CC BY
47
УДК 613.15(54.064):577.4 ПРОФИЛЬ АТМОСФЕРНЫХ ВЗВЕСЕЙ В ГОРОДАХ И ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
К.С.Голохваст1’2
Дальневосточный федеральный университет Минобрнауки РФ, 690950, г. Владивосток, ул. Суханова, 8 владивостокский филиал Дальневосточного научного центра физиологии и патологии дыхания Сибирского отделения РАМН - НПП медицинской климатологии и восстановительного лечения,
690105, г. Владивосток, ул. Русская, 73г
РЕЗЮМЕ
В статье рассматривается количественный и качественный состав атмосферных взвесей крупнейших городов Дальнего Востока - Владивостока, Хабаровска, Биробиджана, Благовещенска, Уссурийска. На примере этих городов продемонстрированы типичные представители атмосферных взвесей природного и техногенного происхождения. Предложена классификация частиц взвесей по семи размерным классам: 1 - от 0,1 до 1 мкм (соответствует РМ1); 2 - от 1 до 10 мкм (соответствует РМ10); 3 - от 10 до 50 мкм; 4 - от 50 до 100 мкм; 5 -от 100 до 400 мкм; 6 - от 400 до 700 мкм; 7 - более 700 мкм. Показано, что природные взвеси обычно состоят из частиц одного или двух классов (чаще всего 5,6 и 7) и достаточно однородны, тогда как типичные техногенные взвеси крайне разнородны и состоят из всех размерных классов. Выявлено, что рядом с крупными транспортными развязками в городских взвесях преобладают частицы 1, 2 и 3 размерных классов. Высказано предположение, что рост неопределенности системы «атмосферная взвесь планеты Земля» приведет, как минимум, к дальнейшему росту аллергических и респираторных заболеваний, что в свою очередь может привезти к увеличению смертности.
Ключевые слова: природные и техногенные атмосферные взвеси, загрязнение окружающей среды, респираторные заболевания.
SUMMARY
PROFILE OF ATMOSPHERIC SUSPENSIONS IN CITIES AND ITS ECOLOGICAL SIGNIFICANCE
K.S.Golokhvast12
1Far Eastern Federal University, 8 Sukhanova Str., Vladivostok, 690950, Russian Federation Vladivostok Branch of Far Eastern Scientific Center of Physiology and Pathology of Respiration of Siberian Branch RAMS - Research Institute of Medical Climatology and Rehabilitation Treatment, 73g Russkava Str., Vladivostok, 690105, Russian Federation
In the article the quantitative and qualitative structure of atmospheric suspensions of the largest cities of the Far East: Vladivostok, Khabarovsk, Birobidzhan, Blagoveshchensk, Ussuriisk are presented. At the example of these cities typical representatives of atmospheric suspensions of a natural and technogenic origin are shown. The classification of suspensions particles by seven dimensional classes is offered: 1 - from 0.1 to 1 microns (this corresponds to PM1); 2 - from 1 to 10
microns (this corresponds to PM10); 3 - from 10 to 50 microns; 4 - from 50 to 100 microns; 5 - from 100 to 400 microns; 6 - from 400 to 700 microns; 7 - more than 700 microns. In the paper it is shown that natural suspensions usually consist of particles of one or two classes (most often 5,6 and 7) and are rather uniform. Typical technogenic suspensions are extremely diverse and consist of all dimensional classes. It was found out that near large traffic intersections in city suspensions the particles of 1, 2 and 3 dimensional classes prevail. It is suggested that the growth of the unstable state of «the atmospheric suspension of the Earth» system will lead at least to further growth of allergic and respiratory diseases, which in turn can cause the increase of mortality.
Key words: natural and technogenic atmospheric suspensions, pollution of environment, respiratory diseases.
Атмосферные взвеси являются многокомпонентной и разноразмерной системой, поэтому очевидно большое количество разнородных ответных реакций живых систем. Например, в наиболее значимых взвесях -взвесях населенных пунктов, встречаются как природные (пыльца, шерсть животных, вулканическая пыль и др.), так и техногенные (сажа, синтетические частицы и др.) компоненты.
