Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис) (РНФ)НИР

Integrated technology for environment assessment of Moscow megacity based on chemical analysis of microparticle composition in the "atmosphere - snow - road dust - soil - surface water" system (Megacity)

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 24 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис)
Результаты этапа: 1.1. Количественные данные об объемах и структуре эмиссий автотранспорта с анализом факторов, влияющих на эмиссии. Проведено сравнение эмиссии автотранспорта Москвы с другими европейскими столицами (Лондон, Париж, Берлин и Мадрид). Объем выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников имеет тенденцию к сокращению в большинстве европейских столиц. Но в Москве выявлено увеличение эмиссии в 2008 г. на 40 % по сравнению с 1998 г., обусловленное ростом благосостояния населения, его низкой обеспеченностью личным транспортом, а также значительным количеством подержанных иномарок в структуре автомобильного парка. В настоящий момент динамика выбросов от передвижных источников в Москве ближе к показателям стран ОЭСР, чем общероссийская. Максимальное отклонение Москвы от стран ОЭСР и общероссийских показателей по динамике выбросов от автотранспорта наблюдалось в период 1998-2008 гг., в настоящее время тенденции сближаются. Проведен анализ изменения автомобилизации населения г. Москвы в 1990-2017 гг. на фоне других городов России и мира, проведен анализ структуры автомобильного парка. Москва стала одним из лидеров роста автомобилизации в постсоветский период (на втором месте после Приморья и Сахалина). Максимальный годовой прирост числа автомашин (19,1%) наблюдался в начале 90-х годов. За период 2011-2013 гг. темпы увеличения автопарка города снизились до 2-5% в среднем за год, что свидетельствует о насыщении рынка, а после 2014 г. – о падении реальных доходов населения, когда личный автопарк сократился на 8%, а автопарк организаций на 6%. Разработана методика оценки территориальной структуры эмиссии от автотранспорта, включающая ряд последовательных этапов: моделирование интенсивности транспортных потоков, их структуры, расчет поля рассеяния выброса и определение ареала загрязнения, расчет объема и плотности выбросов в ареале (тонн/км2 в год). Всего в городе было выделено более 93 тыс. ареалов. Регрессионный анализ позволил выделить основные факторы трансформации территориальной структуры выбросов от автотранспорта. Динамика загрязнения атмосферы стала результатом совместного воздействия трансформационных и унаследованных факторов. На сегодняшний день в Москве концентрируется 10% автопарка России, свыше 4 млн. автомобилей. По данным ФНС, количество зарегистрированных личных автомобилей на 1000 жителей по районам Москвы различается в 4 раза с максимумом 500-900 автомобилей/1000 жителей в районах севера и северо-запада столицы. Однако, межрайонные различия по общему числу зарегистрированных автомобилей значительно выше, они превышают 25 раз. Изменения в структуре автопарка имеют разнонаправленный характер: с одной стороны, они привели к улучшению качества топлива, вызванного ростом эколого-ориентированного спроса, с другой – доля автомобилей с двигателем 150-250 л.с. в 3 раза выше, чем в среднем по стране. Влияние плотности улично-дорожной сети (УДС) – один из самых противоречивых факторов: с одной стороны, строительство дорог создает новые ареалы загрязнения, а с другой – объем выбросов от автотранспорта снижается при движении автомобилей без заторов, в которых пробеговый выброс возрастает на 30%. К 2017 г. увеличение плотности УДС происходит именно в тех районах, где плотность была несколько ниже среднего по городу уровня. Таким образом, более равномерное распределение плотности УДС по территории города также стало фактором снижения объемов выбросов и усиления равномерности их распространения в пределах города. Новое строительство при нынешней планировочной структуре и пропускной способности дорог дополнительно увеличивает нагрузку на МКАД и основные радиальные магистрали. За период 2011-2017 гг. в Москве в границах 2012 г. основное новое строительство располагалось в тех районах города, где плотность населения и застройки была относительно невысокой. Однако локализация крупных комплексов стимулирует к использованию радиальных автомагистралей города. Для большей части шоссе характерно увеличение средней плотности выбросов на отрезке от ТТК до МКАД по сравнению с участком Садовое кольцо – ТТК. Плотность населения городов отражает тип преобладающего жилого фонда, а также влияет на формы организации системы городского транспорта. Развитие общественного транспорта в Москве, в совокупности с рядом мер экономического и запретительного характера позволило в последние годы значительно разгрузить центр города. Этому способствовало и создание новых линий подземного транспорта. В результате в районах центра объем выбросов от автотранспорта снизился на 10-20%. Градостроительные стратегии Правительства Москвы были оценены на примере реконструкции