CC BY
26
ВЗВЕШЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА В АТМОСФЕРЕ ЯКУТСКА: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ГЕОХИМИЯ, ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЗДОРОВЬЕ
Владимир Николаевич Макаров,
доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории подземных вод
и геохимии криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Якутск
Николай Владимирович Торговкин,
кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории подземных вод и геохимии криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Якутск
Взвешенные вещества представляют собой собирательное понятие, включающее твёрдые частицы, атмосферные аэрозоли, поступающие в воздух, и частицы, которые образуются в процессе превращения газов. Загрязняющие воздух вещества - это дым, сажа, пыль и капельки жидкости, образующиеся при хозяйственной деятельности (сгорании топлива) и присутствующие в воздухе.
Размер частиц в воздухе колеблется от PM001 до PM100 (PM - аббревиатура «particulate matter»; цифра показывает содержание всех частиц определённого диаметра, мкм). Крупные частицы размером больше PM10 осаждаются быстрее и улавливаются в основном при очистке. Среди мелкой фракции взвешенных веществ, которые накапливаются в воздухе и могут переноситься на большие расстояния, преобладают частицы размером от 0,1 до 2,5 мкм. Адсорбируя на своей поверхности токсичные вещества, PM10 могут находиться во взвешенном состоянии несколько суток и переноситься на десятки (иногда сотни) километров от источника воздействия, представляя серьёзную угрозу для здоровья населения [1]. Частицы этой фракции наиболее опасны, поскольку обладают наибольшей фиброгенной активностью (свойство частиц вызывать усиленный синтез белка в лёгких). Они могут проникать в глубокие отделы лёгких (вплоть до альвеол) и задерживаться там. Подсчитано, что в альвеолы попадает около 10 % вдыхаемых пылинок, а 15 % заглатывается со слюной.
По мере уменьшения размеров частиц возрастает степень задержки их в глубоких отделах лёгких. Выведение пыли также зависит от размеров частиц. Крупные частицы удаляются из организма под влиянием мерцательных движений ресничек и слизи. Дисперсность частиц имеет значение
В. Н. Макаров, Н. В. Торговкин DOI: 10.24412/1728-516Х-2021-1-21-26
не только для удаления пыли из лёгких. От их величины зависит и степень фиброгенного действия пыли. С повышением дисперсности степень биологической агрессивности пыли увеличивается до определённого предела, а затем уменьшается.
С повышением дисперсности пыли увеличивается поверхность частиц, создаётся большая площадь соприкосновения мелких пылевых частиц с тканью лёгкого, повышается их химическая активность и сорбци-онная способность. Пылевые частицы сорбируют своей поверхностью газы, пары, радиоактивные вещества, ионы, свободные радикалы и др. Вдыхание с пылью токсических веществ усиливает вредное действие пыли.
Способность взвешенных веществ неблагоприятно влиять на здоровье человека была замечена ещё многие столетия назад, но только исследованиями последних лет доказана серьёзная угроза здоровью людей при их воздействии. Так, достоверно установлена связь между уровнем запылённости атмосферного воздуха и увеличением суточной смертности [2]. Взвешенные частицы могут быть причиной и биологического загрязнения воздуха, то есть содержать вредные микроорганизмы, включающие бактерии, вирусы и грибки. Считается, что ингаляционный (через лёгкие) путь поступления загрязнений в организм наиболее опасный [3].
Для взвешенных частиц, содержащихся в воздухе населённых пунктов, установлены санитарные нормы: показатель вредности - ре-зорбтивное действие, проявляющееся после всасывания токсичных веществ в кровь, класс опасности -III, наряду с такими токсичными металлами как V, W, Mn, Ge и др. Определена величина ПДК (мг/м3) взвешенных веществ в атмосфере:
.с . . - " ■ - __- г- _
Рис. 1. Установка пылесборников на территории г. Якутска
максимальная разовая (ПДК ) - 0,5, среднесуточная (ПДКсс) - 0,15. МР
Для получения информации о количестве, происхождении и химическом составе взвешенных веществ на территории г. Якутска, авторами было проведено геохимическое их изучение в приземной атмосфере в летнее и зимнее время.
Для исследования запылённости приземной атмосферы в летнее время на территории города было установлено 10 пылесборников (рис. 1). Сбор пыли проводился с 17 июля по 15 октября 2019 г Фоновый пункт наблюдений располагался на научном стационаре Института мерзлотоведения СО РАН «Туймаада» (рис. 2).