Размерность - одна из важнейших характеристик при оценке токсического или иного воздействия дисперсной системы на живой организм. В атмосфере взвешены частицы размером от 10 до 1-3 нм. Имеется достаточно большое количество сообщений, наглядно показывающих, что наночастицы, как размерный класс, обладают максимальным токсическим действием практически вне зависимости от типа материала. Вторым важнейшим критерием экологической оценки взвесей является качественный или вещественный состав [1, 3, 4, 5].
Как известно, XXI век является веком аллергических заболеваний. Причин этому крайне много, но на наш взгляд, одна из важнейших - возрастание количества и изменение качества атмосферной взвеси в атмосфере планеты за счет техногенной составляющей.
Материалы и методы исследования
Нами исследовались атмосферные взвеси, находившиеся в снеге, собранном в крупнейших городах Дальнего Востока Российской Федерации: Владивосток, Хабаровск, Биробиджан, Благовещенск, Уссурийск. Чтобы исключить вторичное загрязнение, пробы (атмосферные осадки в виде снега), собирались только во время снегопадов. Отбирался только верхний слой (5-10 см) свежевыпавшего снега, который помещали в
стерильные контейнеры объемом 3 л, предварительно отмытые от пыли дистиллированной водой. Гранулометрический анализ взвесей проводили на лазерном анализаторе частиц Fritch Analysette 22 NanoTec (изучали 60 мл жидкости растаявшего снега в режиме «nanotec» с установками «quartz/water 20°С» и «carbon/water 20°С»). Вещественный анализ взвесей проводили на световом микроскопе Nikon SMZ1000 и сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с энергодисперсионным спектрометром Thermo Scientific. Напыление образцов для электронного микроскопа производили платиной.
Результаты исследования и их обсуждение
Вопрос увеличения количества взвешенного аллергогенного вещества достаточно очевиден. Если рас-
смотреть профиль взвесей «дотехногенной» эпохи, то список компонентов по возрастанию их количества может выглядеть примерно так: частицы минералов коры выветривания, метеорная и вулканическая пыль, пепел лесных пожаров, частицы растительного детрита, продукты химических реакций в верхних слоях атмосферы, пыльца, шерсть животных, насекомые и части их тел, организмы аэропланктона, фрагменты морской органики (таллома водорослей, иглокожих, раковины моллюсков). Учитывая рост источников техногенных взвесей на планете, обнаружить абсолютно свободные от антропогенных частиц взвеси нам не удалось. Частицы, входящие в понятие «природные взвеси», встречаются в составе взвесей городов), состоят из ограниченного числа компонентов и достаточно однотипны в разных регионах (рис. 1 а-г).
-3400N b.OtvA. 6rfttn х35 BSE3D 25Ра
В Г
Рис. 1. Электронные микрофотографии частиц типичных природных взвесей.
а - частицы морской органики (энергодисперсионный анализ дает более 90% содержания 81) в пробах, собранных в одном из прибрежных районов (Садгород, г. Владивосток). Увеличение: 170.
б - частицы природных минералов и растительный детрит из образца снега, собранного в районе кольцевой автомобильной дороги (г. Биробиджан). Увеличение: 210.
в - минеральные алюмосиликатные микрочастицы из образца снега, собранного в районе ТЭЦ (г. Благовещенск). Увеличение: 200.
г - частицы растительного детрита (деревянная стружка) из образца снега, собранного в районе ВДНХ (г. Благовещенск). Увеличение: 35.
Городские (техногенные) взвеси, в отличие от при- личны в разных городах и имеют большие размерные
родных, состоят из большого числа компонентов, раз- расхождения (рис. 2 а-г).
Рис. 2. Электронные микрофотографии частиц типичных городских (техногенных) взвесей, а - частицы резины из образца взвеси, собранной в зоне транспортного узла (Вторая речка, г. Владивосток). Увеличение: 270.
б - сферическая микрочастица сажи в пробе, собранной в зоне автотранспортной нагрузки (ул. Пушкинская, г. Владивосток). Увеличение: 600.
в - частицы конгломерата неопределяемого техногенного мусора, содержащего также сажевые включения и органический детрит, из пробы, собранной в районе Детского санатория (г. Хабаровск). Увеличение: 350.