дорожной сети в Юго-Восточном административном округе (ЮВАО). Расширение магистралей ближе к центральной части Москвы на участке до ТТК привело к увеличению средней скорости движения автотранспорта и снижению продолжительности заторов. Однако преобразования транспортной инфраструктуры района не дали полного решения проблемы пропускной способности дорог ЮВАО. Обобщение вышеизложенного позволило выявить ряд тенденций в динамике плотности выбросов в атмосферу от автотранспорта за последние 7 лет. На всей территории Москвы наблюдается снижение плотности эмиссии вредных веществ, на 70% территории плотность выбросов не превышает 500 т/км2*год. Практически все ареалы повышенной плотности загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, располагаются только в пределах воздействия автотранспортных магистралей. За последние 7 лет наблюдается образование новых ареалов вдоль новых трасс и развязок, заполнение дворов и их использование в качестве дневных парковок. Антропогенное воздействие все больше переходит из районов, где сосредоточены места работы населения, в места его проживания. 1.2. Особенности химического состава эмиссий автотранспорта. В состав выхлопных газов, как правило, входят макроэлементы (CO2, H2O, O2, N2, H2), продукты неполного сгорания и неконтролируемые выбросы (SO2 , SO42- , альдегиды, NH3 и взвешенные частицы, а также амины, нитрозамины, гидроген цианид, фенолы, H2S, карбонил сульфиды, серосодержащие органические вещества, галогены, металлические частицы (включая редкоземельные металлы). Однако одними из наиболее опасных для здоровья человека веществ, входящих в состав выбросов, являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и тяжёлые металлы (ТМ). Для дизельных двигателей характерна пониженная концентрация газообразных примесей, но значительно большее содержание взвешенных частиц в выбросах по сравнению с бензиновыми. Преимущество дизельных двигателей в том, что они имеют больший энергетический выход и потребляют меньше топлива и выбрасывают меньше загрязнителей всех классов, чем бензиновые. Вещественный состав частиц дизельных выхлопов: 71% элементарный углерод, 24% органические вещества (адсорбированные), 3% сульфаты, 2% другие компоненты (оксиды металлов). Из металлов в дизельных выбросах могут присутствовать Fe, Ca, Zn, Pb, Pt и др. Органические загрязнители воздуха делятся на две фазы: связанные со взвешенными частицами и содержащиеся в газовой фазе. ПАУ в газовой фазе более токсичны, чем связанные с частицами, так как легче переходят в кровь. В выбросах дизельных двигателей доля ПАУ, адсорбированных на взвешенных частицах, составляет 40%, нафталин и аценофтен преобладают в газовой фазе (99 и 73%). Высокомолекулярные ПАУ преобладают во взвешенных частицах. Количество ПАУ в выбросах зависит от типа двигателя и особенностей систем очистки. У дизельных двигателей преобладают 2-3-кольчатые ПАУ, у бензиновых двигателей – нафталин, флуорен, бенз(е)пирен, аценофтилен, пирен, аценофтен. В среднем 80% во всех выбросах занимают легкие ПАУ, из которых 60% приходится на нафталин. Одной из самых опасных для здоровья человека фракций являются частицы PM2,5. Выбросы PM2,5 в выхлопах бензиновых двигателей составляют 361-1020 мкг/л топлива [Lin и др., 2019a]. Во взвешенных частицах преобладают легкие ПАУ. Структура ПАУ, связанных с частицами PM2,5, следующая: 2-3-кольчатые ПАУ – 67%, 4-кольчатые – 19%, и тяжелые ПАУ – 15%. Тяжелых ПАУ больше в бензиновых выхлопах, чем в дизельных. После попадания в атмосферу ПАУ подвергаются фотоокислительным процессам с OH, NOx, O3 с образованием более токсичных окси- и нитро-ПАУ. Во взвешенных частицах дизельных выхлопов самыми реактивноспособными с NO2 являются пирен и бенз(а)пирен. Источниками ТМ, связанных с автотранспортом, являются горение топлива, износ тормозных колодок и коррозия металлических частей. Из-за коррозии двигателя и выхлопной системы в выбросах присутствует Fe, Zn, Cd, Cu и Ba. Окисление смазочных масел ведёт к последующей коррозии ТМ с высвобождением Zn, Cu, Cd, Ni, Cu и Mo. Pb широко использовался как антидетонирующая добавка к бензину до 2000 гг., в настоящее время в качестве добавки используется Mg. С введением каталитических нейтрализаторов в окружающей среде стали накапливаться металлы группы Pt (Pd, Rh, Ru, Ir, Os). Все металлы связаны со взвешенными частицами. На крупных трассах размеры частиц обычно <0,1 мкм, при движении внутри города средний размер частиц увеличивается до 5 мкм. Дизельные выхлопы содержат 2 типа частиц: углеродистые (сажа) и металлические частицы. Металлические частицы состоят из Fe с примесью Mn, Cr и следовыми количествами Sb, а углеродистые частицы обогащены Al, B, Ba, Cr, Cu, Fe, Na, Ni и Zn. Исследования 20 моделей дизельных автобусов выявило преобладание в выхлопах крупных частиц (PM50), что связано с большими объёмами двигателей. В элементном составе всех частиц преобладал Zn, высокие концентрации были характерны также для Al, Cd, Cu, Fe, Mg, Ni, Pb. Почти треть источников PM2,5 в придорожной зоне обусловлено тяжёлыми