ATMOSPHERIC SUSPENSES OF THE KARAKANSKY COAL SECTION OF KUZBASS: PARTICLE SIZE ANALYSIS

Full Text

Природные минеральные пыли находятся в атмосфере с самого начала появления жизни на Земле [10-13, 16], но в связи в производственной деятельностью человека их концентрация неуклонно растет, из-за технологического прогресса также происходит увеличение доли нано- и микроразмерной фракции [1, 2, 7-9, 14, 15, 17]. Атмосферные взвеси как абиотический фактор среды изучаются сравнительно недавно и на данный момент, к сожалению, приходится констатировать, что системные наблюдения за размерным и вещественным составами взвесей подавляющего большинства городов России отсутствуют. Поэтому большой интерес представляет изучение и анализ атмосферных взвесей природоохранных зон и крупных техногенных узлов. В последние годы особое внимание исследователи уделяют угольной пыли как одной из наиболее опасных форм техногенного загрязнения [8, 9, 12]. В качестве крупного техногенного источника пыления был выбран Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) как один из самых крупных угольных месторождений мира, расположенный на юге Западной Сибири. Наиболее сложные экологические условия складываются на территории Караканского угольного кластера, где планируется построить 15 угольных разрезов [11]. Целью исследования является изучение содержания атмосферных взвесей в районах интенсивной добычи угля. На Караканском хребте в 2012 году организован биологический заказник, на территории которого проводятся крупномасштабные исследования по биомониторингу растительного покрова, поэтому работы по изучению содержания атмосферных взвесей, создающих среду обитания живых организмов, крайне необходимы. В качестве зоны сравнения выбрана природоохранная зона - Кузбасский ботанический сад Института экологии человека СО РАН, расположенный вблизи города Кемерово. Методы Кузнецкий угольный бассейн расположен на юге Западной Сибири, в основном на территории Кемеровской области, в неглубокой котловине между горными массивами Кузнецкого Алатау, Горной Шории и невысоким Салаирским кряжем. Караканский угольный кластер находится в северо-восточной части Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса, в 35 км от города Белово. Занимает северо-западную часть Караканской синклинали Караканского месторождения. Уголь добывается открытым способом, породы вскрыши и уголь транспортируются на угольные склады автомобильным транспортом, кроме того, производится экскаваторная погрузка угля в железнодорожные вагоны. Территория Кузбасского ботанического сада расположена в левобережной части города Кемерово, в прибрежной части реки Томи (район озера Сухов-ского) к востоку от существующих и проектируемых ансамблей развивающегося общегородского центра. Пробы снега собирались на одиннадцати пробных площадках, расположенных с запада на восток через Караканский хребет в районе строящихся угольных разрезов и простирающихся до сел Пермяки и Новохудяково, где угольные разрезы отсутствуют и которые можно рассматривать как контрольные (рисунок, табл. 1). Кроме того, снежные пробы отбирались на территории Кузбасского ботанического сада. Выделение контроля довольно условно, поскольку территория Кузнецкой котловины практически вся загрязнена выбросами многочисленных промышленных предприятий и едва ли на ее территории можно отыскать участки без наличия антропогенного воздействия. Снег собирался в момент снегопада зимой 2011/12 года. Чтобы исключить вторичное загрязнение антропогенными аэрозолями, был собран верхний слой (5-10 см) только что выпавшего снега. Его помещали в стерильные контейнеры объемом 1 л. Через пару часов, когда снег в контейнерах растаял, из каждого образца набирали 40 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTec (фирма Fritsch), позволяющем в ходе одного измерения устанавливать распределение частиц по размерам, а также определять их форму и ряд морфометрических параметров. Измерения проводились в режиме «nanotec» с установками «carbon/ water 20 °C». Результаты Ранее [3-6], анализируя атмосферные взвеси с учетом наблюдений на примере нескольких городов Дальнего Востока, мы разделили их по размерам частиц согласно данным лазерного анализатора на семь классов: 1) от 0,1 до 1 мкм (соответствует PM1), 2) от 1 до 10 (соответствует PM10), 3) от 10 до 50 мкм, 4) от 50 до 100 и 5) от 100 до 400 мкм, 6) от 400 до 700 мкм и 7) более 700 мкм (табл. 2). Более детальные физические характеристики частиц взвеси, обнаруженных в снеге, которые также получены с помощью лазерного анализатора, приведены ниже (табл. 3). Обсуждение результатов Самым неблагоприятным районом для проживания, с точки зрения гранулометрического анализа, является