Вопросы, связанные с оценкой загрязнения атмосферы, его причинами и следствиями носят подчас дискуссионный характер. Обусловлено это тем, что данная область находится на пересечении интересов разных науки и дисциплин: экологии (нано- и микрочастицы взвеси как экологический фактор), гигиены (нормирование загрязнения мест проживания), географии (атмосферные трансграничные переносы), физики и оптики атмосферы (физические свойства частиц в рамках атмосферы), климатологии (влияние сажевых частиц на потепление/похолодание и их мониторинг), аэрологии (размерность, морфометрия и доля разных частиц во взвеси), медицины труда (загрязнение воздуха рабочей зоны), геохимии (качественный состав взвеси и привязка к источникам пыления), вулканологии (изучение выбросов вулканического пепла) и другими областями знания.
Сложность создания единой науки об атмосферной взвеси Земли, вмещающей все вышеперечисленные направления, а еще построение её математической модели и прогнозирование, на сегодняшний день только начинает осознаваться учеными. Очевидно, что такое знание должно быть мульти- и междисциплинарным.
Цель этой работы не столь глобальна. Мы хотели бы сравнить два метода отбора проб для изучения атмосферной взвеси. Метод отбора снеговых проб (снег, снеговая вода, лед, иней) считаются наиболее высокоинформативными [9], так как вмещающие среды содержат сами частицы в том виде, в котором они находятся в атмосфере [4, 5, 6]. Эти пробы нет необходимости пробоподготавливать: концентрировать или фильтровать. Исследование снеговых проб позволяет сделать сразу количественный и качественный анализ частиц взвеси, а также оценить водорастворимые органические соединения на поверхности частиц и их, собственно, саму поверхность. Есть один недостаток – сезонность отбора проб.
В литературе существуют методы отбора частиц с разных поверхностей: инея [3], тоннелей [10], хвои [1, 2, 7, 8] и других. Мы решили сравнить метод отбора снеговых проб и метод смыва с поверхности хвои, немного усовершенствовав последний ультразвуком.
Материалы и методы исследования
Пробы снега и хвои были отобраны в черте г. Терней в одной локации. Точки отбора (3 дерева как объекты) можно принять за одну локацию, так как между ними было всего несколько метров. Для исследования смыва с хвои были отобраны 3 вида хвойных деревьев: пихта почкочешуйная (Abies nephrolepis), пихта цельнолистная (Abies holophylla) и сосна корейская (Pinus koraiensis). Хвоя отбиралась у разных деревьев на одном уровне на высоте 1,5 м. Иглы хвои (30-40 шт.) были тщательно отобраны по размеру (±1 см) с одной ветки дерева. Хвоя помещалась в чистый полиэтиленовый пакет и транспортировалась в лабораторию. Образцы хвои погружались в емкость с дистиллированной водой и обрабатывались ультразвуком с помощью дезинтегратора Sonopulse HD 3100 (Bandelin, Германия) частотой 22 кГц, мощностью 100 Вт и экспозицией в 5 мин. Затем из каждого образца набирали 40 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTec (Fritsch, Германия). Измерения проводились в режиме «nanotec» с установками «quartz/water 20ºC».
Снег собирали в момент снегопада под деревом, с которого в дальнейшем собиралась хвоя. Чтобы исключить вторичное загрязнение антропогенными аэрозолями, был собран верхний слой (5-10 см) только что выпавшего снега. Его помещали в стерильные контейнеры объемом 1 л. Через пару часов, когда снег в контейнерах растаивал, из каждого образца набирали 40 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTec в указанном выше режиме.
Исследования проводились с использованием оборудования ЦКП «Межведомственный центр аналитического контроля состояния окружающей среды» ДВФУ.
Результаты исследования и их обсуждение
С помощью лазерной гранулометрии нам удалось выяснить соотношение фракций частиц и другие морфометрические характеристики при сравнении проб снега и смыва с хвои (табл.).
Таблица
Распределение частиц по фракциям в пробах снега и смыва с хвои
|
Фракция, мкм |
Снеговая проба |
Ультразвуковой смыв с хвои |
||||
|
Под пихтой почкочешуйной |
Под пихтой цельнолистной |
Под сосной корейской |
Пихта почкочешуйная |
Пихта цельнолистная |
Сосна корейская |
|
|
менее 1 |
2,8 |
3 |
3,8 |
4,3 |
2,5 |
5,9 |
|
1-10 |
23,1 |
21,8 |
36,1 |
39,6 |
21,9 |
38,9 |
|
|
14,5 |
15,5 |
19,7 |
17,7 |
10,4 |
13,9 |
|
50-100 |
|
|
|
|
|
|
|
100-400 |
|
|
|
|
|
|
|
400-700 |
1,6 |
1,4 |
3,3 |
0,8 |
1,5 |
0,9 |
|
700 и более |
57,9 |
58,1 |
38 |
37,5 |
63,5 |
40,3 |
|
Средний арифметический диаметр, мкм |
628,81 |
635,63 |
409,22 |
412,44 |
693,5 |
442,32 |
Исходя из данных таблицы, мы можем отметить, что ультразвуковой смыв с хвои сопоставим по результатам исследования снеговых проб и может быть использован в любой сезон, а не только в зимний. Это очень сильно упрощает задачи по мониторингу загрязнения атмосферы городов и других мест проживания людей.
Различия в результатах, как видно из таблицы, можно легко объяснить строением хвойных игл разных деревьев (рис. 1.).
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 1. Микрофотографии поверхности хвои разных деревьев до обработки ультразвуком: а) пихта почкочешуйная, б) сосна корейская, в) пихта цельнолистная. Увеличение: ×400.
У пихты цельнолистной хвоя более жёсткая, концы на всех ветвях цельные, не раздвоенные. По-видимому, это обстоятельство и объясняет меньшую поверхность площади оседания микрочастиц по сравнению с хвоей пихты почкочешуйной, у которой ветви имеют иное строение. Также стоит обратить внимание на то обстоятельство, что деревья растут неравномерно по отношению друг к другу. Смола на хвойных иглах способствует большему удержанию микрочастиц и постоянству их концентрации длительное время. Поэтому анализ проб, собранных непосредственно с хвои, обеспечивает более представительные результаты по сравнению со снеговыми пробами, даже непосредственно под деревьями.
Представленные ниже фотографии иллюстрируют поверхность с тех же самых образцов хвои после отбивки их ультразвуком (рис. 2).
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 2. Микрофотографии поверхности хвои разных деревьев после обработки ультразвуком: а) пихта почкочешуйная, б) сосна корейская, в) пихта цельнолистная. Увеличение: ×400.
Образцы почти чистые, что свидетельствует о высокой способности ультразвука сбивать частицы взвеси с хвои. Это доказывает эффективность нашего метода исследования микрочастиц атмосферной взвеси.
Заключение
Новый метод исследования загрязнения атмосферы – ультразвуковой смыв с хвои деревьев – простой, достоверный и высокоинформативный.
Микроразмерное загрязнение атмосферы – важный экологический индикатор, который свидетельствует о техногенной нагрузке на объекты природы и может являться (в зависимости от типа частиц) причиной заболеваний человека и животных. С помощью этого нового метода мы еще раз подтвердили, что атмосфера небольших населенных пунктов содержит значимую долю частиц, опасных для здоровья человека (менее 10 мкм). В данном случае мы полно и достоверно видим картину микроразмерного загрязнения области г. Терней.