автомобилями, что можно объяснить использованием на грузовиках и автобусах органических колодок с примесью Cu и Ba, и большей интенсивностью пыления от тяжёлого транспорта. Таким образом, выхлопы автомобилей являются важным источником ПАУ и ТМ в атмосферном воздухе. Дизельные двигатели в целом выбрасывают меньше газообразных загрязнителей, чем бензиновые, но больше взвешенных частиц и ассоциированных с ними металлов и тяжёлых ПАУ. Основными металлами в выбросах автомобилей являются Fe, Ca, Zn, Ba, Cu, Mg, при истирании тормозных колодок поступают Fe, Ba, Cu, при истирании шин – Zn и Sb, с эрозией дорожного полотна – Pb, Cr, Al, Cd. В выхлопах преобладают легкие ПАУ, в особенности нафталин. При работе дизельных двигателей образуется меньше ПАУ, чем у бензиновых, которые имеют большую долю тяжёлых ПАУ. Вклад автомобилей в выбросы ПАУ в составе частиц РМ10 и РМ2,5 оценивается в 61,7% и 62,2% соответственно, тогда как вклад ПАУ, образующихся при износе дорожного покрытия, тормозных колодок и шин, оценен в 22,1% и 19,3%. 2. Уровень загрязнения дорожной пыли Москвы большинством ТММ определяется ее гранулометрическим составом и содержанием оксидов Fe и Mn, то есть наличием сорбционно-седиментационного и хемосорбционного геохимических барьеров соответственно. С увеличением доли физ. глины в дорожной пыли возрастает концентрация Sb, Cd, Cu, Ba и уменьшается у Cu, Pb, Bi, As. Положительная связь между глинистой фракцией и содержанием поллютантов указывает на их поступление от техногенных источников или при выдувании тонких частиц РМ10 из придорожных почв, а отрицательная – на поставку элементов с частицами песка. Хемосорбционный барьер обуславливает накопление в дорожной пыли Sb, Cd, Mo, Zn, Sn, Cu, W, Bi, Ba. Аккумуляция Pb, Cd, Zn, Sn, W, Ba связана с наличием органоминерального барьера. Накопление ТММ в дорожной пыли сильно зависит от интенсивности антропогенного воздействия (АВ), что выявлено по связи концентраций ТММ с типом дороги (Pb максимально накапливается в пыли на крупных и малых дорогах, Sb – МКАД и крупных дорогах, Cu – крупных дорогах, Zn – МКАД и ТТК, Mo и As – крупных, средних и малых дорогах, Sn и Bi – ТТК и крупных дорогах, Ba – главных шоссе и крупных дорогах) и с интегральным индексом АВ (для Pb, Cd, Ba, As). Косвенно зависимость концентраций Sb, Mo и Bi от уровня АВ выявлена по связи с удельной электропроводностью, являющейся интегральным показателем присутствия в пыли большого количества водорастворимых соединений техногенного происхождения. Геометрия городских каньонов – важный фактор распределения в дорожной пыли Москвы всех ТММ, кроме W. Это связано с активным продуванием дорог в направлении движения транспорта. Воздушные потоки перемещаются вдоль зданий, выступающих в роли механических барьеров, препятствующих движению воздуха в перпендикулярном к автомобильному транспортному потоку направлению. В результате частицы пыли интенсивно выдуваются за пределы каньонов в местах их прерывания, например, на перекрестках. Этот эффект выявлен у Pb при росте средней ширины каньона более 85,5 м и для Sb, Cd, Zn, Bi и As при увеличении средней высоты зданий, образующих борта каньона, больше 13,5-24,5 м. Однако каньонный эффект резко ослабевает при увеличении отношения высоты каньона к ширине. В высоких и узких каньонах перемещение воздушных потоков затруднено, что приводит к накоплению ТММ в частицах дорожной пыли. Барьерный эффект зданий проявляется для Cd, Mo, Zn, Bi, Cu и Sn при отношении высоты к ширине более 0,19-0,42. Чем больше прерывистых участков, для которых нельзя определить геометрические параметры (перекрестки, участки лесопарков с одной стороны дороги, пространства между отдельно стоящими зданиями и т.д.), тем интенсивнее частицы могут выноситься за пределы каньона. Чем меньше прерывистых участков, тем больше выражен барьерный эффект. Последняя ситуация характерна для Sb и Cd (при доле участков с известными параметрами более 0,93-0,94). Для As установлена обратная ситуация – рост прерывистости каньона приводит к увеличению концентраций As в дорожной пыли, так как основные источники этого металлоида – выбросы промышленных объектов и выдувание загрязненных As частиц городских почв. По этой же причине выявлена отрицательная связь между концентрациями As в дорожной пыли и средней длиной каньона – с ростом его протяженности более 2441 м увеличивается количество прерывистых участков, что способствует привносу элемента с прилегающих территорий. Для Mo характерна иная ситуация – при средней длине каньона > 1836 м увеличивается число участков, на которых изменяется характер движения транспорта (наличие светофоров, поворотов, повышенный риск образования заторов из-за большого числа транспорта на длинных участках дорог и т.