ИСТИНА

Изучение экологической опасности городской пыли в разных функциональных зонах города Москвы по реакции живых живых организмов разных трофических уровней и составу микробного комплекса. Выявление факторов, определяющих экотоксичность, путем анализа связей с физико-химическими свойствами пыли и содержанием загрязняющих веществ.

Increased amount of dust in the air is a characteristic feature of modern urbanized ecosystems. Dust is a complex of heterogeneous substance consisting of mineral and organic particles of natural and technogenic origin of various sizes. The main sources of dust in cities are: vehicles, emissions from industrial enterprises, dusting of soils and grounds, construction and demolition of buildings and structures. The use of deicing agents on city roads also makes a significant contribution to the formation of dust, causing dispersion and destruction of soil aggregates. The areas near roads and highways are characterized by the highest dust load. The concentration of dust in a meter zone from the roadbed in Moscow is hundreds of times higher than the values for background areas. According to the Russian Information Agency (2019), 90% of emissions of pollutants into the atmosphere of Moscow are accounted for by motor vehicles. The increased danger of road dust for the urban ecosystem is associated with its ability to migrate over long distances, and the dense road network of the city causes the ubiquitous spread of dust within the city, having a negative impact on the environment and human health. Aerial dust fallout in Moscow is characterized by high intensity, which is confirmed by their significant contribution to the formation of urban soils. Despite the constantly increasing number of domestic and foreign studies of the chemical, mineralogical and granulometric composition of urban dust, its ecotoxicity in relation to organisms of different trophic levels has not been studied. Ecotoxicity is understood as the ability of substances, in this case dust, to cause adverse effects on the functioning of biological components of ecosystems. Little is known what effect dust has on living organisms in the environment, how it affects their ecological functions and biodiversity. Chemical information does not give an exhaustive picture of all the biological effects of toxicants, synergistic or antagonistic relationships between pollutants; do not take into account the appearance of new compounds as a result of the transformation of known pollutants. As a consequence, pollutants, even in small and poorly detectable concentrations, can have a significant negative effect on living organisms, and, on the contrary, known highly hazardous compounds under certain conditions can be characterized by poor bioavailability. Therefore, understanding the links between the properties of dust (physicochemical characteristics and the content of pollutants) and the reaction of living organisms interacting with it is an urgent fundamental problem. The implementation of this study will allow not only to assess for the first time the ecotoxicity of dust in different functional zones of Moscow, but also to identify the key factors of ecotoxicity, which is the goal of the project. It is a very difficult task to study the reaction of the entire complex of living organisms in urban ecosystems to dust exposure, but it is possible to get closer to understanding this issue using biotesting methods using a set of standardized living organisms of different trophic levels. Ecotoxicity is judged by the degree of suppression of the physiological parameters of their growth and development. Considering the fact that dust is a multicomponent substance containing a complex of pollutants, biotesting seems to be a promising tool for the integral assessment of dust ecotoxicity. The research scheme for the project involves the solution of the following tasks: 1) study of dust ecotoxicity by the reaction of living organisms of different trophic levels 2) metagenomic analysis of the dust microbiome 3) determination of the complex of physicochemical properties of dust 4) detection in soils of roadside territories of a wide range of pollutants of different classes formed mainly by road transport - the dominant source of environmental pollution in Moscow 5) integration and analysis of the obtained data groups, establishing links between them, identifying the key factors of dust ecotoxicity. As a result of the project, for the first time, an assessment of the ecotoxicity of dust in different functional zones of the city will be given; it was established what factors (pollutants, physical and chemical properties of dust) differentiate the intensity of ecotoxicity; the peculiarities of the composition of the microbial complex of dust are revealed and an assessment of its danger in relation to humans is given on the basis of an analysis of the number of allergenic and pathogenic microorganisms. The practical significance of the study is associated with the optimization of the complex of environmental protection measures and the reduction of environmental risks for the urban ecosystem and human health.

