Микрои ультрадисперсные частицы окружающей среды в мегаполисе (на примере Санкт-Петербурга)

По сведениям Росстата, за последнее время общая заболеваемость населения Российской Федерации выросла в целом на 7%, в Москве – на 5% и в Санкт-Петербурге – на 33% [17]. Более того, в Санкт-Петербурге в сравнении с другими регионами страны ориентировочно в таких же пропорциях растет смертность от рака и число инвалидов, лиц с новообразованиями и врожденными аномалиями. В этой связи в Институте озероведения Российской академии наук (ИНОз РАН) планомерно и всесторонне изучают причинно-следственные связи возникновения кризисных ситуаций водных экосистем города [19]. Ключевой экологической проблемой региона стал устойчивый тренд роста уровней заражения токсичными и взвешенными веществами воздуха, почвы и воды.

Во многих пробах из озер, рек, почвы, снега и дождевой воды с помощью эпифлю-оресцентного микроскопа было обнаружено, что 0,2 мкм – наименьший диаметр бактериальной клетки [23]. Патогенные для человека вирусы имеют размер от 0,015 до 0,35 мкм, туберкулезные микобактерии – от 1 до 10 мкм, микроорганизмы легионелл и сапрофитные бактерии – от 0,4 до 3 мкм. Вне сомнений, что городская пыль Санкт-Петербурга, состоящая на 79–85% из частиц размером от 5 до 50 мкм и менее 5 мкм (4–8%) способствует распространению вирусов, микроорганизмов и вредных химических веществ. Житель города за сутки вдыхает около 20 000 л воздуха с пылью, которая постепенно оседает на дыхательной поверхности легких, превышающей в ~75 раз поверхность тела человека.

При этом диффузионный барьер легочных альвеол (0,15 мм) между кровью и воздухом составляет ~1 мкм.

В распространенных грунтах города количество частиц размером менее 5 мкм убывает в следующей последовательности – глина твердая голубая (45% по Стоксу), суглинок ленточный (42%), суглинок пылеватый слоистый (24%), супесь пластичная с гравием (18%), супесь твердая с гравием (17%) и пылеватый песок (3%) [7]. Для почв региона характерны пески с высокой миграционной способностью химических веществ (зеленогорский, Приморский и Невский геохимические районы), карбонатная морена с относительно средней миграционной способностью (Волосовский геохимический район) и глины со слабой миграционной способностью (Ленинградский геохимический район) [21]. Отсюда – наличие значительного количества пылеобразующих субстанций в воздухе и разная сила миграции экотоксикантов на водосборах многочисленных прудов города.

В лимнологии водоем и его водосбор рассматриваются как единая экологическая система однородной территории или ландшафта. С учетом геохимического и геолого-геоморфологического факторов и в водоеме, и в окружающих его почвах происходят взаимозависимые процессы [6]. естественно, что небольшие водоемы Санкт-Петербурга наиболее сильно подвержены воздействию вредных факторов.

Коренной породой дна большинства прудов Санкт-Петербурга является твердая

Cреда обитания

голубая глина, которая обеспечивает сохранение воды на поверхности ландшафта. Относительно почв вокруг водоема заметим, что, чем больше процент частиц размером <5 мкм, тем меньше миграция химических веществ из почвы в воду [12]. Так, в ходе исследования было установлено, что если вокруг прудов почва представлена суглинками, то токсичность воды для дафний достигает допустимых значений для их существования. если почва вокруг прудов представлена супесями, токсичность воды для дафний становится практически летальной за счет высокой миграционной способности этих почв в отношении экотоксикантов (табл. 1).

Следует заметить, что во многих районах Санкт-Петербурга содержание в почве тяжелых металлов превышает предельно допустимые концентрации (ПДК), включая медь и цинк [13]. Соли этих металлов обладают альгицидной активностью (лат. «alga» – водоросль, «caedo» – убиваю) в отношении цианобактерий (сине-зеленых водорослей), развитие которых свойственно прудам города [19]. При этом известно, что малые концентрации альгицидов стимулируют жизнедеятельность цианобактерий, более высокие – угнетают и только большие концентрации – убивают этих прокариот [1].

При «цветении» водоемов цианобактерии в силу своих физиологических свойств концентрируются в основном в слое воды не глубже 2–4 м [10]. При этом акинеты (споры) цианобактерий после зимы всплывают на поверхность воды к солнцу, развиваются, начинают размножаться и «цветение» водоёма становится неизбежным. Домини- рование в водоемах токсигенных видов цианобактерий сопровождается образованием многочисленных биологически активных

Terra Humana

веществ, включая аллергенные липополисахариды и особо опасные канцерогенные микроцистины и нодулярины, нейротоксичные анатоксины и сакситоксины [2; 5].