Для получения информации о химическом составе, количестве и происхождении взвешенных веществ в зимней атмосфере г Якутска, на его территории в 2020 г. была проведена снеговая съёмка и отобрано 80 проб снега (рис. 3). Снежный покров, как естественный накопитель, даёт действительную величину выпадений в холодный сезон и может служить показателем атмосферного загрязнения [4].
Аналитическая обработка геохимических проб проведена в лаборатории подземных вод и геохимии крио-литозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (аналитики: Л. Ю. Бойцова, Е. С. Петрова, О. В. Шепелёва), а также в Центральной геологической лаборатории АО «Якутскгеология» и в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка, Московская обл.). Геохимические пробы направлялись на химический, приближённо-количественный атомно-эмиссионный
спектральный, атомно-абсорбционный и масс-спектро-метрический анализы. Все определения проводились по методикам, включённым в Государственный реестр методик количественного химического анализа.
Якутск находится в зоне действия климата недостаточно влажного (индекс сухости от 1,0 до 2,0), умеренно тёплого (по температурным условиям тёплого периода), с суровой малоснежной зимой (по температурным условиям и степени снежности). Средняя годовая температура приземного воздуха в г. Якутске в период непрерывных метеонаблюдений (1883-2019 гг) варьирует в пределах
Рис. 2. Фоновый пункт наблюдений на научном стационаре ИМЗ СО РАН «Туймаада», г. Якутск
1 - пункт отбора проб; 2 - селитебная зона; 3 - промышленная зона; 4 - река, озёра; 5 - леса, луга
Шурф в пункте отбора пробы снега
Отбор проб снега Таяние снега в лаборатории
Рис. 3. Схема расположения пунктов наблюдений и методика отбора проб снега
от -7,2 до -12,1 °С [5]. Среднее годовое количество осадков составляет 235 мм. Зимой 2019/20 г. высота снежного покрова составила в среднем 40 см, а в окрестностях города 45-55 см [5]. Скорость ветра в г. Якутске составляет 0-6 м/с при среднем значении 2 м/с. Преобладают ветра северного и северо-западного направлений, для зимних месяцев характерен штиль [5].
Планировочная структура города радиально-кольцевая. Капитальная застройка каменными зданиями (4-6 и 9-12 этажей) составляет около 50 % селитебной части города. Кварталы двухэтажной деревянной застройки сосредоточены на северо-востоке и северо-западе. На большинстве городских улиц территория между застройкой и границей проезжей части представляет собой открытый грунт. При узкой проезжей асфальтированной части дорог (6-9 м) это пространст-
во является источником образования пыли и загрязнения атмосферы [6].
На территории г. Якутска насчитывается 72 предприятия и 1272 стационарных источника загрязнения, выбрасывающих ежегодно в атмосферу 11700 тонн взвешенных веществ [4]. Наиболее крупными из них являются «Якутскэнерго» (ЯГРЭС, ЯГРЭС-2, ЯТЭЦ), «ДСК», «Теплоэнергия», «Гордормостстрой» и др. [6].
По данным ГИБДД г. Якутска, в 2019 г. в столице и пригородах зарегистрировано около 119 тыс. единиц автотранспорта, выбрасывающих в атмосферу около 34 тыс. т загрязнителей. В зимнее время количество автотранспорта снижается примерно на 1/3, в основном за счёт легковых автомобилей [6].
Воздушный бассейн города загрязнён взвешенными веществами, бензапиреном и формальдегидом,
Рис. 4. Изменение концентрации взвешенных веществ в приземной атмосфере г. Якутска при разных руководителях города (по данным Якутского УГМС)
среднегодовые концентрации которых превышают гигиенический норматив в 2-3 раза. Тем не менее, уровень загрязнения атмосферного воздуха в Якутске оценивается как низкий [6].
Оценка концентрации взвешенных веществ в приземной атмосфере города ведётся Якутским УГМС на трёх стационарных постах (пр. Ленина, ул. Кальвица и Гимеин). Концентрация взвешенных веществ в воздухе города в течении длительного периода (2007-2018 гг.) постоянно превышает ПДКсс [6]. Среднегодовые их концентрации в течение этого времени были в 1,8 раз выше санитарных норм: в летний период - в 2,1, зимний -в 1,6 раз (рис. 4).