По итогам проекта будет дана оценка экотоксичности пыли в разных функциональных зонах Москвы методами биотестирования с использованием организмов разных трофических уровней – высших растений и микроскопических водорослей (продуцентов), энхитреид и дафний (консументов); микроорганизмов – естественных обитателей пыли (редуцентов). 2. Будет проанализирован грибной метагеном городской пыли разных функциональных зон Москвы. Будет идентифицирован родовой состав грибов, споры и фрагменты мицелия, которые присутствуют в собранных образцах. Будет получена информация о доли аллергенных, патогенных и фитопатогенных грибов. 3. Будет изучен комплекс физико-химических свойств пыли - влагоемкость, смачиваемость, гранулометрический состав, содержания органического углерода, С:N, электропроводность, рН, Na+, Ca2+ 4. Будут получены сведения о содержании загрязняющих веществ в пыли – полициклических ароматических углеводородов, металлах и металлоидах, нефтепродуктах, легкорастворимых солях. 5. Будут выявлены связи между экотоксичностью, физико-химическими свойствами пыли и содержанием загрязняющих веществ и установлены ключевые факторы дифференциации экотоксичности между функциональными зонами города. Практическая значимость исследования связана с оптимизацией комплекса природоохранных мероприятий и снижением экологических рисков для урбоэкосистемы и здоровья людей.

Результаты : 1. Методами биотестирования дана оценка экотоксичности 54 проб пыли, отобранных в разных функциональных зонах Москвы. Использовались организмы разных трофических уровней наземных и водных экосистем. Установлено, что чувствительность к компонентам пыли демонстрировали организмы, находящиеся в непосредственном контакте с ней, – высшие растения и микроорганизмы, в то время как водные организмы (дафнии и инфузории), экспонируемые на водных вытяжках из пыли, чувствительности не проявляли. Использование райграса пастбищного (Lolium perenne L.) как тест-культуры показало снижение параметров роста и развития растений при экспонировании на образцах пыли на 2-27%. Изучаемые районы не были одинаковы по степени токсичности – возрастание значений отмечено для района Хорошево-Мневники, в то время как районы Филевский парк и Раменки значимо не отличались. Общим явлением среди изученных районов были наиболее высокие значения токсичности в транспортных зонах города, в то время как селитебные и рекреационные зоны не отличались. Для оценки экотоксичности пыли помимо методов биотестирования применился метод биоиндикации, заключавшийся в установлении дыхательной активности микроорганизмов. Показано, что наиболее высокой интенсивностью базального дыхания и содержания микробной биомассы при условии сопоставимого количества органического вещества характеризуется пыль парковых территорий. Средние значения составили 3,1-7,2 мкг С-СО2·г-1· ч-1 и 314-435 мкг ·г-1 соответственно. Процент снижения интенсивности базального дыхания пыли селитебной зоны варьировал от 27% в районе Хорошево-Мневники до 71% в районе Филевский парк, в транспортной зоне – 76 и 81%. соответственно. Водные организмы – дафнии Daphnia magna и инфузории Paramecium caudatum токсичности не выявляли. 2. Для метагеномного секвенирования дорожной пыли были отобраны 27 образцов (три транссекты из трех городских районов). В настоящее время завершается процесс секвенирования библиотек ITS1 ампликонов на платформе Illumina MiSeq 2 × 300 п.н. 3. Изучен комплекс физико-химических свойств во всех образцах пыли: гранулометрический состав, влажность, влагоемкость, содержание органического углерода, рН и электропроводность. В гранулометрическом составе пыли хорошо выражены различия между функциональными зонами. Разница проявляется в содержании частиц фракции размером < 10 мкм («PM10») и частиц фракции 10 – 100 мкм. Содержание частиц PM10 убывает в ряду дороги (сред. значение 21%) – дворы (сред. значение 16%) – парки (сред. значение 11%),. Содержание фракции 10 – 100 мкм примерно одинаково во дворах и парках (на их долю приходится 40% частиц), а на дорогах их содержание уменьшается в 2 раза (20%). Мы связываем это различие с наличием вихревых потоков, создаваемых движением транспорта, что может приводить к выдуванию частиц данного размера с поверхности дорожного полотна. Влажность пыли была крайне низкой и достоверно не отличалась в различных функциональных зонах и районах, составив 0,47-0,58%. Значения влагоемкости пыли варьируют от 29 до 70%. Большая часть образцов характеризуется влагоемкостью около 40%. Среди функциональных зон по значениям влагоемкости выделяются рекреационные зоны – в среднем для парков характерно в 1.5 более высокие значения, чем для селитебных и