ирина Сергеевна Андреева
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Новосибирская область, Новосибирский
район, р. п. Кольцово, Заведующая лабораторией отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383) 363-17-79, e-mail: [email protected]
Ирина Константиновна Резникова
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, старший научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383) 336-74-79, e-mail: [email protected]
Михаил Юрьевич Аршинов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, старший научный сотрудник лаборатории климатологии атмосферного состава, тел. (382) 249-28-94, e-mail: [email protected]
Борис Денисович Белан
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, заместитель директора по научной работе, тел. (382) 249-16-39, e-mail: [email protected]
Денис Валентинович Симоненков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, научный сотрудник лаборатории климатологии атмосферного состава, тел. (382) 249-28-94, e-mail: [email protected]
Валерий Иванович Макаров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, заведующий лаборатории дисперсных систем, тел. (383) 333-07-87, e-mail: [email protected]
Светлана Анатольевна Попова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник лаборатории дисперсных систем, тел. (383) 33307-87, e-mail: [email protected]
Борис Сергеевич Смоляков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, просп. Ак. Лаврентьева, 3, ведущий научный сотрудник лаборатории кластерных соединений, тел. (383) 316-55-31, e-mail: [email protected]
Марина Петровна Шинкоренко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, г. Новосибирск, просп. Ак. Лаврентьева, 3, Инженер лаборатории кластерных соединений, тел. (383) 333-29-44, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты долгосрочного мониторинга биогенных компонентов атмосферного аэрозоля юга Западной Сибири. Обсуждаются их долгосрочное изменение, годовой и суточный ход, разнообразие присутствующих в атмосферных биоаэрозолях жизнеспособных микроорганизмов, а также их потенциальную опасность для человека.
Ключевые слова: атмосферные биоаэрозоли, жизнеспособные микроорганизмы, потенциальная опасность для человека.
MONITORING OF ATMOSPHERIC AEROSOLS’ BIOGENIC COMPONENTS IN THE SOUTH OF WESTERN SIBERIA
Alexander S. Safatov
Federal Budgetary Research Institution “State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Koltsovo, Novosibirsk rgn, Head of department of Biophysics and Ecological, Tel. +7-(383)-363-48-20, e-mail: [email protected]
Galina A. Buryak
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Koltsovo, Novosibirsk region, Staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383) 363-47-78, e-mail: [email protected]
Sergei E. Olkin
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Koltsovo, Novosibirsk region, Head of laboratory of department of Biophysics and Ecological, tel. (383) 336-74-79, e-mail: [email protected]
Irina S. Andreeva
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Koltsovo, Novosibirsk region, Head of laboratory of department of Biophysics and Ecological, tel. (383) 363-17-79, e-mail: [email protected]
Irina K. Reznikova
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Koltsovo, Novosibirsk region, Senior staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383) 336-74-79, e-mail: [email protected]
Mikhail Yu. Arshinov
Federal State Budgetary Research Institution V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634021, Tomsk, Academician Zuev square, 1, Senior staff scientist Laboratory of Atmosphere Composition Climatology, tel. (382) 249-28-94, e-mail: [email protected]
Boris D. Belan
Federal State Budgetary Research Institution V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634021, Tomsk, Academician Zuev square, 1, Deputy director, tel. (382) 249-16-39, e-mail: [email protected]
Denis V. Simonenkov
Federal State Budgetary Research Institution V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 634021, Tomsk, Academician Zuev square, 1, Staff scientist Laboratory of Atmosphere Composition Climatology, tel. (382) 249-28-94, e-mail: [email protected]
Valerii I. Makarov
Federal State Budgetary Research Institution Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Novosibirsk, Institutskaya, 3, Head of laboratory of Disperse Systems, tel. (383) 333-07-87, e-mail: [email protected]
Svetlana A. Popova
Federal State Budgetary Research Institution Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Novosibirsk, Institutskaya, 3, Head of laboratory of Disperse Systems, tel. (383) 333-07-87, e-mail: [email protected]
Boris S. Smolyakov
Federal State Budgetary Research Institution A.V. Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Novosibirsk, Ac. Lavrentieva avenue, 3, Leading staff scientist of Laboratory of clathrate compounds, tel. (383) 316-55-31, e-mail: [email protected]
Marina P. Shinkorenko
Federal State Budgetary Research Institution A.V. Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Novosibirsk, Ac. Lavrentieva avenue,
3, Engineer of Laboratory of clathrate compounds, tel. (383) 333-29-44, e-mail: [email protected]
The results of the long-term monitoring of biogenic components of atmospheric aerosols in the South of Western Siberia are presented in this paper. Here are discussed: its long-term trends, seasonal and diurnal changes, diversity of viable microorganisms in atmospheric bioaerosols and its potential danger for human.