В сухую и жаркую погоду за счет интенсивного размножения цианобактерий происходит повышение значений водородного показателя (рН) воды (табл. 1). В щелочной среде возникают на редкость благоприятные условия для развития вирусов полиомиелита, холерного вибриона Vibrio comma и размножения других возбудителей болезней человека [5]. В частности, цианобактерии в пресных водоемах образуют симбиозы с патогенными микроорганизмами Legionella pneumophila, которые вызывают у человека острое инфекционное заболевание – легионеллёз с летальностью до 20% («болезнь легионеров», питсбургская пневмония, понтиакская лихорадка, лихорадка форта Брэгг) [25]. Своевременная диагнос- тика легионеллёза налажена только в странах еС и США. заболевание протекает, как правило, с выраженной лихорадкой, общей интоксикацией, поражением легких, центральной нервной системы, органов пищеварения и развитием синдрома полиорганной недостаточности. С помощью иностранных специалистов в 2005 г. в Воронежской области было зарегистрировано 3 заболевания легионеллёзом, по 2 эпизода в Ставропольском крае и Волгоградской области, а в Санкт-Петербурге – 12.

Достаточно часто цианобактерии в прудах существуют в виде биопленок в сообществе с другими микроорганизмами. Регуляторный механизм («чувство кворума», QS) формирует у биопленок устойчивость к внешним воздействиям – персистентность (англ. «persistence» – живучесть). Для биопленок характерным является наличие в них растущих, мертвых и покоящихся «клеток-персистеров», последние из которых устойчивы к агрессивным факторам окружающей среды, включая альгициды и бактерициды [14]. Надо заметить, что сообщество организмов биопленок имеет нулевой экологический баланс, то есть самодостаточно. Ключевым моментом образования биопленки в водоемах является адгезия на различных поверхностях и, в первую очередь, на мусоре и других посторонних предметах технического генезиса.

Относительно цианобактерий известно, что их развитие и массовое размножение зависит от прозрачности воды и начинается в застойных зонах водоемов при 18–25 °С, щелочной среде, при повышенной концентрации микроэлементов, высоком содержании в воде соединений фосфора и азота. В этих же условиях цианобактерии производят наибольшее количество разнообразных ядовитых веществ [24]. Результаты многолетних исследований ИНОз РАН экологических ситуаций на водоемах Санкт-Петербурга являются убедительным подтверждением этих обстоятельств [19]. Считается, что доминированию цианобактерий в фитопланктоне водоема способствуют следующие факторы: 1) высокая биогенная нагрузка на водоем при низком соотношении минерального азота и фосфора(<29:1);2)устойчиваястратификация; 3) повышенные концентрации органических веществ и разнообразных соединений металлов, 4) наличие альфа-аминокислот в донных отложениях [3; 8].

Аминокислоты в донных отложениях и водных взвесях прудов являются неотъемлемой частью гумусовых субстанций, образующихся при деградации биоматериала. Супрамолекулярная или надмолекулярная структура гумусовых систем имеет

Таблица 1 Влияние загрязнения почв экотоксикантами на качество воды типовых прудов санкт-Петербурга 211 № географическое расположение водоема в муниципальных образованиях санкт-Петербурга суммарное загрязнение почв органическими токсикантами, усл. ед. суммарное загрязнение почв тяжелыми металлами, усл. ед. рН воды химическое потребление кислорода мг О л-1 гибель Daphnia Magna, % 1 Парнас, пруд на Сиреневом бульваре 1–2 16 – 32 9,29 26,12 87,0 2 Сосновка, Ольгинский малый пруд 1–2 32 – 64 8,10 19,69 77,0 3 Сосновка, Ольгинский большой пруд 1–2 16 – 32 9,57 26,26 63,0 4 гражданка, пруд на ул. Ольги Форш 1–2 32–64 9,19 32,66 93,0 5 гражданка, пруд на углу Учительской 1–2 16–32 8,61 19,59 60,0 6 Выборгская сторона, пруд на Полюстровском 2–4 32–64 8,41 59,08 93,0 7 Выборгская сторона, малый пруд дачи Бенуа 1–2 32–64 7,67 39,38 63,0 8 Выборгская сторона, большой пруд Бенуа 1–2 32–64 7,69 42,45 97,0 9 Ульянка, пруд парка Александрино 1–2 64–128 7,88 62,04 57,0 10 Ульянка, пруд дачи Шереметева 1–2 64–128 8,37 101,23 23,0 11 Ульянка, пруд второй на р. Новая 1–2 16–32 7,67 94,70 0,0 12 Ульянка, пруд третий на р. Новая 1–2 32–64 7,69 94,70 40,0 13 Ульянка, пруд четвертый на р. Новая 1–2 32–64 7,80 94,70 3,0 14 Ульянка, пруд пятый на р. Новая 1–2 32–64 7,92 107,76 0,0 15 Дачное, пруд дачи Брюса 1–2 32–64 7,85 65,31 20,0 16 Дачное, пруд на пр. Стачек 206 1–2 32–64 8,47 48,98 6,7 17 Купчино, пруд на ул. Будапештская 66 8–15 32–64 9,07 45,95 87,0 18 Пушкин, пруд Академического пер. 1–2 16–32 8,34 19,59 20,0 19 Пушкин, пруд у Федоровского собора 1–2 16–32 9,02 22,86 13,0 20 Павловск, пруд Круглый на объекте зверинец 4–6 16–32 7,91 48,98 37,0 постоянно меняющийся состав, построена по принципу «гость-хозяин» и фактически является носителем информации о состоянии окружающей среды. Компонентами водного гумуса являются супра – и макромолекулы гуминовых веществ, различные органические олигомерные и низкомолекулярные вещества, неорганические ионы и гидроксополимеры, а также наночастицы минералов. гумусовая матрица имеет многоуровневую систему организации – супра-молекулярные элементарные блоки (гуми- новые кислоты, фульвокислоты и другие) объединены в ассоциаты размером в десятки и сотни нанометров [22].

