Атмосферные взвеси Владивостока: гранулометрический и вещественный анализ

Полный текст

Атмосферные взвеси как абиотический фактор среды изучаются сравнительно недавно, и на данный момент, к сожалению, приходится констатировать, что системные наблюдения за размерным (гранулометрическим) и вещественным составом взвесей большинства городов России, и в том числе Дальнего Востока, отсутствуют. При этом стоит отметить, что загрязнение атмосферного воздуха является одним из ведущих факторов риска для здоровья населения. К настоящему времени установлена статистически достоверная зависимость от загрязнения атмосферного воздуха заболеваемости бронхитом, пневмонией, эмфиземой легких, а также другими респираторными заболеваниями. Считается, что наиболее опасными являются нано-и микрочастицы воздушных взвесей с диаметром менее 10 мкм (по международной классификации PM10), легко проникающие в организм человека. Кроме того, взвешенные частицы адсорбируют большое количество токсичных веществ, которые также могут попадать во внутреннюю среду организма. Выбор для исследования фона природных и техногенных взвесей города-порта Владивостока и его пригородной зоны на примере связан с особым расположением города на полуострове, далеко выступающем в море, величиной (самый крупный в Дальневосточном федеральном округе) и небольшим прессом предприятий. Выбросы большинства промышленный предприятий Владивостока, рассредоточенных по всей территории города, происходят на высоте не более 50 м, за исключением ТЭЦ-1 (работает на мазуте) и ТЭЦ- 2 (работает на угле), высота труб которых достигает 60—180 м при наибольшем радиусе разброса от 5 до 7 км. Климат Владивостока муссонный: с континентальным атмосферным переносом в зимнее время и морским — в летнее. Целью настоящего исследования являлись эколого-гигиенический анализ и характеризация частиц атмосферных взвесей Владивостока с использованием лазерной гранулометрии и сканирующей электронной микроскопии с элементным анализом. Исследование продолжает нашу серию работ, посвященных сбору данных о количественном (гранулометрическом и фракционном), а также качественном (минералогическом и химическом) составах взвесей городов Дальнего Востока [2—5]. Методы Пробы снега (n = 5) собирались на тринадцати станциях, различающихся экологическими условиями, расположенных как непосредственно в черте города, так и в его пригородной зоне (рис. 1, табл. 1). Снег собирался в момент снегопада зимой 2011/2012 года. Чтобы исключить вторичное загрязнение антропогенными аэрозолями, 14 Экология человека 2013.01 Окружающая среда Рис. 1. Места отбора проб в г. Владивостоке (расшифровка станций отбора в табл. 1) Таблица 1 Станции отбора проб в г. Владивостоке Станция Характеристика 1— район Первая речка Крупный транспортный узел. Близость ТЭЦ-1, работающей на жидком топливе 2 — район Вторая речка Один из крупнейших транспортных узлов Владивостока 3 — Военное шоссе Крупный транспортный узел. Близость железнодорожной развязки 4 — Дальневосточный геологический институт ДВО РАН Относительно экологически благополучный район с отсутствием крупных транспортных развязок. Рядом располагается крупная котельная 5 — Институт биологии моря ДВО РАН Относительно экологически благополучный район с отсутствием крупных предприятий и транспортных развязок. Близость железной дороги. Побережье моря 6 — площадь Луговая Один из крупнейших транспортных узлов Владивостока 7 — улица Всеволода Сибирцева («проспект Красоты») Одна из самых высоких точек Владивостока 8 — улица Пушкинская Крупный транспортный узел. Близость автодороги 9 — полуостров Шкота Крупный транспортный узел. Близость железной дороги и крупного морского порта 10 — район Змеинка Относительно экологически благополучный район с отсутствием крупных предприятий и транспортных развязок 11 — бухта Тихая ТЭЦ-2, работающая на твердом топливе 12 — район Садгород Чистая пригородная зона 13 — поселок Емар Чистая пригородная зона. Здесь находится Всероссийский детский центр «Океан» 15 Окружающая среда Экология человека 2013.01 собирался 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 NanoTech (фирма Fritsch), позволяющем в ходе одного измерения устанавливать распределение частиц по размерам, а также определять их форму. У частиц также измерялись морфометрические показатели: средний арифметический диаметр, мода, медиана, отклонение, среднеквадратичное отклонение, коэффициент отклонения и площадь удельной