CC BY
56
МОНИТОРИНГ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОРГАНИЧЕСКОГО/НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА И СУММАРНОГО БЕЛКА В АЭРОЗОЛЕ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Александр Сергеевич Сафатов
Федеральное бюджетное учреждение науки «Г осударственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Россия, Новосибирская обл., Новосибирский район, р. п. Кольцово, доктор технических наук, зав. отделом биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-48-20, e-mail: safatov@vector. nsc.ru
Галина Алексеевна Буряк
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр
вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Россия, Новосибирская обл.,
Новосибирский район, р. п. Кольцово, научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383) 363-47-78, e-mail: buryak@vector. nsc.ru
Сергей Евгеньевич Олькин
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр
вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Россия, Новосибирская обл.,
Новосибирский район, р. п. Кольцово, заведующий лабораторией отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)336-74-79, e-mail: olkin@vector. nsc.ru
Ирина Константиновна Резникова
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр
вирусологии и биотехнологии «Вектор», 630559, Россия, Новосибирская обл.,
Новосибирский район, р. п. Кольцово, старший научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)336-74-79, e-mail: reznikova@vector.nsc.ru
Валерий Иванович Макаров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат химических наук, заведующий лабораторией дисперсных систем, тел. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetic s.nsc.ru
Светлана Анатольевна Попова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник лаборатории дисперсных систем, тел. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
В статье приведены результаты мониторинга концентраций органического/неорганического углерода и суммарного белка в аэрозоле приземного слоя атмосферы юга Западной Сибири. Обсуждаются их долгосрочное и сезонное изменение и соотношения этих величин.
Ключевые слова: атмосферные аэрозоли, органический/неорганический углерод, суммарный белок, тренды концентраций.
THE MONITORING OF ORGANIC/ELEMENTAL CARBON AND TOTAL PROTEIN CONCENTRATIONS IN BOUNDARY LAYER ATMOSPHERIC AEROSOL IN THE SOUTH OF WESTERN SIBERIA
Alexander S. Safatov
Federal Budgetary Research Institution “State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Russia, Novosibirsk region, Koltsovo, Head of department of Biophysics and Ecological,
tel. +7-(383)-363-48-20, e-mail: safatov@vector.nsc. ru Galina A. Buryak
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Russia, Novosibirsk region, Koltsovo, Staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-78, e-mail: buryak@vector.nsc. ru
Sergei E. Olkin
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Russia, Novosibirsk region, Koltsovo, Head of laboratory of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)336-74-79, e-mail: olkin@vector. nsc.ru
Irina K. Reznikova
Federal Budgetary Research Institution State Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”, 630559, Russia, Novosibirsk region, Koltsovo, Senior staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)336-74-79, e-mail: reznikova@vector.nsc. ru
Valerii I. Makarov
Federal State Budgetary Research Institution Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, Institutskaya, 3, Head of laboratory of Disperse Systems, tel. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetics.nsc.ru
Svetlana A. Popova
Federal State Budgetary Research Institution Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, Institutskaya,
3, Head of laboratory of Disperse Systems, tel. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
The results of the monitoring of organic/elemental carbon and total protein concentrations in boundary layer atmospheric aerosol in the south of Western Siberia are presented in this paper. Here are discussed its long-term and seasonal trends and ratios of these values.
Key words: atmospheric aerosols, organic/elemental carbon, total protein, concentrations trends.
1. Введение
Известно, что в составе атмосферного аэрозоля практически всегда присутствует некоторое количество органического (ОС) и неорганического (ЕС) углерода, а также компонентов биологического происхождения. Их доли в общей массовой концентрации атмосферного аэрозоля (РМ) позволяют судить о преобладании тех или иных типов источников аэрозоля (различные природные или антропогенные, локальные или удаленные и т.д.), дающих вклад в аэрозоль в регионе [1-3]. ЕС в аэрозоле появляется в результате процессов горения различных углеводородных соединений, тогда
2
как ОС появляется либо в результате тех же процессов, либо прямой эмиссии биогенных аэрозолей в атмосферу, либо в результате осаждения органических компонентов, находящихся в газовой фазе, на поверхности частиц [4].