г - частицы конгломерата техногенного мусора из пробы, собранной в районе проспекта Красоты (г. Владивосток). Увеличение: 1300.
Несмотря на то, что в состав естественного фона атмосферных взвесей входят частицы минералов, метеоритная и вулканическая пыль, органический детрит, и живые организмы должны были приспосабливаться к ним с самого начала жизни на Земле, ответные реакции на них остаются (например, поллинозы и пневмо-кониозы).
Частицы металлов и их оксидов в нативном состоянии встречаются и в природных, и в техногенных взвесях. Так, по нашим данным в пробах свежевыпавшего снега и суховоздушных взвесей, собранных в различных районах городов Дальнего Востока России (Владивосток, Хабаровск, Благовещенск, Биробиджан, Уссурийск и Белогорск), с помощью сканирующей
электронной микроскопии обнаружены нано- и микрочастицы Бе, РЬ, Ва, 2п. Сг, П, Ъх. Си, Вк \У, Мп, 8г, Со, №, Мо. Металлы встречаются как в чистом виде (часто покрыты оксидной пленкой), так и в виде соединений (минералы, сплавы). Показано, что частицы Ре, РЬ, Ва, Zn и их соединений составляют 70-80% от обнаруженных.
Стоит отметить, что если в природных взвесях встречаются только микро- и макрочастицы металлов, то в двух городах Дальнего Востока нами были обнаружены самые опасные наноразмерные металлические частицы - в Благовещенске (10-70 нм) и Уссурийске (10-120 нм), которые являются техногенными и источником являются предприятия с гальванической техно-
логией [2].
В городах Дальнего Востока, расположенных на берегах морей (Владивосток) или крупных рек (Хабаровск и Благовещенск) в составе природных атмосферных взвесей преобладают природные минералы (преимущественно алюмосиликаты и кварц), реже галит, источником которого служит морская вода.
В городах Дальнего Востока, расположенных в окружении лесных массивов (Биробиджан и Уссурийск), в составе природных атмосферных взвесей наряду с пылью минералов могут преобладать частицы растительного детрита.
Различия профилей природных взвесей и техногенного периода касается и гранулометрического состава. Исследуя пробы городов Дальнего Востока России мы разделили взвеси на семь размерных классов: 1 - от 0,1 до 1 мкм (соответствует РМ1); 2 - от 1 до 10 мкм (соответствует РМ10); 3 - от 10 до 50 мкм; 4 - от 50 до 100 мкм; 5 - от 100 до 400 мкм; 6 - от 400 до 700 мкм;
7 - более 700 мкм [1].
Природные взвеси обычно состоят из частиц одного или двух классов (чаще всего 5, 6 и 7) и достаточно однородны, тогда как типичные техногенные взвеси крайне разнородны и в пробе могут присутствовать все размерные классы. Стоит также отметить, что
Различия в вещественном составе
рядом с крупными транспортными развязками в городах преобладают 1, 2 и 3 размерные классы (рис. 3).
<N.eO°*
,0 і ?.*•*• rl
°:<Г)
.о'Уу.
«•
о0о
ооО
о°
0'
о
Рис. 3. Схема морфометрических различий между профилем типичной природной (а) и техногенной (б) взвесей по результатам лазерной гранулометрии и сканирующей электронной микроскопии.
Профиль взвесей «техногенной» эпохи продолжает меняться, и на сегодняшний день в нем нарастающим градиентом увеличиваются выбросы промышленных предприятий, ТЭЦ и котельных, частицы выхлопов автомобилей (сажа и микрочастицы металлов), продукты горения мусора, отходы и выбросы строительной индустрии, синтетические волокна, частицы резины и асфальта (табл.).
