Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Твердые частицы (ТЧ) в настоящее время рассматриваются как крайне опасный загрязнитель воздуха, который способен вызывать ряд проблем со здоровьем у населения. Сообщается, что ТЧ способны проникать глубоко в дыхательную систему и вызывать там хронические воспалительные процессы [1, 2]. Также известно, что данные частицы из-за своего размера могут попадать в кровеносную систему и вызывать ряд проблем с сердечно-сосудистой системой [3, 4], а также обладают канцерогенным эффектом [5, 6]. Возникает определенная закономерность, отражающая увеличение токсичности и опасности пыли с уменьшением ее размера.

Источниками пыли являются и естественные ландшафты [7], и ландшафты, созданные человеком, так называемые антропогенные [8]. В последних по производству пылевых частиц выделяются автомобильные магистрали и горнодобывающая промышленность [8]. Также известно, что размер частиц серьезно влияет на их миграционную способность, в связи с чем наиболее мелкие фракции фиксируются на достаточно удаленном расстоянии от места происхождения. Особенно важно исследовать ТЧ, переносящиеся на значительное расстояние от промышленных предприятий (угольных шахт, разрезов и др.), а также содержащие канцерогенные элементы, их воздействию может массово подвергаться резидентное население. Таким образом, миграционная способность пыли возрастает с уменьшением ее размера.

Известно, что содержание частиц пыли в атмосфере обладает большими флуктуациями, которые обычно связывают с климатическими, погодными [9, 10] и антропогенными факторами [11]. Снежный покров и длительное время аккумуляции в нем загрязняющих веществ из атмосферы позволяют получить интегральный показатель загрязнения воздуха. По этой причине загрязнение снега часто используется в качестве индикатора загрязнения атмосферы в исследованиях [12]. Кроме того, в зимнее время обычно существенно снижается поступление частиц пыли в атмосферу от естественных источников (почвы, растений и т.п.), а возрастает доля частиц пыли от источников, произведенных человеком. В дополнение к этому загрязнение атмосферы в зимнее время существенно выше, что обусловлено снижением адвекции и конвекции воздуха, наличием температурных инверсий в атмосфере и т.п. [13]. Это, несомненно, увеличивает важность и точность подобных исследований в регионах с продолжительными периодами снегонакопления.

Целями исследования являются изучение и оценка объема, размера и морфологических характеристик частиц PM0,1, накопленных в снежном покрове возле угольных карьеров. Данное исследование позволит впервые оценить пылевую нагрузку данной фракцией окрестностей угольных карьеров Кемеровской области – Кузбасса. Размер выбранных частиц обусловлен наибольшей токсичностью данной пыли, ее высокой миграционной способностью и недостаточной изученностью для территорий Кузбасса.

Материалы и методы исследования

Мы изучали окрестности угольных карьеров, расположенных на территории Кузнецкого угольного бассейна (Кемеровская область – Кузбасс, РФ) (рис. 1).

Точки отбора проб снега располагались в присалаирской, центральной и приалатаусской зонах Кузбасса. Вмещающие каменный уголь породы относятся к каменноугольно-пермскому времени, имеют ритмичное строение и состоят из песчаников, алевролитов, аргиллитов, углей, а в отдельных случаях – известняков. Данные породы перекрыты горизонтально залегающими неоген-четвертичными отложениями, представленными преимущественно суглинками. На данных карьерах производится добыча угля открытым способом. Общий ежегодный объем добычи угля различен и составляет до 15–20 млн т в год. Рельеф территории представлен преимущественно широкими речными долинами. Средние высоты составляют 240–260 м. Преобладающие ветры юго-западные и северные в зимнее время года. Среднегодовое количество осадков от 300–400 мм в год с максимумом в летнее время. Рельеф заметно изменился из-за деятельности человека, в основном из-за добычи угля. Почвы представлены преимущественно черноземом. Контрольные образцы отобраны вблизи пос. Кузбасский (К1) и пос. Красное (К2), которые расположены на расстоянии не менее 15 км от угледобывающих предприятий.

Пробы снега отбирались в 2020, 2021 гг. на участках 5x5 м согласно ГОСТ 17.1.5.05-85 на расстоянии 500–3250 м от источника пыли (угольные разрезы). Шаг между точками отбора проб – 500 м. Снег собирали в пластиковые бочки общим объемом 50 л. Пробы отбирали пластиковой трубой, изготовленной из химически стойкого полимерного материала. Чтобы уменьшить попадание частиц почвы в образец во время сбора снега, надземный слой снега толщиной примерно 5 см не отбирался в пробу. Оттаявшие образцы подвергали последовательной фильтрации с помощью мембранных нейлоновых фильтров размером 10, 2,5 и 0,1 мкм (CVS, Сэнфорд, Флорида, США) и вакуумной системы Sterifil (Merck KGaA, Дармштадт, Германия).

Рис. 1. Точки забора снега возле угольных карьеров и контрольных территорий: красные квадраты – точки около угольных карьеров, зеленые квадраты – контрольные точки

Завершающим этапом было получение суспензии PM0,1 путем частичного концентрирования с использованием концентратора Eppendorf и вакуумного роторного концентратора (Eppendorf, Гамбург, Германия).