д.), что приводит к росту выбросов Mo, поступающего при истирании металлических частей автомобилей. На распределение ТММ в дорожной пыли Москвы также оказывает влияние ориентация каньона в пространстве. При ориентации каньонов на 37, 38, 49 и 89 градусов по часовой стрелке относительно направления на север концентрации Mo, Pb, Bi и Sb снижаются, поскольку в Москве летом преобладают ветры западного и северо-западного направлений. При таком сочетании положения каньона и направления преобладающих ветров здания, являющиеся бортами каньона, выступают в качестве барьеров для проникновения внутрь каньона загрязненного воздуха с прилегающих территорий. 3. Оценка уровней опасности неканцерогенных ТММ для здоровья населения. Расчет среднесуточного хронического поступления микрочастиц на фоновых участках в организмы взрослого и ребенка показал, что индексы ADDingest и ADDingest уменьшаются в ряду Zn > V > Cr > Cu > Pb > Ni > Co > As > Sn > W > Mo > Sb > Bi > Cd. Значение этих индексов сильно варьирует в зависимости от элемента – от 1,7 * 10-8 до 1,2*10-4 мг кг-1∙сут. Совершенно иная картина наблюдается в городских ландшафтах. Из-за поступления ТММ с продуктами эксплуатации автотранспорта и промышленности значения ADD в различных административных округах Москвы по сравнению с фоновыми значениями возрастают в 1,3-6,3 раза. В ЦАО установлены наивысшие средние значения этих показателей для Cr, Cd, Co, Zn и Sn; в ЮАО – для As, Cu и Sb; в ЮЗАО – W и Mo; в СВАО – V и Bi; ЗАО – Pb. Также наблюдается дифференциация в зависимости от интенсивности движения: наивысшие средние значения для Cr, Co, Ni, V, Zn, Sn, W выявлены в микрочастицах, отобранных на ТТК; As, Pb, Cu, Mo – крупных улицах; Sb – МКАД; Bi – радиальные шоссе. Проглатывание частиц загрязнённой почвы при потреблении пищи, во время детских игр, прогулок и т.д. является основным путем поступления неканцерогенных элементов как у взрослого человека, так и у ребенка. Анализ значений HQ показал, что в организм взрослого человека пероральным путем поступает 60-64% всех исследуемых ТММ, а в организм ребенка – 95,6-96,2%. Аналогичные результаты были получены и другими авторами [Fryer и др., 2006; Li и др., 2014; Qu и др., 2012; Timofeev, Kosheleva, Kasimov, 2019]. Оценка риска для здоровья населения по суммарному индексу HI, учитывающая оба пути поступления загрязненных почвенных частиц, показала, что наибольшее воздействие для взрослого населения, вне зависимости от округа, оказывают Cr, V, Co, Pb, Sb и W (приложение, рис. 2), на долю которых суммарно приходится 94-97%, а для детского – Sb, Co, Pb, Zn, Ni и Mo. По интегральному показателю административные округа г. Москвы можно расположить в порядке убывания HI: ЗАО > ЦАО > СВАО > ЮЗАО > ЮАО > ВАО > СЗАО > ЮВАО > САО. Повышенные содержания Cr, Pb, Sb, W, Zn, Ni и Mo также отмечаются в поверхностных горизонтах почв г. Москвы [Касимов и др., 2016], что указывает на антропогенные источники данных элементов. Для Co и V отмечаются низкие контрольные дозы Rfdo, что особенно проявляется при анализе детского населения. Подобное отмечалось и ранее [Li и др., 2014; Timofeev, Kosheleva, Kasimov, 2019]. Вне зависимости от административного округа средние значения HI для взрослого человека не превышают 0.16, что свидетельствует о низком уровне опасности для здоровья. Дети имеют более высокую восприимчивость к воздействию загрязнителей на единицу массы тела вследствие их физиологических и поведенческих особенностей [Gabarrón, Faz, Acosta, 2017; Man и др., 2010; Qu и др., 2012]. Наивысший уровень опасности для детей выявлен в ЗАО (HI = 1,25). Оценка уровней опасности канцерогенных ТММ для здоровья населения. Анализ риска развития злокачественных опухолей под влиянием канцерогенных элементов показал, что показатель ILCR на всей исследуемой территории убывает в ряду Cr > Cd > As > Pb. Относительно фона в результате антропогенного воздействия резко возрастает (в 1,4 – 7,3 раза) риск развития злокачественных опухолей от Cr и Pb. Наивысшие средние значения показателя имеет Cr в ЦАО – 3.4*10-5, что соответствует среднему уровню риска. Максимум 2,1*10-4 зафиксирован вблизи Семёновской наб., между ул.Новая Дорога и Гольяновская ул. Практически все значения канцерогенного риска при поступлении пероральным путем для Pb и через контакт с кожей для As и Pb лежат ниже 10-6, что соответствует очень низкому уровню. Исключением являются участки дорог в ЮАО по показателю ILCRdermal. Анализ суммарного риска развития рака под влиянием четырех канцерогенных элементов показал, что среди двух рассматриваемых путей поступления ТММ наибольшее влияние оказывает контакт с кожей, на долю которого приходится от 30 до 62% TR. На территории г. Москвы среднее значение TR составляет 1.02*10-4, что соответствует высокому уровню риска, достигая максимальных значений в ЦАО. Основной вклад вносят Cr и Cd, на долю которых суммарно приходится от 38-98 % TR. Эти элементы вызывают рак легких, кожи, почек, печени, нарушения в строении ДНК и множество других заболеваний [Kim, Kim, Seo, 2015; Zhang и др., 2012; Żukowska, Biziuk, 2008].