Таблица
природных и техногенных взвесей
Природные взвеси Техногенные (городские) взвеси
Горные породы и минералы Горные породы и минералы
Растительный детрит (листья, стебель, древесина) Микро- и макрочастицы сажи
Вулканический пепел Неопределяемый техногенный мусор
Пыльца Синтетические волокна
Животный детрит (волосы и шерсть, части насекомых) Частицы резины и асфальта
Микро- и макрочастицы металлов и их оксиды Нано- и микрочастицы металлов и их оксиды
Микрометеориты Растительный детрит (листья, стебель, древесина)
Продукты атмосферных химических реакций Животный детрит (волосы и шерсть, части насекомых)
Продукты атмосферных химических реакций
Заключение
По нашему мнению, организму, а в большей степени, дыхательной системе, если можно так выразиться, «тяжело» справляться с дисперсными системами, состоящими из постоянно меняющихся разных компонентов и размерных типов. Это обусловлено, прежде всего, имеющимися механизмами адаптации и выведения твердых частиц, которые формировались в условиях «дотехно генно го» профиля взвесей (рис. 3 а).
В качестве прогноза стоит предположить, что если рост неопределенности системы «атмосферная взвесь планеты Земля» продолжится, это грозит, как минимум, дальнейшим ростом аллергических и респираторных заболеваний, что, в свою очередь, приведет к
увеличению смертности.
Работа выполнена при поддержке программы «Научный фонд ДВФУ» (проект №12-04-13002) и гранта Президента для молодых ученых МК-1547.2013.5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голохваст К.С., Кику П.Ф., Христофорова Н.К. Атмосферные взвеси и экология человека // Экология человека, 2012. №10. С.5-10.
2. Нано- и микрочастицы металлов в городской атмосфере (на примере городов Владивосток и Уссурийск) // К.С.Голохваст [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. №2. С.129-134.
3. Golokhvast K.S. Alteration of profile of atmospheric suspensions as magnification factor of immunoallergic diseases // VI World astluna, allergy & COPD Forum and
XVIII International Congress on iimnunorehabilitation and rehabilitation in medicine. London, 2013. P.49-52.
4. Skinner H.C.W. The Earth, source of health and hazards: an introduction to medical geology // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2007. Vol.35. P.177-213.
5. T4 workshop report. Nano toxicology: «The end of the beginning» - signs on the roadmap to a strategy for assuring the safe application and use of nanomaterials / E.K.Silbergeld [et al ] // ALTEX. 2011. Vol.28, №3. P.236-241.
REFERENCES
1. Golokhvast K.S., Kiku P.F., Khristoforova N.K. Ekologiya cheloveka 2012; 10:5-10.
2. Golokhvast K.S., Soboleva E.V., Nikiforov P.A., Chekryzhov I.Yu., Safronov P.P., Romanova T.Yu., Khristoforova N.K., Chaika V.V., Panichev A.M., Gulkov A.N. Khimiva v interesakh ustovchivogo razvitiya 2013;
2:129-134.
3. Golokhvast K.S. Alteration of profile of atmospheric suspensions as magnification factor of immunoallergic diseases. In: VI World asthma, allergy & COPD Forum and XVIII International Congress on iimnunorehabilitation and rehabilitation in medicine. London; 2013:49-52.
4. Skinner, H.C.W. The Earth, source of health and hazards: an introduction to medical geology. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2007; 3 5:177-213.
5. Silbergeld E.K., Contreras E.Q., Hartung T„ Hirsch C., Hogberg H., Jachak A.C., Jordan W., Landsiedel R., Morris J., Patri A., Pounds J.G., de Vizcaya Ruiz A., Shvedova A., Tanguay R., Tatarazako N.. van Vliet E., Walker N.J., WiesnerM., Wilcox N„ Zurlo J. T4 workshop report. Nanotoxicology: «The end of the beginning» - signs on the roadmap to a strategy for assuring the safe application and use of nanomaterials.. lf/ГЕХ 2011: 28(3):236-241.
Поступила 27.05.2013
Контактная ннформацня Кирилл Сергеевич Голохваст, кандидат биологических наук, доцент кафедры нефтегазового дела и нефтехимии, Инженерная школа Дальневосточного федерального университета, 690950, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 3 7.
E-mail: droopv(aimail. г и Correspondence should be addressed to Kirill S. Golokhvast,
PhD, Associated Professor of Department of Petroleum Engineering and Petrochemicals,
School of Engineering of Far Eastern Federal University, 37 Pushkinskava Str., Vladivostok, 690950, Russian Federation.
E-mail: droopv(aimail. ru