Однако концентрация пыли в воздухе не оставалась постоянной, а находилась в определённой зависимости от природоохранной деятельности руководства города и работы соответствующих городских служб. Как мы видим (см. рис. 4), существовал довольно длительный и сравнительно «благоприятный» экологический период, когда городом руководил А. С. Николаев, а наибольшее пылевое загрязнение атмосферы наблюдалось в годы правления Ю. В. Заболева и С. В. Авксентьевой.
По данным анализа материала, собранного пыле-сборниками, взвешенные вещества в летней приземной атмосфере г. Якутска полидисперсны и представляют
собой совокупность твёрдых частиц разного размера. Дисперсный состав «летних» загрязнений в основном относится к собственно пыли (фракция РМ10_100 -около 70 %). Частицы крупной фракции (РМ>100 - аэросуспензии) на территории города распределяются неравномерно, занимая в среднем около 20 % объёма взвешенных веществ, но в местах наибольшей транспортной нагрузки объём крупной фракции возрастает до 43 %. Среднедисперсная фракция (РМ10) распределена наиболее равномерно и в среднем составляет около 10 %.
Минералогический состав основной массы летних взвешенных веществ (РМ10-100) в атмосфере города представлен в лёгкой фракции кварцем и карбонатами (по 36 %), а также полевым шпатом (24 %), в тяжёлой - преимущественно амфиболами (49 %), эпидо-том и пироксенами (10-11 %), ильменитом и гранатами (около 7 %).
Гранулометрический состав основной массы зимних взвешенных веществ в снежном покрове соответствует мелким пылеватым частицам диаметром РМ£10 , т.е. на порядок меньше, чем в летний период. Минералогический состав пыли в снежном покрове представлен карбонатами (около 70 %), углистыми соединениями (15 %), включениями кварца и полевого шпата (10 %) и ожелезнённого растительного детрита (5 %).
Ежесуточное суммарное поступление загрязняющих взвешенных веществ из атмосферы на территорию города в тёплый период составляет в среднем 5000 мг/м2сутки и достигает максимальных значений на пересечении автодорог - 9449 мг/м2сутки.
Выпадение взвешенных частиц в зимнее время составляет в среднем около 5 % от общей массы загрязняющих веществ, поступающих из атмосферы на территорию города. На участках высокого атмосферного загрязнения их количество возрастает до 15 % от общего объёма выпадений.
Атмосферное поступление загрязнителей в аэро-зольно-газовой составляющей приходится в основном на летнее время и не превышает 0,5 % от общей массы выпадений (табл. 1).
Таблица 1
Ежесуточное поступление загрязняющих веществ из атмосферы
Статистические параметры Летний период Зимний пе риод. Снег Суммарные выпадения
Взвешенные вещества (пыль) Аэрозоли, газы Взвешенные вещества (пыль) Аэрозоли, газы
мг/м2сут. % мг/м2сут. % мг/м2сут % мг/м2сут % мг/м2сут
С 1596 99,25 5,92 0,37 5,9 0,37 0, 173 0,01 1608
С 9449 84,69 20,64 0,18 1686 15,11 0,877 0,01 11157
С А 5000 95,04 13,00 0,25 248 4,71 0,491 0,01 5261
С 4303 94,82 11,19 0,25 224 4,94 0,422 0,01 4538
Аэрозольно-газовое поступление загрязнителей в летний и зимний периоды различается объёмами и химическим составом, поскольку по-разному вымывает примеси из атмосферы, а также из-за особенностей техногенного воздействия.
Важное значение имеет химический состав загрязняющих веществ, обусловливающий фиброгенное, раздражающее, токсическое, аллергическое и канцерогенное действие на организм. Взвешенные вещества, насыщенные токсичными элементами, быстро проникают в организм и вызывают острые отравления.
Взвешенные вещества в летней приземной атмосфере г. Якутска обогащены серой и оксидами кальция, натрия и железа, обеднены оксидами фосфора, титана, марганца, калия и алюминия. В них присутствуют элементы третьего (Ва, V, W, Мп, Sr), второго (В, Со, N Мо, Си, Sb, Сг) и даже первого Cd, Нд, РЬ, Zn) классов токсичности, концентрация которых в основном не превышает ПДК почв. Редкие, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные элементы присутствуют как в пылевых, так и в средне-мелкодисперсных взвешенных веществах и неравномерно распространены на территории города. Особенно неблагоприятны с санитарно-экологической точки зрения средне- и мелкодисперсные частицы с аномальным содержанием элементов высоких классов токсичности Cd, РЬ и Си), формирующие аномалии в приземной атмосфере ряда районов г. Якутска.
