Оценки риска загрязнения приземной атмосферы как угрозы устойчивому развитию территорий индустриального природопользования

Волков Артем Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды компоненты, типичные для воздушной среды селитебных территорий. Например, согласно существующей практике, в российских городах регистрируется лишь общее содержание взвешенных веществ и отсутствует контроль за наиболее опасной – респирабельной – фракцией. При этом их высокие концентрации на протяжении десятилетий наблюдаются в воздухе 50 городов, включая Тулу (на уровне 250-300 мкг/м3 при ПДКс.с.=150 мкг/м3). Среднегодовые концентрации аэрозолей в воздухе городов мира таковы (мкг/м3): Калькутта – 270-550; Барселона – 216; Нижний Новгород – 180; Санкт-Петербург, Самара – 160; Лиссабон, Сидней, Варшава – 90-160; Москва – 100; Лион, Париж – 82. Определена приблизительная численность населения РФ, проживающего на загрязнённых территориях (рис. 1). Так, в условиях высокого аэрозольного загрязнения атмосферы проживает более 15 млн. человек, а общее количество преждевременных смертей от заболеваний органов дыхания превышает 16000 человек или 7% ежегодно регистрируемых случаев. Ежегодное удельное – на 1 млн. человек – количество смертей в расчёте на 1 мкг/м3 аэрозолей составляет 4 случая, но варьирует от города к городу в диапазоне от 0,8 до 17 случаев. Значительный вклад в общую смертность, связанную с загрязнением воздуха, вносят диоксиды азота [1].

Риск смерти от аэрозольного загрязнения воздуха оценивается как высокий, соизмеримый с риском смерти от хронического бронхита, самоубийств, убийств и в результате всех несчастных случаев. Риск смерти от диоксида азота сопоставим со смертностью от диабета и хронического алкоголизма. Вклад неканцерогенных компонентов в общую смертность от загрязнения атмосферы является определяющим и может достигать 90%. Вклад канцерогенных веществ, как правило, составляет 1-3% и не превышает 10% общей смертности.

Рис. 1. Приблизительная численность населения РФ, проживающего на территориях, загрязнённых канцерогенными и неканцерогенными веществами

Особую опасность представляют нанораз-мерные частицы. Нижнюю границу диапазона формируют объекты размером 1-4 нм, а верхнюю границу – частицы низкомолекулярных соединения размером до 10 нм и высокомолекулярных соединений размером до 100 нм (0,1 мкм) [4,6]. Поражающее воздействие наночастиц связывают с высокой концентрацией в воздухе при незначительном количестве распыляемого вещества; высокой химической и каталитической активностью; способность к ингаляционному, трансдермальному, транснейральному и энтеральному проникновению в ткани и органы человека, включая ядра клеток и центральную нервную систему.

Материалы и методы исследования. Тульским государственным университетом проводятся многолетние исследования источников и механизмов загрязнения приземной атмосферы территорий Тульского края канцерогенными и неканцерогенными веществами, включая аэрозольные частицы (пыль), и продуктами их трансформации с целью среднесрочной оценки рисков формирования заболеваемости персонала и населения в контексте проблемы устойчивого регионального развития [2].

Для оценки влияния загрязнения атмосферного воздуха на здоровье человека разработан универсальный, не имеющий мировых аналогов, программно-вычислительный комплекс «Эко-Риск», предназначенный для вычислительных экспериментов по исследованию качественных и количественных характеристик риска по математическим моделям. При этом определяются параметры риска, как для отдельного загрязняющего вещества, источника или нозологической формы заболевания, так и для интегральной оценки популяционного риска заболеваемости населения, проживающего в различных районах города, а также определяется вероятность локального загрязнения в любой точке города.

Результаты расчетов по программе «ЭкоРиск» показали превышение среднегодовых ПДК на всей территории города Тулы, что свидетельствует о вероятности развития неблагоприятных последствий для здоровья населения. В основу методики расчета, базирующейся на параметрической зависимости «концентрация (доза) – ответ», положена информация о гигиенических нормативах (ПДК, класс опасности и других) [7]. В зарубежных работах аналогом функции «доза-ответ» является С-R функция (закон Хабера устанавливает связь дозы или концентрации вещества С и риска возникновения неблагоприятного эффекта R ), которая используются на государственном уровне при количественном анализе влияния массовых загрязнителей: СО, NO 2 , SO 2 , O 3 и взвешенных частиц (РМ) на здоровье [7].