Третьим по значимости является As, доля которого в локальных аномалиях составляет 60% от TR. 4. Изучено влияние литогеохимических особенностей почвообразующих пород на гранулометрическое фракционирование Fe, Ti, Zr, Mn, Cu, Ni, Co, Cr, Pb, Zn в гумусовых горизонтах фоновых почв Смоленско-Московской возвышенности: -литологически неоднородном овраге (покровные суглинки водосборной территории на склонах и в днище сменяются супесчаными отложениями флювиогляциального генезиса), -литологически монолитной балке, сложенной суглинистыми отложениями. Содержание металлов определено в гранулометрических фракциях 1–0,25 мм, 0,25–0,05, 0,05–0,01, 0,01–0,001, 0,001 мм. Эрозионные формы расположены в средней части бассейна р. Протвы. Установлено, что относительно других фракций во фракции 1–0,25 мм почв оврага концентрируется Fe, а балки – Cu, Co, Mn. К этой фракции приурочено минимальное содержание Ti и Zr в обеих эрозионных формах. Во фракции 0,25–0,05 мм почв оврага самое низкое содержание Cu, Zn, Cr. Во фракции 0,05–0,01 мм почв обеих эрозионных форм максимальное содержание Zr, в балке наблюдаются минимальные концентрации Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, а в овраге – Fe, Mn, Co, Ni. Фракция 0,01–0,001 мм почв оврага и балки содержит максимальное количество Ti, а в овраге – еще Cu и Pb. В илистой фракции обеих эрозионных форм максимально содержание Zn, Ni, Cr, Mn, к которым в овраге добавляется Co, а в балке – Pb, Fe, Cu; концентрация Cu не отличается от таковой в крупном песке. Вариабельность содержания металлов уменьшается в ряду песок→пыль→ил. В овраге коэффициент вариации содержания (Сv) большинства элементов во фракции 1−0,25 мм более 50%. В балке минимальные значения Сv отмечены для содержания Ti и Zr ~ 40%, а максимальные − для Cu и Ni >75%. Вариабельность Co, Fe, Mn − 50%. Во фракции 0,25–0,05 мм почв оврага по сравнению с крупным и средним песком значения Сv для содержания Ti, Mn, Cr, Zr, Pb уменьшается, но увеличиваются для Cu − 89%, Ni, Zn, Fe >60%. В балке по сравнению с оврагом Сv больше для содержания Pb и Cr. Для содержания Mn, Co, Ni, Cu, Fe эта величина ниже в 2 раза и почти не изменяется для Zn, Ti, Zr. Во фракции 0,05–0,01 мм почв оврага Сv содержания всех металлов, кроме Fe и Mn, уменьшается по сравнению с песчаными фракциями и составляет 20-40%. Во фракции 0,01–0,001 мм почв оврага и балки Сv содержания металлов слабо отличается от такового в крупной пыли. В балке по сравнению с оврагом Сv меньше для содержания всех элементов в 1,5-2 раза. В илистой фракции оврага значение Сv минимально для содержания большинства элементов: 15-29%. В балке по сравнению с оврагом более низка вариабельность Zr, Pb, Mn, Ti, Zn (в 1,5-2 раза). Вариабельность металлов в тонких фракциях почв балки меньше, чем в овраге, что, очевидно, свидетельствует об их более интенсивном педогенном преобразовании. В юго-восточной части Смоленско-Московской возвышенности охарактеризовано содержание и радиальное распределение металлов в гранулометрических фракциях генетических горизонтов типичных почв. Выявлено поверхностно-аккумулятивное распределение Mn, Co и Pb в почвенной массе и во всех фракциях, кроме крупной и средней пыли. Радиальное распределение Zr в составе всех песчаных фракций поверхностно-аккумулятивное, в мелко-пылеватой и илистой фракциях – равномерное, в крупно- и среднепылеватых зависит от почвенного профиля. Радиальное распределение Fe, Ti, Cr, Ni, Cu отличается низкой контрастностью во всех фракциях. Поверхностно-аккумулятивное распределение более характерно для металлов в песчаных, мелкопылеватой и в илистой фракциях, что, вероятно, обусловлено биосорбционными процессами. Равномерное распределение или накопление металлов в нижней части профиля почв более типично в составе крупно- и средне-пылеватой фракций. Максимальное сходство поведения большинства металлов обнаружено в почвенной массе и в илистой фракции, а минимальное – в почвенной массе и крупной пыли, что подтверждает предположение об аллохтонном генезисе последней и ее слабом преобразовании педогенными процессами. Проанализировано латеральное распределение металлов в гранулометрических фракциях гумусовых горизонтов почв типичных для ландшафтов Смоленско-Московской возвышенности гетеролитных катен: водораздельно-долинной и водораздельно-овражной. Равномерное распределение в почвах водораздельно-овражной катены выявлено для Fe, Pb, Zn, Cu − в почвенной массе, Cu − во фракции 1–0,25 мм, Fe и Co − во фракции 0,05–0,01 мм. Равномерное распределение в гумусовых горизонтах почв водораздельно-долинной катены характерно для Fe, Pb, Ni в почвенной массе; Pb – во всех гранулометрических фракциях; Ti – в илистой фракции; Zr – во фракции крупной пыли. Уменьшение содержания металлов в почве нижней части водораздельно-овражной катены характерно для Mn, Co, Zn, Ti, Zr во фракции крупного песка; в водораздельно-долинной катене – Co, Mn, Zn, Pb в крупном песке и Zn, Zr, Pb – в илистой фракции, Mn, Zn, Pb – в песчаных фракциях. 