гумусовые системы обладают полиа-нионными свойствами и в кислой среде они уплотняются и коллапсируют, что приводит к обрыву трофической цепи цианобактерий. Наоборот, в щелочной среде гумусовые частицы набухают и становятся доступными носителями веществ, необходимых для развития цианобактерий в поверхностном слое воды [20]. Иными

Cреда обитания

212	Таблица 2 Влияние гранулометрического состава водных сред на «цветение» воды типовых прудов санкт-Петербурга
	№	географическое расположение водоема в муниципальных образованиях санкт-Петербурга	фракции частиц донных отложений, нм	кол-во частиц фракции, %	фракции частиц водных взвесей, нм	кол-во частиц фракции, %	Биомасса циано-бактерий, мг/л
	1	Парнас, пруд на Сиреневом бульваре	68–141 295–825	90 10	50–141 255–712	98 2	0,017
	2	Сосновка, Ольгинский малый пруд	295–712	100	58–122 295–615	98 2	0,052
	3	Сосновка, Ольгинский большой пруд	91–295 342–1106	90 10	164–396	100	1,302
	4	гражданка, пруд на ул. Ольги Форш	91–220 342–955	80 20	43–78 295–458	99 1	0,727
	5	гражданка, пруд на углу Учительской	458–825	100	255–458	100	0,020
	6	Выборгская сторона, пруд на Полюстровском	122–255 825–1990	96 4	68–164 615–1106	99 1	0,009
	7	Выборгская сторона, малый пруд дачи Бенуа	712–1484	100	58–190 295–825	97 3	0,126
	8	Выборгская сторона, большой пруд дачи Бенуа	825–1990	100	342–712	100	0,061
	9	Ульянка, пруд парка Александрино	91–220 295–955	82 18	37–78 396–458	99 1	0,021
	10	Ульянка, пруд дачи Шереметева	78–141 531–1106	94 6	342–615	100	0,324
	11	Ульянка, пруд второй на р. Новая	396–825	100	141–255	100	0,011
	12	Ульянка, пруд третий на р. Новая	396–825	100	255–458	100	0,044
	13	Ульянка, пруд четвертый на р. Новая	396–825	100	458–1106	100	2,506
	14	Ульянка, пруд пятый на р. Новая	78–164 295–955	85 15	396–825	100	14,383
	15	Дачное, пруд дачи Брюса	255–458	100	43–91 396–615	99 1	0,334
	16	Дачное, пруд на пр. Стачек 206	295–458	100	122–190	100	2,251
	17	Купчино, пруд на ул. Будапештская 66	105–255 295–1106	70 30	141–615	100	21,306
	18	Пушкин, пруд Академического пер.	141–531 615–2669	93 7	37–68 342–396	99 1	0,263
	19	Пушкин, пруд у Федоровского собора	105–295 342–116	79 21	220–396	100	0,031
	20	Павловск, пруд Круглый на объекте зверинец	220–531	100	68–295 531–1281	98 2	0,504

Terra Humana

словами, размер частиц гумусовых систем в водоеме может являться одним из основных критериев условий развития «цветения» воды.

В этой связи гранулометрический анализ водных сред прудов в наномасштабном диапазоне измерений стал логическим продолжением предыдущих изысканий. если ранее в ИНОз РАН оценивали влияние ультрадисперсных частиц на «цветение» воды по доле этих частиц от общего весового количества взвеси в м3 [15], то в настоящем исследовании были определены более детализированные показатели гранулометрического состава соответствующих проб с учетом размеров цианобактерий (от 1 до 100 мкм) [16].

После анализа фракционного распределения ультрадисперсных частиц в водной среде прудов было установлено, что в донных отложениях закономерно присутствуют частицы большего размера в сравнении с меньшими частицами водных взвесей. При этом в подавляющем боль- шинстве случаев при наличии в донных отложениях и в водных взвесях частиц размером 50–250 нм биомасса цианобактерий не достигала критических величин. Было зафиксировано, что возрастание биомассы цианобактерий связано с увеличением размеров частиц взвесей, по-видимому, гумусовых систем. Между тем, ультрадисперсный состав водной среды интенсивно «цветущих» прудов (№№ 14 и 17) имеет неординарное фракционное распределение, табл. 2. Не вызывает сомнений целесообразность последующих углубленных гидролого-гидрохимических, гидробиологических и гранулометрических исследований этих водоемов города. Нельзя исключать, что в условиях прогрессирующего загрязнения окружающей среды Санкт-Петербурга скопления цианобактерий в этих прудах играют роль поглотителей токсикантов по аналогии с биоплёнками Nostoc commune [4].