В настоящее время опубликованы работы, в которых характеризуются соотношения ОС и ЕС в разное время года и/или суток, в разных регионах, в городской и в сельской местности и т.д., см., например, [1,4-8]. Вместе с тем, публикаций, в которых для выбранных точек наблюдения фиксировалось изменение концентраций ОС и ЕС, а также суммарного белка (ТР, -универсального маркера компонентов биологического происхождения) в атмосфере на протяжении десятилетия, в литературе практически нет.
В работе представлены и проанализированы долгосрочные данные по приземным концентрациям ОС, ЕС и ТР в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири.
2. Материалы и методы
Отбор аэрозолей осуществлялся на площадке в п. Ключи (пригород Новосибирска, координаты 54°50,2’ с.ш., 83°14,2’ в.д.) путем прокачки воздуха насосом в течение суток через волокнистые фильтры типа АФА-ХА-20 (для анализа массы осажденного аэрозоля и содержания суммарного белка в нем) с объемной скоростью 13 м /ч и через стекловолоконные фильтры (для определения содержания органического и неорганического углерода в пробах) с объемной скоростью 1,8 м /ч. Серия наблюдений для каждого сезона составляла 30 суток и начиналась 20 января, 20 апреля, 20 июня и 20 сентября. Масса осажденного аэрозоля определялась гравиметрическим методом, а концентрации ОС и ЕС - методом реакционной газовой хроматографии, описанным в [9]. Этот метод позволяет определять содержание ОС и ЕС посредством их высокотемпературного разделения в инертной атмосфере. Каждый компонент окисляется до СО2, конвертируется в СН4 и регистрируется пламенно-ионизационном детектором. При нагревании пробы до 700 °С в инертной атмосфере испаряются органические вещества и определяются как ОС, а ЕС - при сгорании всей пробы в окислительной атмосфере. Массы ТР в пробах определялись с использованием флуоресцентного красителя по методу, описанному в [10].
3. Результаты и обсуждение
Среднегодовые значения величин РМ, ОС, ЕС и ТР, рассчитанные для 2001 - 2012 г., приведены в табл. 1. Обнаружено, что среднегодовая величина РМ в целом имеет тенденцию к росту. Ее максимальное значение достигается в 2012 г., когда в течение лета - осени в точке проведения измерений долгое время присутствовал аэрозоль, образовавшийся при горении лесных массивов в соседних областях. В среднем за время проведения наблюдений величина РМ в атмосфере составила 41,0 ± 1,5 мкг/м . Среднегодовая концентрация ОС в атмосфере также имеет тенденцию к росту, а среднегодовая концентрация ЕС - к падению, тогда как среднегодовая концентрация ТР остается практически постоянной, составляя в среднем за
время проведения наблюдений соответственно 5,9 ± 0,3; 3,2 ± 0,2 и 0,46 ± 0,03 мкг/м . Подобные уровни значений концентраций ОС и ЕС зарегистрированы и для крупных городов Европы[6]: для долгосрочных средних 3,5 - 7,8 и 1,3 - 3,8 мкг/м3 соответственно, хотя по данным работы [4] диапазон единичных измерений концентраций значительно шире. Наблюдаемые большие различия значений концентраций ОС и ЕС в этой работе [4] объясняется расположением части точек проведения измерений вблизи напряженных автомагистралей, а части - в пригородах городов, в том числе и приморских.
Доля ОС в общей массе аэрозоля в период наблюдений остается практически постоянной, тогда как доли ЕС и ТР имеют тенденцию к слабому падению. Сравнение приведенных зависимостей с опубликованными в [10] для высот 500 - 7000 м показывает их существенное различие. Для слоя атмосферы 500 - 7000 м в тот же период наблюдается тенденция падения как концентрации аэрозоля, так и ТР, содержащегося в нем, а доля ТР в полной массе аэрозоля в тот же период растет. Вероятно, эти различия объясняются как влиянием локальных источников биоаэрозолей, так и различием движений воздушных масс, перемещающих аэрозоли из удаленных источников, в приземном слое атмосферы и на высотах 500 -7000.
Величины сезонных изменений концентраций аэрозоля, ОС, ЕС и ТР, усредненные за 12 лет наблюдений на юге Западной Сибири, показывают, что концентрации массы аэрозоля и ОС достигают максимума весной, ЕС -зимой-весной и ТР - весной-летом. Также ТР имеет выраженный зимний минимум.