5. Начата разработка современной технологии оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе измерений аэрозольной нагрузки атмосферы и осадков. Основным результатом первого года проекта явилось создание инструментальной базы на основе современной методологии анализа качества воздуха и мировых стандартов глобальной сети наблюдений станций GAW. Аэрозольный комплекс установлен на Метеорологической Обсерватории (МО) МГУ, где непрерывно работал в летние (июнь и июль) и осенние (сентябрь, октябрь, ноябрь) месяцы 2019 года. В ходе двух измерительных кампаний были применены разработанные методики непрерывного отбора микрочастиц РМ10 из атмосферы, впервые получен набор проб, характеризующий суточную изменчивость состава аэрозолей городского фона Московского мегаполиса. Наиболее значимым инструментально-методическим результатом явилась разработка технологии мониторинга черного углерода (Black carbon – BC) в длительных и краткосрочных кампаниях вблизи источников эмиссий. На ее основе проведен анализ данных измерений ВС весной 2017 и 2018 гг., по результатам проведенного анализа опубликована статья в журнале «Geography. Environment. Sustainability”. Многообразие источников техногенных и пирогенных эмиссий в городской среде привело к необходимости развития методологии идентификации влияния источников эмиссий на состав аэрозолей путем определения состава маркеров, которые позволяют разделять источники эмиссий сжигания, пылевой фракции, дальнего переноса по разнице химического состава и микроструктуры микрочастиц. С этой целью на отобранных пробах протестированы и апробированные новые методы всестороннего анализа состава аэрозолей, а именно, определения ионной фракции, полиароматических соединений и элементов. Особое внимание уделено характеристике продуктов эмиссии одного из самых значимых и наименее изученных источников сжигания природного газа. Для определения состава его эмиссии в лабораторных условиях разработан метод Фурье-ИК спектроскопического анализа, по результатам исследований опубликована статья в Aerosol and Air Quality Research. 6. В сериях непрерывных измерений массовой концентрации ВС получена значительная ежедневная изменчивость, в среднем 1,42±0,03 и 1,38±0,03 мкг/м3 в июне и июле, и 1,55±0,02 и 1,05±0,02 мкг/м3 в сентябре и октябре 2019 г. В летние месяцы суточный ход ВС характеризуется стабильно высоким уровнем ночью из-за интенсивного движения грузового транспорта в ночное время и минимумом в дневные часы. Осенью, в отличие от лета, в утренние часы зарегистрирован максимум, именно на это время начала работы предприятий приходится пиковая активность ТЭЦ. Полученные сезонные различия ВС подтвердились подобным трендом в апреле 2017 и 2017 г. С окончанием отопительного сезона исчезает потребность в выработке тепла, что приводит к снижению интенсивности работы теплоэлектростанций. В итоге, сглаживается общая амплитуда суточного хода и исчезает утренний максимум ВС в летние месяцы. По розе загрязнений северо-западное и юго-западное направления определены как преимущественные для выноса наиболее высоких концентраций ВС. Значительное влияние юго-западного направления объясняется наличием на этом направлении обширной Очаковской промзоны, а также транспортных пересадочных узлов (Тропарево, Теплый стан). Зарегистрированы эпизоды максимального загрязнения, которое в дни наиболее высокой доли ВС в полной концентрации РМ10 достигает 25%. В районе Метеообсерватории проведено опробование верхнего горизонта почв по сетке с шагом 500-600 м, а также дорожной пыли. В полученных пробах определены основные физико-химические свойства (рН, Сорг, гранулометрический состав) и валовое содержание ТММ. 7. Обоснован научно-методический подход для развития технологии многоволновых аэталометрических измерений концентрации черного углерода и программного обеспечения измерений концентрации черного углерода при длительном мониторинге и в краткосрочных кампаниях вблизи источников эмиссий. Основное содержание работы – развитие методологии аэталометрических измерений черного углерода для проведения мониторинга в реальном времени. Измерения поглощения осажденных при прокачке воздуха на фильтре микрочастиц проводятся на трех длинах волн в синей, зеленой и красной области спектра. Для проведения измерений используются сменные фильтры из кварцевого волокна. Разработаны принципиальные схемы основных блоков аппаратуры и структурная схема прибора в целом. Разработан блок управления электродвигателем вакуумного насоса, который включает возможность включения и выключения вакуумного насоса с периодичностью, устанавливаемой оператором. Разработаны алгоритмы коррекции результатов измерений для устранения температурных дрейфов, а также программное обеспечение, реализующее эти алгоритмы. Разработан микропроцессорный блок и блок отображения информации, обеспечивающие функционирование аппаратуры с учетом возможности отображения данных измерений и режимов работы. Разработан блок рабочей программы для обеспечения возможности установки оператором уточненного калибровочного коэффициента и периодов включения и выключения вакуумного насоса. Разработан алгоритм обработки данных и программного обеспечения, реализующего разработанную технологию. 