поверхности. Анализатор обладает не только хорошей воспроизводимостью, точностью и высоким разрешением, но и большим диапазоном измерений (от 10 нм до 2 мм). Измерение частиц можно проводить как в жидкой, так и в сухой средах. Вещественный анализ взвесей производили на электронных микроскопах: Zeiss Ultra Plus с энергодисперсионным спектрометром и Hitachi S3400N c энергодисперсионным спектрометром Thermo Scientific. Напыление образцов для электронного микроскопа производили в первом случае золотом, во втором — платиной. Результаты Ранее [2—5], анализируя атмосферные взвеси, мы разделили их по размерам частиц, согласно данным лазерного анализатора, на пять классов: первый — от 0,1 до 1 мкм (соответствует PM1); второй — от 1 до 10 (соответствует PM10); третий — от 10 до 50 мкм; четвертый — от 50 до 100 и пятый — более 100 мкм. С учетом наблюдений в течение трех лет и на примере нескольких городов Дальнего Востока (Хабаровск, Биробиджан, Благовещенск, Магадан, Уссурийск, Белогорск, Партизанск, Соловьевск) необходимо внести в данную классификацию дополнения. Класс пятый ограничить размером частиц от 100 до 400 мкм и добавить еще два класса частиц: шестой — от 400 до 700 мкм и седьмой — от 700 до 1 000 мкм (табл. 2). Обсуждение результатов Как можно видеть, частицы с экологически значимым диаметром выявлены на полуострове Шкота (точка 9 — 100 % частиц 6—15 мкм) и в районе Дальневосточного геологического института Дальневосточного отделения РАН — ДВГИ ДВО РАН (точка 4 — 34 % частиц 5—10 мкм). Эти микрочастицы скорее всего являются продуктами выбросов ТЭЦ-1 и транспортной нагрузки в первом случае и продуктами выбросов котельной — во втором. В районах «Вторая речка» и «площадь Луговая» были выявлены, правда, в незначительных количествах частицы размером 200—300 нм и достаточно значимое количество потенциально опасных для здоровья микрочастиц (7—15 мкм), что объясняется, по-видимому, автотранспортной нагрузкой. Распределение частиц в снеге по фракциям на станциях отбора проб, мкм, Таблица 2 Класс Точка отбора проб размерности, 0, мкм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Первый 0,1 — 1 0,2 — 0,3 6% 0,2 — 0,3 1% Второй 1—10 5—7 2% 3—4 1% 5—10 34% 4 — 5 1% 5—10 5% 6—10 2% 4 — 5 5% Третий 10 — 50 30—40 7% 7—15 25% 20—30 18% 35—45 2% 8 — 15 33% 15 — 35 28% 6—15 100% 15 — 30 22% 25—35 10% 30—40 63% 40—50 48% 30—40 9% 40—55 4% Четвер тый 50—100 50 — 60 3% 60 — 80 48% Пятый 100— 400 100— 200 5% 200— 400 100% 300— 400 10% 100 — 400 55% 300 — 400 4% Шестой 400— 700 500 — 700 48% 500 — 1000 94% 400— 700 45% 400— 700 67% 400— 700 60% 450— 700 50% 400 — 1000 85% 300— 500 95% Седьмой 700— 1000 800 — 1000 36% 800— 1000 2% 800— 1000 18% 700 — 1000 50% 600 — 1000 3% 16 Экология человека 2013.01 Окружающая среда Рис. 2. Техногенная частица из образца снега, собранного в районе бухты Тихой (ТЭЦ-2). Спектры точек 1, 2 и 3 приведены в табл. 3 На станции отбора проб, расположенной в районе ТЭЦ, преобладает доля крупных частиц шестого и седьмого размерных классов. Типичная техногенная частица из проб в этом районе изображена на рис. 2. В качестве интересного наблюдения стоит отметить наличие в частице взвеси иридия, происхождение которого можно связать с тем фактом, что иридий наряду с медью и платиной применяется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания в качестве материала для изготовления электродов и как компонент автокатализаторов. На станции отбора проб, расположенной в районе Змеинка, также преобладает доля крупных частиц шестого и седьмого размерных классов. В составе частиц преобладают в основном природные минералы (SiO2 — спектр 2 и алюмосиликат — спектр 4) и органический детрит (спектры 1 и 3), что видно на рис. 3 и табл. 4. Более детальные физические характеристики обнаруженных в снеге частиц взвеси, которые также получены с помощью лазерного анализатора, приведены в табл. 5. Таблица 3 Состав микрочастиц из района ТЭЦ по данным энергодисперсионного анализа Эле мент Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3 Масс. % Атомн. % Масс. % Атомн. % Масс. % Атомн. % O 40,97 64,04 40,43 56,02 46,02 58,93 Ca 9,84 6,14 11,86 6,56 2,04 1,04 Na 0,55 0,53 0,51 0,45 Mg 0,43 0,44 1,04 0,95 0,70 0,59 Al 9,49 8,80 12,64 10,39 19,54 14,84 Si 14,31 12,74 20,85 16,46 26,73 19,50 C 1,35 2,82 1,91 3,52 1,91 3,27 K 3,37 2,16 4,56 2,58 2,11 1,11 Fe 0,77 0,34 4,25 1,69 Ir 19,46 2,53 S 1,46 1,01 0,44 0,28 Cl 0,45 0,28 Итого 