Важнейшей характеристикой атмосферного аэрозоля являются соотношения между ОС, ЕС и ТР, которые дают информацию о составе частиц индивидуальных проб и их возможных источниках. Среднегодовые отношения величин ЕС, ОС и ТР в аэрозоле юга Западной Сибири представлены на табл. 1, а их сезонное изменение - в табл. 2. Отметим, что соотношение величин ОС/ЕС в атмосферном аэрозоле региона имеет тенденцию к росту за последние 12 лет, а соотношение ТР/ОС за этот же период не проявляет выраженных тенденций. Но в целом величины ОС/ЕС в атмосферном аэрозоле региона неплохо согласуются с таковыми, опубликованными в работах [4,6] для различных городов Европы. Сезонные изменения величин ОС/ЕС фиксируются как в литературе [3-7,11], так и в наших наблюдениях, при этом максимальное значение отношения на юге Западной Сибири достигается в теплый период.
Сезонная зависимость отношения ТР/ОС имеет выраженный летний максимум, который может быть объяснен «активной работой» источников биоаэрозоля в регионе весной, летом и осенью при примерно постоянной концентрации ОС летом и осенью и повышенной его концентрацией весной.
Таким образом, анализ данных долгосрочного мониторинга позволил выявить тенденции долгосрочных и сезонных изменений концентраций РМ, ОС, ЕС и ТР, а также соотношений этих величин.
4. Заключение
В работе представлены уникальные данные 12-летнего мониторинга в п. Ключи Новосибирской области массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентраций ОС, ЕС и ТР в нем. Обнаружен возрастающий тренд в концентрациях атмосферного аэрозоля, ОС и отношения ОС/ЕС, спадающий тренд концентрации ТР. Обнаружены сезонные изменения этих величин и соотношений ОС, ЕС и ТР. Их сопоставление с литературными данными для других регионов в Европе и в Азии выявило как хорошее соответствие одних величин и тенденций, так и существенные различия для других. Причина наблюдаемых различий в настоящее время надежно не выяснена. С этой целью в дальнейшем предлагается проведение более детальных исследований, включающих как минимум почасовой анализ суточного хода изучаемых величин и характеризацию молекулярного состава контролируемых компонентов атмосферного аэрозоля.
Таблица 1
Среднегодовые значения концентраций и соотношения ОС, ЕС и ТР на юге Западной Сибири (средние ± 95 % доверительный интервал)
Год наблюде -ний Величины
Аэрозоль, мкг/м3 ОС, мкг/м3 ЕС, мкг/м Суммарный белок, мкг/м3 ОС/ЕС, доля ТР/ОС, доля
2001 38,56 ± 4,73 4,79 ± 0,90 5,25 ± 0,85 0,11 ± 0,02 1,04 ± 0,10 0,02 ± 0,01
2002 31,37 ± 4,28 5,27 ± 0,98 3,18 ± 0,59 0,31 ± 0,06 2,63 ± 0,46 0,07 ± 0,01
2003 28,85 ± 3,03 4,58 ± 0,74 4,19 ± 0,63 0,59 ± 0,09 1,30 ± 0,15 0,17 ± 0,04
2004 35,22 ± 5,53 4,01 ± 0,63 3,15 ± 0,56 0,78 ± 0,20 1,59 ± 0,16 0,21 ± 0,04
2005 32,18 ± 3,04 4,12 ± 0,47 3,07 ± 0,49 0,35 ± 0,06 1,92 ± 0,20 0,10 ± 0,02
2006 52,08 ± 6,83 6,50 ± 1,36 2,62 ± 0,32 0,89 ± 0,21 2,51 ± 0,28 0,20 ± 0,04
2007 47,94 ± 6,41 4,94 ± 0,68 2,21 ± 0,27 0,69 ± 0,15 2,64 ± 0,29 0,15 ± 0,03
2008 49,66 ± 4,20 7,08 ± 1,20 2,74 ± 0,52 0,39 ± 0,06 3,14 ± 0,31 0,07 ± 0,01
2009 44,61 ± 5,71 8,20 ± 2,25 3,93 ± 1,29 0,49 ± 0,08 2,45 ± 0,23 0,08 ± 0,01
2010 36,82 ± 3,13 6,68 ± 0,91 2,75 ± 0,35 0,35 ± 0,06 2,81 ± 0,31 0,07 ± 0,01
2011 40,69 ± 3,81 4,79 ± 0,67 2,10 ± 0,41 0,47 ± 0,08 2,81 ± 0,23 0,13 ± 0,02