8. Значения δ18О в атмосферных осадках Москвы в 2015 г. изменялись от –25.63‰ в декабре до –1.21‰ в мае, в 2016 г. изменялись от –28.943‰ в январе до +1.8‰ в апреле, обнаруживая закономерный сезонный ход с максимумом в апреле-июле и минимумом в декабре-январе. Средневзвешенные по количеству осадков среднемесячные значения δ18О коррелируют со среднемесячными значениями температуры воздуха, коэффициент корреляции составил 0.95. Для всех событий выпадения осадков в 2015-16 гг. коэффициент связи значений δ18О-t° составил 0.49‰/°С, а для среднемесячных средневзвешенных величин 0.5‰/°С с выраженным возрастанием коэффициента достоверности линейной аппроксимации при переходе к среднемесячным значениям. Выраженное нарушение связи δ18О–t° было отмечено для февраля, мая и ноября 2015-16 гг. В мае это связано с испарением в подоблачном слое и происхождением воздушных масс. Процессы испарения приводили к потере влаги от 5 до 25%, что, в свою очередь, утяжеляло изотопный состав осадков от 1 до 6‰. Однако, не для всех дней испарение играло значительную роль. В феврале и ноябре изменение связи δ18О/t° связано с частой сменой основных воздушных масс и пестрой картиной происхождения влаги в этот период года. Общая минерализация индивидуальных осадков в 2015 г. варьировала от 3.5 мг/л до 268.5 мг/л, максимальные значения отмечались в осадках марта и апреля (когда выпадали отдельные дожди с минерализацией до 145–175 мг/л), 70% случаев выпадения осадков в 2015 г. на МО МГУ характеризовались общей минерализацией менее 30 мг/л. Это соответствует средним многолетним величинам минерализации осадков для периода с 1982 по 2015 гг. Годовые значения всех ионов и минерализации в 2016 г. ниже, чем в 2015, поскольку в 2015 г. осадков было гораздо меньше, чем в 2016 г. (735 и 939,5 мм соответственно), т.е. в 2016 г. атмосфера очищалась более регулярно, и высокие концентрации ионов в пробах встречались гораздо реже. Особенно «чистыми» оказались холодные месяцы 2016 г.: средняя минерализация, а также содержание ионов сульфатов, гидрокарбонатов, кальция и магния оказались самыми низкими для холодных месяцев за все годы наблюдений. Это объясняется превышением количества осадков в эти месяцы по сравнению с многолетними наблюдениями почти на 100 мм. Значения δ18О в осадках варьировали в гораздо более широком диапазоне, чем в воде рек Москвы: от –1,22, –4 ‰ в июне до –14, –16‰ в ноябре, отмечен явный тренд снижения значений δ18О от начала лета к началу ноября. Сопоставление данных по осадкам (осредненным за каждые 4 дня) и рекам г.Москвы показывает наличие слабого тренда, сопоставимого с осадками только для р.Яузы, для остальных притоков р.Москва и ее притоков рек Сетунь и Раменка, тренд почти не выражен. Это позволяет предположить, что реки Сетунь, Раменка и Москва в летне-осенний период 2019 г. получали интенсивное питание за счет грунтовых вод, средний изотопный состав которых в московском регионе составляет –10, –12 ‰. Более высокие значения δ18О (в среднем на 1 ‰ выше, чем в остальных реках), отмеченные для р.Яуза, объясняются большой площадью болот на водосборе в верхнем течении, вода которых характеризуется более высокими значениями изотопного состава, чем грунтовые воды. Значения δ18О в осадках в виде снега середины ноября 2018 по конец февраля 2019 г., отобранных в Метеообсерватории МГУ, варьировали от –9,99 до –23,59‰, в среднем 17,72‰), наиболее отрицательные значения были зафиксированы в декабре, наибольшие значения были характерны для ноября и февраля. Значения δ18О в снеге, отобранном в феврале-марте 2019 года на западе и юго-западе Москвы варьировали от –14,1 до –22,2‰. При этом значения снежном шурфе снизу вверх вначале уменьшаются, а затем увеличиваются. В 11 профилях, заложенных на территории МО МГУ 26 февраля 2019 года, выделено 4 слоя снега в нижних слоях снежной толщи, которые соответствуют снегу, выпавшему в ноябре, среднее значение составило –18,8‰, в вышележащем слое –19,4‰, что является наиболее отрицательным значением для всей толщи и соответствует декабрьскому снегу, в двух верхних слоях средние значения составили –14.7‰ и –15,3‰, такая динамика соответствует и динамике в изменении изотопного состава осадков в январе и феврале. Отбор снега на западе Москвы (ул. Столетова) проводился трижды: 3 марта, 7 марта и 23 марта 2019 г. Третьего марта зафиксированы вариации δ18О в снежной толще от –13,3 до –17,2 ‰ (среднее значение –15,6‰). Седьмого марта зафиксированы вариации δ18О в снежной толще от –11,8 до –19,0 ‰ (среднее значение -16,3‰). Двадцать третьего марта зафиксированы вариации δ18О в снежной толще от –14,2 до –17,1 ‰ (среднее значение –15,8‰). Отмечены более положительные значения в верхнем слое снега 7 марта (за счет снега, выпавшего между 3 и 7 марта). Отмечена близкая динамика значений изотопного состава снега от нижних слоев к верхним, она совпадает с динамикой, выявленной в осадках. 9. Апробация метода отбора микрочастиц в бассейне р.Москвы при помощи зонд-ловушки для взвешенных наносов показала, что данный способ позволяет отбирать пробы с различных горизонтах с объемом навески, достаточным для дальнейшего фракционирования и выделения нескольких фракций микрочастиц. В результате обобщения опубликованной и фондовой информации получено представление об основных факторах, обусловливающих формирование водного и химического стока р.