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 17 Окружающая среда Экология человека 2013.01 Таблица 4 Состав микрочастиц из района Змеинка по данным энергодисперсионного анализа Эле мент Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3 Спектр 4 Масс. % Атомн. % Масс. % Атомн. % Масс. % Атомн. % Масс. % Атомн. % O 19,83 16,46 49,33 61,94 36,11 33,90 36,41 47,48 N 32,59 30,91 12,31 13,20 Ca 7,37 2,76 4,30 2,24 Al 1,53 0,85 12,45 9,63 Si 48,77 34,88 4,55 2,43 31,95 23,74 C 47,59 52,63 1,90 3.17 37,06 46,35 5,55 9,64 S 1,07 0,50 1,60 1,04 Na 5,20 4,72 Mg 0,37 0,31 Cl 0,66 0,39 K 1,50 0,80 Итого 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Таблица 5 Физические параметры частиц взвеси, содержавшихся в снеге в различных районах г. Владивостока Точка отбора Парамет р Сред ний арифм. диа метр, мкм Мода, мкм Ме диана, мкм Откло нение, мкм2 Средне квадра тичное откло нение, мкм Коэфф. откло нения, % S удел. поверх., см2/см3 1 638,45 1003,37 610,23 88986,00 298,30 46,72 328,11 2 16,83 21,92 21,47 68,52 8,27 49,18 20313,61 3 285,05 294,74 282,75 1816,20 42,61 14,95 215,21 4 25,03 39,70 20,06 225,27 15,01 59,94 3991,41 5 724,45 773,76 774,14 55666,7 235,93 32,56 396,62 6 69,61 69,29 65,73 6571,69 81,06 116,45 4095,93 7 384,67 477,55 379,92 17555,62 132,49 34,44 177,96 8 365,94 514,36 481,95 61409,98 247,81 67,71 1078,62 9 8,68 8,35 8,64 0,58 0,76 8,83 6962,86 10 519,04 596,70 569,81 90922,28 301,53 58,09 884,48 11 719,39 931,58 646,88 35386,81 188,11 26,15 89,42 12 727,179 864,755 837,667 100637,5 317,23 43,62 850,76 13 398,40 367,84 378,27 11563,3 107,53 26,99 201,41 Частицы третьего и четвертого размерных классов (10—100 км) обнаруживаются в районах с повышенной автотранспортной нагрузкой (Вторая речка, перекрестки улиц, площадь Луговая) и, по-видимому, являются частицами автомобильной резины, сажи и асфальта [3]. В образцах из районов поселок Емар и Садго-род преобладают наименее опасные с точки зрения экологии и гигиены частицы размером от 300 до 500 мкм, которые визуально представляют собой песок и гравий. Стоит отметить, что атмосферные взвеси Владивостока в целом отражают экологические и геогра фические предпосылки к их составу — небольшое количество источников техногенных взвесей и побережье моря как источник минеральной пыли. По сравнению с ранее опубликованными данными по отбору снега во Владивостоке в 2009—2010 годах [2] стоит отметить преобладание в большинстве (9 из 12) станций отбора проб достаточно крупных частиц пятого, шестого и седьмого размерных классов и низкой удельной поверхностью. Изменчивость качественного и гранулометрического состава взвесей в одной и той же точке пространства, даже в течение одного дня, уже отмечалась исследователями [1, 6—9]. Становится понятным, что при установлении характеристик взвесей в тех или иных районах можно говорить лишь о преобладающих размерах или фракциях, поскольку на данные показатели влияет огромное количество факторов как постоянных (климат, направление ветра, сезонность), так и временных (техногенные: строительство дорог, появление новых предприятий с большим выбросом и природные: пыльные бури и тайфуны). В целом Владивосток с учетом трехлетних наблюдений за гранулометрическим и вещественным составом атмосферных взвесей можно отнести к разряду относительно экологически благополучных городов.

Об авторах

Кирилл Сергеевич Голохваст

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ; ВФ ДНЦ ФПД СО РАМН - НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения; АО ДВНИПИ нефтегаз

Email: droopy@mail.ru
кандидат биологических наук, доцент кафедры нефтегазового дела и нефтехимии инженерной школы

П А Никифоров

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ

П Ф Кику

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ; ВФ ДНЦ ФПД СО РАМН - НИИ медицинской климатологии и восстановительного лечения

В В Чайка

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ

Е Г Автомонов

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ

В В Чернышев

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ; АО ДВНИПИ нефтегаз

Н К Христофорова

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ

И Ю Чекрыжов

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

П П Сафронов

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

А Н Гульков

ФГФОУ «Дальневосточный федеральный университет» Министерства образования и науки РФ; АО ДВНИПИ нефтегаз

Список литературы

Дополнительные файлы