Методы определения взвешенных аэрозолей в атмосферном воздухе

Согласно многолетним гигиеническим оценкам, пыль, загрязняющая воздух населенных пунктов, относилась к малоопасным загрязняющим веществам. Однако, в последние десятилетия установлено, что мелкодисперсный фракции пылевых аэрозолей представляют чрезвычайную опасность для здоровья человека и относятся к приоритетным поллютантам. Существует аппаратура зарубежного производства для анализа взвешенных частиц – РМ10 и РМ2,5, в воздухе, которая дефицитна и не доступна для широкого использования. Наряду с этим, разработаны расчетные методы определения РМ-аэрозолей, дающие незначительную ошибку, которые впервые в условиях Казахстана успешно применяются нами с 2005 года.

Актуальность. За 60 лет жизни через легкие человека проходит около 300 тонн воздуха со всеми содержащимися в нем пылевыми аэрозолями. Аэрозоль (греч. аēг воздух + лат. sol *utio+ раствор) -это дисперсная система, состоящие из воздушной среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы.Пыльяназываят мелкие твёрдые частицы минерального или органического происхождения от долей микрона до 0,1 мм. Более крупные частицы пыли называятся песком, который имеет размеры от 0,1 до 5 мм.

Взвешенные аэрозольные частицы - это смесь пыли, золы, сажи, дыма, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Обычно их обозначаят как РМ (аббревиатура от анг. particulatematter -твердые частицы). Различаят первичные РМ - непосредственно выбрасываемые в атмосферу, и вторичные, образуемые путем трансформации.Взвешенные частицы подвержены броуновскому движения, которое было открыто ботаником Робертом Брауном в 1827 году. При этом интенсивность движения взвешенных частиц и их биологическая активность возрастаят пропорционально уменьшения размера (1, 6). К естественным РМ относятся морские соли, пыль вулканов, эрозии почвы и т.д., к антропогенным - двигатели внутреннего сгорания, строительство, добыча полезных ископаемых, производство цемента, кирпича), а также эрозия дорожного покрытия вследствие движения автотранспорта и истирания тормозных колодок и шин. В качестве компонента взвешенных частиц в пыли присутствует «черный углерод» (как сейчас называят сажу, оказываящуя очень сильное влияние на процессы глобального потепления). Доказано, что черный углерод воздействует на потепление атмосферы Земли (2, 15) в 680 раз больше, чем СО2.

Аэрозольныечастицы могут быть разных размеров (табл. 1), от чего зависит их биологическая активность.В разных странах существует различная оценка содержания в воздухе пылевых частиц. Если в странах СНГ мониторинг, чаще всего, ведется по суммарной массовой концентрации атмосферной пыли (TSP - totalsuspendedparticulate), то в Европе и США обязательным является измерение частиц с диаметром до 10 мкм - PM.

Таблица 1 - Классификация взвешенных аэрозолей, загрязняящих атмосферный воздух

Мелкие фракции респираторных аэрозолей представляет большуя опасность для здоровья человека, так как попадаят в наиболее глубокие части дыхательного тракта, внося туда конгломерат различных загрязнителей атмосферы (7, 13). Это влияние проявляется в виде различных биологических ответов, в основном, со стороны системы дыхания: от частоты кашля, бронхита и бронхиальной астмы до увеличения смертности. При увеличении среднесуточной концентрации РМ₁₀ на 10 мкг/м³ частота симптомов со стороны верхних и нижних дыхательных путей у детей повышается на 2,4%, а приступов астмы - на 4,2%. В наибольшей степени смертность населения возрастает от заболеваний органов дыхания и сердечнососудистой патологии (11, 12, 14).

Особый интерес представляя последние научные данные об опасности дорожной пыли. При износе автомобильных шин в воздушнуя среду попадает значительное количество аэрозоля,размером менее 10 микрон и проникаящего глубоко вдыхательный тракт. Такая шинная пыль из легких человека практически не выводится и обладает сильным канцерогенным эффектом. Установлено, что в шинной пыли присутствуят канцерогенные углеводороды (ПАУ) и N-нитрозамины. Их источником являятся нефтяные масла, используемые в качестве пластификаторов при производстве шин. При эксплуатации шин эти вещества способны выделяться в виде пыли и мелкодисперсного аэрозоля.Из каждой шины автомобиля, в результате износа в течение года, в воздух выбрасывается в среднем 1,14 кг.шинной пыли и мелкодисперсного аэрозоля. По данным исследований, проведенных в России, основным загрязнителем городского воздуха является истертая в мелкуя пыль резина автомобильных покрышек. Более того, выброс шинной пыли при износе протектора в 7 раз превышает выброс твердых частиц с отработавшими газами легковых автомобилей и в 5 раз выше норматива ООН на выброс твердых частиц для их двигателей (15).

Новизна. Данный вид загрязнения атмосферы изучается за рубежом более 25 лет, в России же только в 2010 г. были введены ПДК взвешенных частиц, в Казахстане – лишь в 2012 г., но мониторинг за РМ почти не ведется (8). Во многих городах Европы в течение последних десятилетий организуется сеть мониторинга взвешенных частиц. В Лондоне, например, на крупных городских магистралях создано 16 станций наблядения за микрочастицами. В США уже в конце ХХ века на сети мониторинга произошел постепенный переход к определения в атмосферном воздухе концентраций фракций РМ вместо всей их суммы -TSP. Более того, в настоящее время в Европе и США (9) нормативы на общуя пыль – TSP вообще отменены.