В зимнее время года большая часть городской территории по величине среднесуточной пылевой нагрузки соответствует низкому уровню аэропылевого загрязнения, но примерно 1/5 площади города по характеру загрязнения снежного покрова относится к высокому, опасному и очень высокому уровням пылевого загрязнения. По величине зимней пылевой нагрузки наиболее неблагоприятными являются территории административных округов Автодорожный и Октябрьский, а относительно «чистыми» - Гагаринский и Сайсарский. В зимней приземной атмосфере г. Якутска формируются техногенные аэропылевые геохимические аномалии тяжёлых металлов, редких, редкоземельных и радиоактивных элементов. Высокие содержания в пробах твёрдой фазы снега характерны для Li, Мд, А1, Р, S, Са, V, Сг, Fe, Си, Zn, Zr, Мо, Sb, Н, Р^ Нд, Р.
Как в летней, так и в зимней приземных атмосферах города наиболее контрастные ореолы пылевого загрязнения и аномалии токсичных элементов сформированы под воздействием автотранспорта. Кроме этого, определённый вклад в пылевое загрязнение вносят локальные источники, - преимущественно объекты энергетики и стройиндустрии. Выбросы объектов энергетики (ЯТЭЦ, ГРЭС, ГРЭС-2) оказывают негативное воздействие в условно ближней зоне - на удалении до одного километра от высотных труб электростанций. Они являются источником накопления в снежном покрове специфического комплекса тяжёлых металлов, редких и радиоактивных элементов: Р, S, Мп, Си, Rb, Sr, Ва, РЬ, Ш Загрязнение приземной атмосферы пылевыми выбросами ГРЭС-2 минимально.
В снежном покрове накапливаются элементы различного класса токсичности. С санитарно-экологичес-кой точки зрения особенно неблагоприятны элементы высоких классов опасности: As, Zn и Си. Тяжёлые металлы в составе техногенных выбросов сорбируются в снеге, который в результате весеннего таяния переводит их в состав почв. Эти формы загрязняющих веществ являются наиболее опасными и агрессивными для биоты, так как обладают высокой подвижностью, биодоступностью, способностью к биотрансформации и аккумулированию в почвенном покрове и биомассе. Доля биологически доступных форм в РМ10 таких токсикантов, как Си, N и Zn, составляет 60-80 %, а Cd, РЬ и Т1 - более 80 % [7, 8].
Среднесуточная зимняя газово-аэрозольная нагрузка в пределах городских округов относительно равномерна. Ниже среднего уровень загрязнения воздуха отмечается в Гагаринском и Сайсарском городских округах, а наиболее неблагоприятными в этом отношении являются Строительный, Октябрьский и Центральный округа.
Практически на всей территории города уровень загрязнения снежного покрова взвешенными веществами и токсичными элементами оценивается как низкий и умеренно опасный.
По сравнению со средним содержанием тяжёлых металлов в пылевой и аэрозольной фракциях снега сибирских городов (Благовещенск, Братск, Иркутск, Чита), территория г. Якутска отличается более низкими концентрациями рассматриваемых микроэлементов и только по аэрозольно-газовому загрязнению близка к показателям г. Благовещенска (табл. 2).
Таблица 2
Зимнее загрязнение тяжёлыми металлами атмосферы в г. Якутске и городах Восточной Сибири
Пылевая фракция снега
Города Содержание тяжёлых металлов, мг/кг Источник
гп Cd РЬ Си
Якутск (п=80) 82,1 0,16 14,5 47,4 Авторы
Чита (п=68) 126,6 0,40 30,5 83,3 [9]
Благовещенск (п=32) 494,1 0,73 89,5 85,2 [10]
ПДК п почв 55,0 0,5 32,0 33,0 [11]
Аэрозольная фракция снега
Якутск (п=80) 11,4 0,031 1,4 23,1 Авторы
Чита (п=68) 257 2,2 69,3 37,6 [8]
Благовещенск (п=10) 9,8 0,020 0,34 4,7 [10]
Иркутск (п=22) 40 0,10 0,5 70 [12]
Братск (п=22) 10,1 31,3 0,64 1,55
ПДК вода рх 10 5 6 1 [13]
Заключение
На территории г. Якутска было проведено геохимическое изучение взвешенных веществ в приземной атмосфере и снежном покрове, определены их основные физико-химические свойства (содержание химических элементов, минералогический и гранулометрический состав) в летний и зимний периоды.