Введение
Биоаэрозоли являются неотъемлемой частью атмосферного аэрозоля, достигая 95% от его счетной концентрации [1-2]. Известно, что биоаэрозоли, как и другие аэрозоли в атмосфере, оказывают воздействие на климат, перераспределяя радиационные потоки в атмосфере и участвуя в процессах нуклеации в облаках [3]. Также как и другие аэрозоли, биоаэрозоли могут оказывать токсическое действие на человека, животных, растения и др. компоненты экосистем [4,5], и, кроме этого, вызывать в них инфекционные заболевания [4-7]. Однако до последнего времени атмосферным биоаэрозолям и их компонентам в мире уделялось мало внимания [3], а их мониторинг практически нигде не проводился.
В настоящей работе представлены результаты долгосрочного мониторинга биогенных компонентов атмосферного аэрозоля юга Западной Сибири. Основное внимание уделяется их долгосрочному изменению, годовому и суточному ходу, разнообразию присутствующих в атмосферных биоаэрозолях жизнеспособных микроорганизмов, а также их потенциальной опасности для человека.
Материалы и методы
Изучение атмосферного аэрозоля проводилось в трех наземных точках (на площадке ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», в п. Ключи и на базе отдыха «Синеморье») и с помощью самолета-лаборатории, который осуществлял ежемесячные пробоотборы на высотах 500, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5500 и 7000 м над лесными массивами юга Западной Сибири. Пробы отбирались на волокнистые фильтры типа АФА-ХА с расходом примерно 250 л/мин для определения массовой концентрации, химического и биохимического состава аэрозоля. Для определения концентрации жизнеспособных микроорганизмов пробы отбирались на импинджеры с расходом примерно 50 л/мин и анализировались культуральными методами, как это описано в [2]. В качестве сорбирующей жидкости в импинджены заливалось 50 мл бесцветного раствора Хенкса (ICN Biomedicals). Определение концентрации суммарного белка на фильтрах проводилось с использованием флуоресцентного красителя [8]. Химический и ионный состав проб аэрозоля определялся по методикам «Атомноэмиссионного спектрального анализа» и «Ионной хроматографии», прошедшим метрологическую экспертизу в Государственном метрологическом центре Госстандарта РФ (г. Екатеринбург) № 08-48/031 и 08-48/032 20.12.1994 г. Более подробно эти методики описаны в работах [2,9]. Концентрации органического и неорганического углерода определялись по методу, описанному в работе [10].
Результаты и обсуждение
За более чем 10 лет наблюдения среднегодовые концентрации основных биологических компонентов атмосферного аэрозоля, измеренные на высотах 500 - 7000 м на юге Западной Сибири проявляют тенденцию к снижению. В среднем это падение невелико и составляет примерно 1,6 за 11 лет для концентрации суммарного белка и 8 раз за 11 лет для концентрации
жизнеспособных микроорганизмов (эта величина представляет собой суммарную концентрацию жизнеспособных бактерий и низших грибов; и, как принято в микробиологии, величина этой концентрации здесь и далее по тексту выражена в десятичных логарифмах числа жизнеспособных микроорганизмов в 1 м воздуха). Воспользовавшись данными для полной массы аэрозоля, определенной в тех же условиях (уменьшение которой за тот же период составило примерно 2 раза), можно построить тренд доли суммарного белка в полной массе атмосферного аэрозоля на высотах 500 - 7000 м. В отличие от тенденций к уменьшению полной концентрации аэрозоля и его биогенных компонентов в атмосфере юга Западной Сибири за период наблюдений, доля суммарного белка в полной массе аэрозоля возрастает. Скорее всего, это связано с проходящими климатическими изменениями, приводящими к изменению источников аэрозоля, фиксируемого в Западной Сибири, их мощности и, вероятно, путей транспорта биоаэрозолей в атмосфере.
Аналогичные тенденции изменения основных биологических компонентов атмосферного аэрозоля, обнаруженные для наземных измерений на площадке ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», дают падение примерно 1,6 за 9 лет для концентрации суммарного белка и примерно 5 раз за 9 лет для концентрации жизнеспособных микроорганизмов. Для п. Ключи статистически значимых тенденций к снижению концентраций аэрозоля и его биогенных компонентов не выявлено. Причины этого в настоящее время не ясны. Возможно, это связано с различным вкладом локальных источников аэрозолей и биоаэрозолей в наблюдаемые концентрации измеряемых величин. Отметим, что концентрации суммарного белка и органического углерода в атмосферном аэрозоле проявляют также тенденции к снижению за период наблюдений.