2012 53,87 ± 5,80 9,17 ± 1,52 2,72 ± 0,44 0,23 ± 0,03 4,75 ± 0,69 0,04 ± 0,01
Таблица 2
Сезонные изменения концентраций и соотношений величин ОС, ЕС и ТР на юге Западной Сибири, усредненные за период 2001 - 2012 годы (средние ± 95 % доверительный интервал)
Сезон наблюде- ний Величины
Аэрозоль, мкг/м3 ОС, мкг/м3 ЕС, з мкг/м Суммарный белок, ОС/ЕС, доля ТР/ОС, доля
мкг/м3
Весна 56,23 і 4,21 9,17 і 1,10 4,28 і 0,58 0,65 і 0,08 2,82 і 0,20 0,09 і 0,01
Лето 38,44 і 1,73 5,32 і 0,56 2,15 і 0,14 0,75 і 0,07 2,90 і 0,28 0,20 і 0,02
Осень 32,31 і 2,06 4,33 і 0,29 2,17 і 0,23 0,33 і 0,03 2,75 і 0,20 0,10 і 0,015
Зима 37,16 і 1,86 4,62 і 0,37 4,01 і 0,31 0,09 і 0,01 1,45 і 0,12 0,03 і 0,004
Работа выполнена при частичной поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 35-2011.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Химия окружающей среды / Под ред. О.М. Бокриса. - М.: Химия, 1978. - 672 с.
2. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. - М.: Мир, 1980. - 640 с.
3. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 271 с.
4. Pio C., Cerqueira M., Harrison R.V., Nunes T., Mirante F., Alves C., Oliveira C., Sanchez de la Campa A., Artinano B., Matos M. OC/EC ratio observations in Europe: Rethinking the approach for appointment between primary and secondary organic carbon // Atmos. Environ. - 2011. - Vol. 45, N 34. - P. 6121-6132.
5. Hidy G.M. Aerosols. An Industrial and Environmental Science. - Orlando: Academic Press, 1984. - 774 p.
6. Cheng Y., He K.-b., Duan F.-k., Zheng,M., Du Z.-y., Ma Y.-l., Tan J.-h. Ambient organic carbon to elemental carbon ratios: Influences of the measurement methods and implications // Atmos. Environ. - 2011. - Vol. 45, N 12. - P. 2060-2066.
7. Grivas G., Cheristandis S., Chaloulakou A. Elemental and organic carbon in the urban
environment of Athens. Seasonal and diurnal variations and estimates of secondary organic carbon // Sci. Total. Environ. - 2012. - Vol. 414. P. 535-545. doi:
10.1016/j.scitotenv.2011.10.058.
8. Despres V.R., Huffman J.A., Burrows S.M., Hoose,C., Safatov A.S., Buryak G.A., Frohlich-Nowoisky J., Elbert W., Andreae M.O., Poschl U., Jaenicke R. Primary biological aerosols in the atmosphere: Observations and relevance // Tellus B. Chem. Phys. Meteorol. -
2012. Vol. 64. - P. 1-58. doi: 10.3402/tellusb.v64i0.15598.
9. Попова С.А., Макаров В.И., Башенхаева Н.В., Ходжер Т.В. Сравнение результатов измерения содержания углерода в атмосферных аэрозолях методами реакционной газовой хроматографии и сухого сожжения // Химия в интересах устойчивого развития. - 2007. -Т. 15, № 1. - С. 97-103.
10. Safatov A.S., Buryak G.A., Andreeva I.S., Olkin S.E., Reznikova I.K., Sergeev A.N., Belan B.D., Panchenko M.V. Atmospheric bioaerosols. In: Aerosols - Science and Technology / Ed. I. Agranovski. - Weinheim: Wiley - VCH, 2010. - P. 407-454.
11. Zhao P., Dong F., Yang Y., He D., Zhao X., Zhang W., Yao Q., Liu H. Characteristics of carbonaceous aerosol in the region of Beijing, Tianjin, and Hebei, China // Atmos. Environ. -
2013. - Vol. 71. - P. 389-398. http://dx.doi.org/10.10167j.atmosenv.2013.02.010.
© А. С. Сафатов, Г. А. Буряк, С. Е. Олькин, И. К. Резникова, В. И. Макаров, С. А. Попова, 2014