Взвешенные вещества в летней приземной атмосфере г. Якутска обогащены серой и оксидами кальция, натрия и железа, обеднены оксидами фосфора, титана, марганца, калия и алюминия. В них присутствуют элементы различных классов токсичности, концентрация большинства которых не превышает ПДК почв. Наиболее неблагоприятны с санитарно-экологической точки зрения содержащиеся во взвешенных веществах As, Zn, Си и РЬ. Наибольшее запыление (примерно в два раза выше, чем в среднем на территории города) наблюдается на перекрестках магистральных автодорог.
Различные гранулометрические фракции взвешенных веществ в атмосфере города различаются по химическому составу. Как в пылевых, так и в средне-мелкодисперсных веществах присутствуют токсичные, преимущественно халькофильные, элементы. Особенно неблагоприятны с санитарно-экологической точки зрения средне-мелкодисперсные частицы с высоким содержанием элементов I и II классов токсичности (Cd, РЬ и Си), формирующие аномалии в приземной атмосфере г. Якутска.
В холодное время года большая часть города по величине среднесуточной пылевой нагрузки соответствует низкому уровню аэропылевого загрязнения, но примерно 1/5 территории г. Якутска относится к высокому, опасному и очень высокому уровням пылевого загрязнения. В снежном покрове города присутствуют элементы различного класса токсичности. С санитарно-экологической точки зрения особенно неблагоприятны содержания As, Zn и Си.
Наиболее контрастные ореолы пылевого загрязнения территории г. Якутска и аномалии токсичных элементов сформированы под воздействием автотранспорта. Кроме этого, определённый вклад в пылевое загрязнение вносят строительные объекты и энергетика.
Практически на всей территории города уровень загрязнения снежного покрова взвешенными веществами и токсичными элементами оценивается как низкий и умеренно опасный. По сравнению со средним содержанием тяжёлых металлов в пылевой и аэрозольной фракциях снега крупных сибирских городов, территория г. Якутска отличается низкими концентрациями рассматриваемых микроэлементов.
Высокие темпы урбанизации, рост численности населения и повышенная автомобилизация привели к загрязнению атмосферного воздуха Якутска, формированию специфической среды и техногенных аномалий загрязняющих веществ.
Чистота воздуха является одним из основных факторов качества жизни, поэтому первоочередной задачей окружной администрации г Якутска должны быть разработка и реализация программы борьбы с запылённостью приземной атмосферы на территории города.
Список литературы
1. National Emissions Inventory 2014. United States Environmental Protection Agency, 2014 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.epa.gov/air-emissions-nventories / 2014-national-emissions-inventory-nei-data. - Дата обращения : 15.05.2019.
2. Ревич, Б. А. Оценка риска смертности населения России от техногенного загрязнения воздушного бассейна. Проблемы прогнозирования / Б. А. Ревич, А. А. Быков. - М., 1989. - Вып. 3. - С. 147-162.
3. Константинов, А. П. Экология и здоровье : опасности мифические и реальные / А. П. Константинов // Экология и жизнь. - 2012. - № 8. - С. 86-88.
4. Государственный доклад об экологической ситуации в Республике Саха (Якутия) в 2019 г. - Якутск : Правительство РС(Я), Министерство экологии, природопользования и лесного хозяйства РС(Я), 2020. -С. 57 (https://minpriroda.sakha.gov.ru).
5. ГН 2.1.6.1338-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест. - М. : Минздрав России. -2003 (с изменениями 03.11.05. и 02.02.08).
6. Falta T., Limbeck A, Koellensperger G., Hann S. Bioaccessibility of selected trace metals in urban PM2.5 and PM10 samples: a model study//Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2008 № 390 P. 1149-1157.
7. Мониторинг загрязнения снежного покрова г. Читы тяжёлыми металлами / Е. А. Бондаревич [и др.] // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2018. -Т. 8, № 2. - С. 132-144.
8. Минеральный геохимический состав твёрдого осадка в снеговом покрове г. Благовещенск (Амурская область)/Д. В. Юсупов [и др.] //Известия Томского политехнического университета. - 2014. -Т. 324, № 1. -С. 184-188.
9. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы. - М. : Стандартинформ, 2006. -15 с.
10. Гребенщикова, В. И. Геохимическая специфика состава снеговой воды некоторых городов Иркутской области / В. И. Гребенщикова // Вода : химия и экология. - 2013. - № 2. - С. 19-25.
11. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. - М. : Минздрав России, 2003 (с изменениями на 13.07. 2017 г.).