Для всех точек наблюдения и для высот 500 - 7000 м выявлен выраженный сезонный ход концентраций суммарного белка (амплитуда изменений которого составляет 3 - 5 раз) и жизнеспособных микроорганизмов (амплитуда изменений которой превосходит порядок величины). Определена зависимость наблюдаемых концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов от направления и скорости ветра в наземных точках пробоотбора, а также от средних температуры и относительной влажности в период отбора проб. Вместе с тем, по данным наземных точек наблюдения статистически достоверного суточного хода этих концентраций выявить не удалось.
Анализ биоразнообразия жизнеспособных микроорганизмов, выявил присутствие большого количества различных бактерий и грибов в пробах атмосферного воздуха, тогда как присутствия вирусов (прежде всего, вызывающих респираторные заболевания человека) не выявлено. В отличие от полной концентрации жизнеспособных микроорганизмов в атмосферном аэрозоле, сезонной зависимости их отдельных родов не обнаружено. Вероятно, это связано с наблюдаемой высокой изменчивостью их присутствия в различных пробах, а также небольшими, как правило, концентрациями микроорганизмов отдельных родов.
Поскольку подавляющее большинство обнаруживаемых в атмосферном аэрозоле микроорганизмов не являются патогенными, был разработан метод, позволяющий оценивать потенциальную опасность для человека любых бактерий, в том числе и неизвестных, без проведения экспериментов на модельных животных по определению их патогенности [11]. Метод основан на определении численности выделенного изолята и ряда его морфологических биологических и биохимических характеристик. Он применим как для отдельных изолятов, так и для всей их совокупности в пробах атмосферного воздуха.
Заключение
Таким образом, данные долговременного мониторинга показывают, что изменения климата за последнее десятилетие сопровождаются заметным снижением концентраций аэрозоля, биоаэрозоля и жизнеспособных микроорганизмов в нем на юге Западной Сибири. Данные мониторинга биогенных компонентов атмосферного аэрозоля юга Западной Сибири также важны для оценки качества атмосферного воздуха, его потенциальной опасности для человека и изменения этих характеристик атмосферы в будущем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Aerosol characteristics and sources for the Amazon basin during the wet season / P. Artaxo [et al.] // J. Geophys. Res. - 1990. - Vol. 95, N D10. - P. 16971-16985.
2. Atmospheric bioaerosols / A.S. Safatov [et al.] // Aerosols - Science and Technology. / I. Agranovski, Ed. - Wienheim: Wiley - VCH, 2010. - P. 407-454.
3. Primary biological aerosol particles in the atmosphere: A review / V.R. Després [et al.] // Tellus B. - 2012. - Vol. 64, N 1. - Paper 15598, DOI: 10.3402/tellusb.v64i0.15598. - 58 p.
4. Bioaerosols health effects and exposure assessment: Progress and prospects / J. Douwes [et al.] // Ann. Occup. Hyg. - 2003. - Vol. 47, N 3. - P. 187-200.
5. O’Gorman C.M., Fuller H.T. Prevalence of culturable airborne spores of selected allergenic and pathogenic fungi in outdoor air // Atmos. Environ. - 2008. - Vol. 42, N 18. - P. 4355-4368.
6. Nicas M., Nazaroff W.W., Hubbard A. Toward understanding the risk of secondary airborne infection: Emission of respirable pathogens // J. Occup. Environ. Hyg. - 2005. - Vol. 2, N 3. - P. 143-154.
7. Roy C.J., Milton D.K. Airborne transmission of communicable infection - The elusive pathway // N. Engl. J. Med. - 2004. - Vol. 350, N 17. - P. 1710-1712.
8. Аэрозоли Сибири. / под ред. К.П. Куценогого. - Новосибирск: Наука, 2006. - 548 c.
9. Экспериментальное исследование трансформации примесей в шлейфах предприятий / М.Ю. Аршинов [и др.] // Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 18, № 04. -С.335-343.
10. Сравнение результатов измерения содержания углерода в атмосферных аэрозолях методами реакционной газовой хроматографии и сухого сожжения / С.А. Попова [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. 2007. - № 1. - С. 97-103.
11. To what extent can viable bacteria in atmospheric aerosols be dangerous for humans? / A.S. Safatov [et al.] // Clean. - 2008. - Vol. 36, N 7. - P. 564-571.
© А.С. Сафатов, Г.А. Буряк, С.Е. Олькин, И.С. Андреева, И.К. Резникова, М.Ю. Аршинов, Б.Д. Белан, Д.В. Симоненков, В.И. Макаров, С.А. Попова, Б.С. Смоляков, М.П. Шинкоренко, 2012