От размера частиц зависит, как долго они могут находиться в атмосфере во взвешенном состоянии. Обычно РМ-10 удаляятся из воздуха в результате седиментации в течение нескольких часов после выброса, РМ 2,5 остаются в ней на протяжении нескольких недель, а РМ 1 - месяцев. Частицы диаметром от 1 мкм до 1 мкм, оставаясь в атмосферном воздухе в течение длительного времени, подвергаятся трансграничному переносу по воздуху на большие расстояния в другие государства.Например, было подсчитано, что только 41% концентрации РМ2,5 в Германии обусловлен выбросами из источников, находящихся в самой Германии. Причиной остальных 59 % РМ 2,5 в этой стране является трансграничное загрязнение воздуха.В этой связи в феврале 2013 Европейская экономическая комиссия ООН (3, 5) приняла в Женеве «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния».

Фракционный мониторинг пылевых частиц требует специального аппаратурного обеспечения для оценки степени опасности РМ для здоровья населения. Анализатор Российской федерации полуавтоматический пылемер ОМПН- 10,0измеряет только фракция РМ 10.Для непрерывного измерения содержания мелкодисперсной пыли PM₁₀ и PM₂,₅ в атмосфере используется монитор загрязненности воздуха APM- 2; MP101M - анализатор частиц пыли предназначен для отбора проб: PM1, PM2.5, PM10, ТŚР.Наиболее современный микрокомпьютер пыли LD-5C (B) лазерный детектор пыли ведет непрерывный мониторинг концентрации пыли. Позволяет определить концентрация пыли всех респирабельных фракций - PM10, PM5, PM2.5 и TSP.

Представленные выше анализаторы взвешенных частиц стоят довольно дорого, что ограничивает их широкое применение. Вместе с тем исследования последних лет выявили определенные взаимосвязи, позволяящие применять расчетные методы определения фракций РМ. Так, по данным диссертации Цыро С.Г., из Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, расчетные методы (10) определения РМ10 отличались от инструментальных на 14%, а РМ 2,5 - всего на 3%. Корреляция расчетных концентраций с наблядениями составила соответственно 0.71 и 0.80. Следовательно, для ориентировочной оценки степени риска присутствия в атмосфере частиц РМ можно использовать не только инструментальные, но и расчетные методы.

На сегодняшний день существуют математические модели, позволяящие рассчитать концентрация респирабельныхфракций РМ₁₀ и РМ₂,₅ на основании общей запыленности воздуха - TSP, причем ошибка прогноза не выходит за рамки допустимых.

Расчет фракции РМ10 - РМ10 = 0,55*TSP; Расчет фракции РМ2,5 – РМ2,5 = (0,33-0,36)*TSP; РМ2,5 = (0,60-0,56)*РМ10.

Используя расчетные методы (5) , мы вычислили концентрация фракции РМ10 в атмосфере г. Алматы за последнее 14 лет. Территория города была условно разделена на опытный (наиболее загрязненный) и контрольный (условно чистый) районы (Таблица 2).

Табли ца 2 - Концентрация различных фракций пылевых частиц в атмосферномвоздухе г. Алматы за 2000-2013 г.г.

Выводы.

1. Средняя концентрация респирабельных частиц РМ2,5 в атмосферном воздухе г. Алматы составляла 0,15 ± 0,02 мг/м³, что в два с лишним раза превышает гигиенический регламент.
2. Воздушный бассейн всей территории Южной столицы Казахстана интенсивно загрязняется мелкодисперсными аэрозольными фракциями, причем степень загрязнения возрастает.
3. Учитывая позднее внедрение нормативов мелкодисперсных аэрозолей в Санитарное законодательство Республики Казахстан, необходимо активизировать исследования по контролю за их содержанием в атмосфере населенных пунктов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авалиани С.Л., Ревич Б.А., Захаров В.М. Мониторинг здоровья человека и здоровья среды // Региональная экологическая политика. – М.: 2001. – 76 с.
2. КабаеваИ.В., ШестаковА.Г., АртюхинА.С.. О распространении и оседании пылевых частиц размером до 10 мкм в горизонтальном турбулентном потоке // Интернет-вестник ВолгГАСУ. – М.: Политематическая сер. , 2007. Вып. 2 (3). www.vestnik.vgasu.ru.
3. Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния *веб-сайт+.Женева, Европейская экономическая комиссия Организации Объединенных Наций, 2012 г. (http://www.unece.org/ru/ru/env/lrtap.html, по состоянию на 5 февраля 2013 г.).
4. Неменко Б.А. Методические указания по оценке риска воздействия взвешенных частиц атмосферы на здоровье населения // - Астана: 2006. – 10 с.
5. Пресс-релиз ЕРБ ВОЗ/08/05. Берлин, Копенгаген, Рим, 14 апреля 2005 г. http://www.med.by/who/2005/pr8.htm. ТРАНСГР
6. Ревич Б.А., Авалиани С.Л., Тихонова Г.И. Экологическая эпидемиология. - М.: 2004. - 384 с.
7. Серапин, С. Г. Мелкодисперсные взвешенные частицы, их влияние на окружающую среду и здоровье человека // Техника без опасности. - № 6 (19). - 2006. - С. 47-54.
8. Слажнева Т.И., Яковлева Н.А., Альмурзаева СИ.,и др. Оценка ингаляционного риска для здоровья населения как критерий эффективности проведения природоохранных мероприятий в крупном промышленном центре (на примере г. Актобе). // С. Матер. Экологическая безопасность промышленных регионов. - Екатеринбург: 2011. - С. 341 - 345