транспортных зон. Мы считаем, что это обусловлено меньшим содержанием нефтепродуктов в парках. Содержание Сорг. в пыли различается в зависимости от функциональной зоны – в среднем для дорог характерно в 1.5-2 раза меньшее содержание (1.4%) чем для дворов (2.4%) и парков (2.2%). Интересно, что интенсивность снижения содержания Сорг. на дорогах похожа на снижение содержания фракции 10-100 мкм в гран составе пыли (в 1.5 раза) относительно селитебных зон. Электропроводность пыли характеризуется широким разбросом значений от 4 мкСм/см до до 655 мкСм/см. Повышенные значения электропроводности отмечаются на дорогах, что можно связать с активным применением противогололедных реагентов и их удержанием в полотне асфальта. Также могут вносить вклад жидкости для очистки стекол, обогащенные ионами натрия. Пыль характеризуется щелочной реакцией среды: значения рH варьируют в диапазоне 7.6 – 8.6. Значимых различий между функциональными зонами не наблюдается. Таким образом, установлено, что все изученные свойства дифференцируются между функциональными зонами Москвы за исключением рН и влажности. 4. Получены сведения о содержании загрязняющих веществ в пыли – нефтепродуктов (НП), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), тяжелых металлов (ТМ), легкорастворимых солей (хлорид-ионах). Эти данные были для нас самими неожиданными, свидетельствующими о высокой опасности пыли в селитебных зонах. Анализ содержания НП, реализованный на всех образцах пыли, выявил высокие уровни их содержания и показал яркую дифференциацию значений между функциональными зонами: 10300-14500 мг/к было в пыли дворов, 5100-7500 мг/кг - в пыли дорог, 600-2200 мг/кг – в пыли парков. Мы связываем обогащение пыли НП во дворах с парковкой большого количества автотранспорта, низкими скоростями движения, при которых образуется наибольшее количество загрязняющих веществ, утечками бензина и масел. Анализ 14 индивидуальных соединений ПАУ, реализованный на части образцов пыли дворов и дорог, показал, что их содержание в пыли дворов составляет 71-100 мкг/кг, что в 1.5 раза превышает содержание ПАУ в пыли с автодорог - 44-76 мкг/кг. Выявленные значения в несколько раз превышают показатели регионального фона для почв Москвы и области (35 мкг/кг). Генезис ПАУ во дворах и на дорогах одинаков – среди набора индивидуальных соединений большая часть приходится на соединения-маркеры автотранспортного загрязнения – нафталин, фенантрен, флуорантен. Анализ содержания ТМ и металлоидов, проведенный на части образцов пыли, показал, что разница в содержании большей части изученных элементов (Cd, Co, As, Cr, Ni, Pb, V, Ba, Cu, Mn, Sr, Zn, Al) транспортных и селитебных зонах города небольшая. Дорожная пыль содержит на 20-30% больше ТМ, чем пыль дворов. Важно отметить, что содержание Cr, Pb, Zn, напротив, выше в пыли дворов, в 1.5, 7.2, 1.6 раз, соответственно. Можно говорить об увеличении концентрации Cl- на дорогах. Полученные значения (мг/кг) составили: для дворов – 85-208, 109-1011 – для дорог, 74-136 – для парков. Данные концентрации с точки зрения нормирования не выявляют выраженного засоления пыли/ Проведенный анализ содержания загрязняющих веществ в пылевых образцах выявил различия между функциональными зонами. Особую обеспокоенность вызывает факт обнаружения высоких концентраций НП, ПАУ, некоторых ТМ в селитебных зонах – в жилых дворах города, что создает угрозу для окружающей среды и здоровья людей. Хочется также обратить внимание, что во дворах было выявлено высокое содержание мелкодисперсных частиц PM10 и PM 2.5. Крайне важным является привлечение внимания к данной проблеме с целью разработки системы по снижению концентрации пыли в селитебных зонах. 5.Корреляционный анализ между показателями экотоксичности пыли, физико-химическими свойствами и содержанием загрязняющих веществ (НП и хлориды) позволил выявить взаимосвязи между токсичностью пыли по отношению к растениям, ее электропроводностью и содержанием в ней Сl-. Токсичность пыли по отношению к микроорганизмам также связана с содержанием в ней Сl-, наибольшие подавление отмечено в транспортных зонах. Транспортные зоны оказались наиболее опасными для изученных живых организмов. Однако нам бы хотелось отметить, что по результатам химических исследований наиболее опасными для человека выглядят селитебные зоны (территории жилых дворов), что было неожиданным. Здесь отмечено наиболее высокое содержание НП, ПАУ и ряда ТМ. Также в гранулометрическом составе пыли в селитебных зонах отмечается высокое содержание опасной для человека фракции пыли - PM2.5 и PM10. Детектирование ПАУ и ТМ выполнено пока не на всех образцах пыли, поэтому этот вывод еще требует проверки.