Изображения частиц менее 0,1 мкм были получены с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ) JEOL JEM-2100 (JEOL LTD, Акишима, Япония) в режиме съемки: изображение в светлом поле и энергия пучка: 200 кэВ. Образцы PM0,1 были диспергированы перед нанесением с помощью микропипетки на сетку с углеродным покрытием на предметных стеклах. Для этого использовали диспергатор Bandelin SONOPULS HD 2070 (BANDELIN, Берлин, Германия) с последующей обработкой ультразвуком до 2 мл в течение 10 мин при мощности 50% на шкале прибора (использовалась максимальная мощность используемого излучателя).

Результаты исследования и их обсуждение

В таблице представлены результаты полученной массы пылевой фракции PM0,1 и скорости ее накопления. Полученные данные по массе пыли и скорости ее накопления свидетельствуют о том, что фракция пыли PM0,1 способна мигрировать на достаточно большие расстояния от угольного карьера. Эти расстояния существенно превышают нормативные требования, составляющие 1 км, для возможного размещения жилой зоны. Контрольные точки наблюдения имеют существенно меньше пыли (PM0,1) в снегу, чем на участках возле угольных карьеров. Отсутствует ранее очевидная закономерность снижения пылевой нагрузки данной фракцией с расстоянием от карьера.

Такая ситуация может быть связана с вторичным переносом уже осевших частиц пыли вместе со снегом, пока они не попадут в наиболее выраженную седиментационную ловушку, которая обычно является крупной балкой с растительностью. Но данные результаты требуют дополнительной проверки с более детальными площадными исследованиями. Таким образом, пылевая нагрузка на расстоянии 1–3 км показывает содержание пыли фракции PM0.1 в 2–3 раза выше, чем на контрольных территориях. Можно предположить, что на интенсивность загрязнения пылевыми частицами отдельных участков ландшафтов в зимний сезон года большое влияние оказывает рельеф, в том числе микрорельеф, определяющий условия седиментации перевеиваемых снежных масс с пылью.

На рисунке 2 показаны фотографии пылевой фракции, полученной с помощью ТЭМ. Среди размеров частиц во фракции PM0,1 преобладает размерность 0,5–0,6 мкм. Форма частиц часто вытянутая в одном направлении, но также встречаются и частицы формы, близкой к изометричной.

Характеристики извлеченной из снега пыли фракции РМ0,1

Рис. 2. ТЭМ-фото пылевой фракции PM0,1 из окрестностей угольных карьеров

По ранее полученным данным рентгеновской, рамановской спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа частицы пыли PM0,1 представлены в основном кальцитом (CaCO3), гипсом (CaSO4*2H2O), а другие минеральные виды находятся в меньшем количестве. В другом исследовании отмечается присутствие кварца в пробах PM0,1 [14]. Вследствие этого форма частиц связана со свойствами преобладающих минералов в пыли. Ранее установленный элементный состав показал присутствие Sr, Cu, Zn, Hf, Al, Mn, Zr, Rn [14]. Некоторые из них являются весьма токсичными для человека. Наблюдаемые в исследовании морфологические формы ТЧ, обладающие большой поверхностью, могут приводить к абсорбции на их поверхности металлов, полиароматических углеводородов (ПАУ) и других органических соединений, которые способны усиливать токсическое воздействие пыли, в том числе и на ДНК [15].

Выводы

В исследовании произведена оценка объема, размера и морфологических характеристик частиц PM0,1, а также пылевой нагрузки данной фракцией в окрестностях четырех предприятий по добыче угля открытым способом и на двух контрольных территориях в пределах Кемеровской области – Кузбасса. Выявлено, что содержание пылевых частиц в снежном покрове вблизи мест открытой добычи угля существенно превосходит уровень данного показателя на контрольных территориях, не затронутых горнодобывающей деятельностью. Результаты исследований показали, что фракция пыли PM0,1 способна мигрировать от источника на значительные расстояния, существенно превышающие размеры установленных санитарно-защитных зон. Кроме того, не выявлено закономерного изменения количества и состава пылевых частиц указанной фракции от точки к точке в зависимости от расстояния в пределах исследованной территории. Вероятно, твердые частицы фракции PM0,1 способны переноситься на весьма существенные расстояния от источника во взвешенном в воздухе состоянии, а также путем перевеивания снега. Можно предположить, что на интенсивность загрязнения пылевыми частицами локальных участков ландшафтов в зимнее время большое влияние оказывают микрорельеф и микроусловия седиментации. В гранулометрическом отношении господствовали частицы размером 0,5–0,6 мкм вытянутой и изометричной формы, часто со сложной поверхностью, преимущественно кальцитового состава. Сложная форма поверхности, благоприятная для адсорбции большого количества различных компонентов, в совокупности с выявленным содержанием тяжелых металлов является фактором, потенциально определяющим их токсичность для человека и различных компонентов экосистем. Для более полного установления пространственных особенностей пылевого загрязнения, факторов, определяющих накопление в снежном покрове частиц фракции PM0,1, перспективны дальнейшие исследования с углубленной детальностью и расширенной площадностью.