Москвы. Среди исследований, посвященных химическому составу вод реки Москвы и ее геохимическому режиму, основная часть работ посвящена либо верхней части бассейна (до г. Москвы), либо замыкающему створу реки. Это ограничивает возможности выделения конкретных источников загрязнения и не позволяет с необходимой детальностью оценить изменение состава вод по длине реки. Основным источником загрязнения р. Москвы выступает Московская городская агломерация: ниже г. Москвы речной сток более чем наполовину состоит из городских сточных вод. Застройка водосборной территории р. Москвы в пределах Московской области непрерывно продолжается в течение последних десятилетий, неконтролируемое строительство может вестись даже в зонах санитарной охраны, что приводит к дополнительной нагрузке на водотоки. На химический состав воды влияет также регулирование стока, причем трансформированный пятью основными водохранилищами (Истринское, Можайское, Верхне-Рузское, Рузское и Озернинское) речной сток составляет 51% от всего притока к г. Москве. В результате все эти процессы оказывают ключевое влияние на формирование потоков микрочастиц в речном бассейне. По результатам гидролого-геохимических исследований в продольном изменении химического состава в р. Москве четко прослеживается влияние регулирования стока и сброса городских сточных вод, в первую очередь, сказывающееся на содержании биогенных элементов. Ниже г. Москвы содержание азота и фосфора в воде р. Москвы возрастает в 5-10 раз в результате недостаточной очистки городских сточных вод, превышение рыбохозяйственных ПДК по фосфатам, нитритам и аммонию достигает 5-20 раз. Повышенные концентрации биогенных элементов наблюдаются и в притоках р. Москвы, чьи водосборы охватывают территорию ниже по течению от г. Москвы (по сравнению с притоками, расположенными выше города). При этом сточные воды способствуют снижению содержания взвешенных веществ в реке. По результатам изучения сезонной изменчивости установлено, что в период пониженной водности р.Москва обладает минимальной самоочищающей способностью, ввиду чего содержание загрязняющих веществ в ней значительно повышается. Обобщение фондовых материалов и исследований 2019 года, выполненное в рамках выполнения проекта, позволило создать базу данных о современном гидрологическом и геохимическом режиме р.Москвы, включающую сведения о концентрациях нескольких десятков компонентов состояния водной среды, которые будут использованы для оценки формирования и трансформации потока микрочастиц по длине р.Москвы под воздействием сосредоточенных и диффузных источников загрязнения. 10. На основе литературного обзора показано, что закономерности сорбции на поверхности мелких глинистых частиц (<10 мкм, PM10) и коллоидов (<0.1 мкм, PM0.1) определяются распределением крупности частиц. В состав PM0.1 входят оксигидроокиси металлов (в основном, Fe, Аl и Мn), тонкие глины, кремнистые фазы, а также органические коллоиды – гуминовые и фульвокислоты, возникающие при неполном распаде почвенной органики. В этот класс микрочастиц попадают также бактерии, вирусы, ядохимикаты, радионуклиды и искусственные техногенные частицы – продукты различных производственных циклов быстро развивающейся области нанотехнологий. Природные и антропогенные частицы PM0.1 (100 нм) получили название наночастицы (Nanosized particle, NSP) [Muhlfeld и др., 2008; Oberdörster, Oberdörster, Oberdörster, 2005]. Они обычно подразделяются на искусственные наночастицы (“Engineered nanoparticle, NP) которые включают в себя только сферические NSP, полученные в лабораторных производственных условиях; прочие искусственные наноструктуры обычно именуются в соответствие с их формой, например нанопластины, нанопроволоки и др. (Oberdörster et al. 2005). Такое подразделение прямо связано с токсичностью и биодоступностью NSP [George и др., 2012]. Их появление в природной среде и поступление в водные объекты связано с применением ряда материалов в разных коммерческих областях – антибактериальные покрытия, косметические товары, электроника, высокотехнологические материалы, пищевые технологии, фармацевтика и медицина, системы очистки и фильтрации, сельское хозяйство и энергетика. Ультратонкими частицами (“Ultrafine particle” (UFP)) называют природные (встречающиеся в естественных условиях) и искусственные NSP, полученные в результате побочных реакций не в промышленном, а контролируемом процессе. Основные источники их поступления в природную среду – сжигание топлива в транспортных и других системах, жидкого, твердого и биотоплива; дровяные печи; любые другие типы систем сгорания. В зависимости от источника, NSP подразделяются по крупности (приложение, рис. 3), что находит отражение в спектре их размерности в природных средах.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Технология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис). Этап 2
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".