территория между двумя технологическими дорогами (район 3). Здесь обнаружены наночастицы размером от 300 нм до 2 мкм в значимых количествах (24 %). Происхождение их скорее всего связано с угледобывающей промышленностью (дробление, погрузка), так как подобный размерный класс частиц обнаружен нами ранее вблизи горно-обогатительный комбинат (ГОК) в Еврейской автономной области. Как можно судить по данным табл. 2, опасные частицы с экологически значимым диаметром (1- 10 мкм) выявлены в районах 2, 3, 4, 7 и Зн. Эти микрочастицы скорее всего являются продуктами выбросов угледобывающей промышленностью и транспортной нагрузки. На станции отбора проб, расположенных в районах 5 и Бс, выявляется значимая доля крупных частиц 6 и 7 размерных классов (от 400 до 1 000 мкм), что в сочетании с невысокими концентрациями потенциально опасных для здоровья частиц (3 класс частиц в количестве 20 и 26 % соответственно) относит эти районы к относительно благоприятным по сравнению, например, с районами 2 или 3. Стоит отметить, что ряд проб, отобранных в районах 1, 3, 4 и Зн, обладает значительной удельной площадью поверхности (от 7 142,07 до 24 903,82 см2/ см3), что в совокупности со средним размером частиц (от 7,467 до 15,977 мкм) относит эти районы, как и было показано выше, к числу наиболее неблагоприятных для проживания ввиду серьезной нагрузки на органы дыхания. Стоит отметить, что наиболее мелкодисперсными фракциями характеризуются районы, находящиеся между угольными разрезами (точка отбора 3, 4). По ряду морфометрических показателей частиц (диаметр, площадь поверхности) к числу относительно неблагоприятных районов также можно отнести районы 2 (возле технологической дороги), 6 (с. Пермяки) и 7 (автомобильная дорога). Атмосферные взвеси в районах 5 (Между восточным склоном Караканского хребта и с. Пермяки), Бс (Кузбасский ботанический сад) и Зв (Верхняя часть западного склона Караканского хребта) можно соотнести с зонами относительно благополучного проживания по сравнению с другими в данном опыте. Если же сравнивать эти же данные с ранее полученными результатами гранулометрического исследования атмосферных взвесей других городов [2-4], то стоит отметить, что районы с повышенным техногенным прессом (угледобывающая промышленность, транспорт угля, автотранспорт и т. д.) являются крайне неблагополучными для проживания людей, так как во всех районах были выявлены потенциально опасные для здоровья микрочастицы с размером от 10 до 50 мкм в достаточно значимых количествах (от 20 до 94 %), что объясняется пылением открытой добычи угля, прямой погрузки в железнодорожные вагоны и в связи с этим повышенной автотранспортной нагрузкой. Как известно, наиболее реакционной активностью, вплоть до токсического поражения, обладают частицы в нанодиапозоне. Судя по литературным данным [18, 21, 22], размер частиц обратно пропорционален токсическому действию (чем мельче, тем токсичнее). Характер действия нано- и микрочастиц на клетки и ткани организмов в основном зависит от их специфических физико-химических свойств, в том числе от размера частиц, поверхностного заряда, типа вещества, удельной площади поверхности, нано-, микро- и мезопор на единицу площади, от концентрации кислотных центров Бренстеда и Льюиса, влияющих на сорбцию/десорбцию органических молекул и способность к катализу. При попадании нано- и микрочастиц собственно в клетку, как и во внутренние среды (кровь, лимфу), на первое место по значимости выходят гранулометрические характеристики минеральных частиц (такие как арифметический диаметр, удлинение, форм-фактор и т. д.), которые влияют на кинетику и накопление частиц в тех или иных органах. Выводы: 1. Уровень загрязнения вблизи добычи угля, центров погрузочно-разгрузочных работ, транспортировки угля содержат взвеси, относящиеся к высокоопасным для биологических объектов. 2. Уровень загрязнения несколько уменьшается на восток от расположенных вдоль западного склона Караканского хребта угольных разрезов, но повышается вблизи населенных пунктов. 3. Ни один из исследованных участков (в том числе и территория ботанического сада) не может считаться «чистым» по содержанию техногенных взвесей, что свидетельствует о высокой техногенной нагрузке на всей территории Кузбасского угольного бассейна

About the authors

K S Golokhvast

Far East Federal University

Email: droopy@mail.ru
Vladivostok

A N Kupriyanov

Institute of Human Ecology SB RAS

Kemerovo, Russia

J A Manakov

Institute of Human Ecology SB RAS

Kemerovo, Russia

P A Nikiforov

Far East Federal University

Vladivostok

V V Chaika

Far East Federal University

Vladivostok

A N Gulkov

Far East Federal University

Vladivostok

References

Supplementary files