Оценка риска вредного воздействия доминирующих загрязнителей воздуха SO 2 и NO 2 , в виде дополнительных случаев заболеваний органов дыхания и системы кровообращения населения г. Тулы, была выполнена по трем известным методикам. Результаты расчетов показали высокую сходимость полученных показателей заболеваемости, которая лежат в интервале от 70628 до 72549 случаев в год, то есть погрешность не превышает 1%.

Уровень заболеваемости раком легкого среди населения Тулы очень высокий. Имеющиеся результаты исследований [8] позволили установить, что причиной возникновения рака легкого являются частички металлов, относящиеся к группе переходных элементов (Fe, Mn, Ni, Cr, Zn, Тi). Для установления закономерностей трансформации техногенных выбросов, анализировалась совокупность газофазных, жидкофазных, каталитических и фотохимических процессов, протекающих в атмосферном воздухе населенных мест. Эта задача была решена благодаря применению метода дифференциальной оптической спектроскопии.

Результаты и их обсуждение. По результатам непрерывных измерений химического состава приземного слоя атмосферного воздуха впервые построена модельная схема динамики суточных превращений соединений азота и кислорода, и дано научное описание физикохимических процессов, присущих каждому временному интервалу в определенный месяц года (рис. 2).

С целью определения качественного и количественного состава образующихся аэрозолей, методом атомно-абсорбционной спектроскопии был проведен анализ снежного покрова зимы

2009-2010 года в трех различных точках г. Тулы. Теоретическим обоснованием правильности выбора такого способа является то, что получаемая из снега вода растворяет находящиеся в ней вещества с образованием истинных молекулярных растворов. Номенклатура полученного химического состава снеговых проб представлена в табл. 1.

Время суток (часы)

Рис. 2. Динамика суточных и сезонных превращений NO 2 и O 3 в приземном слое атмосферы

Таблица 1. Результаты анализа проб снежного покрова в г. Туле

Вещество	Точка отбора
	ул. Оборонная	пр. Ленина  ул. Мира
	мг/л
NO 3-	9	9	8,7
NH 4+	2,6	2,5	2,4
Cu	0,05	0,05	0,04
Fe	0,035	0,037	0,027
Zn	0,12	0,075	0,065
Cr	0,008	0,005	0,0045
Mn	0,02	0,025	0,025
Ni	0,006	0,005	0,005
V	0,011	0,006	0,006

Как видно из нижеприведённого расчёта, молярные концентрации ионов аммония и нитратной группы совпадают, то есть в воде растворен нитрат аммония:

ул. Оборонная

^^^ - — - О 145ЛИИОЛ» /л

JW(W^) 62

c(NHt) 2.6 ....      .

------— - — 0.144лшоль / л;

M 18

пр. Ленина

с(ЛЛЭ,) 9               ,

—---— - — - 0.145жмодь / л;

M(NO₃) 62

с(кн;) _ 2.5

M(NFQ 18

- О138.ииоль/л,

ул. Мира

^с№) = - 0.1 йодата 1 .т

M(NOj 62

^0.133™/,; m(nh;) is

Все присутствующие в снеговых пробах ионы металлов представлены переходной группой, являющейся провокатором рака легкого. В тоже время, в выбросах металлургических предприятий металлы находятся в связанном виде, как правило, в форме оксидов. Существует механизм образования свободных форм металлов ( in situ ). Данный процесс связан с трансформацией формальдегида в количествах превышающих

ПДК. Сущность данного процесса заключается в переходе формальдегида в муравьиную кислоту: CH 2 O о ^HCOO H , которая реагируя с оксидами металлов, образует формиаты, распадающиеся в дальнейшем на воду, оксиды С (II) и C (IV), свободные металлы (1), так например данный механизм превращения присущ всем металлам переходной группы, представляющим собой прекрасные комплексообразователи:

HCOOH + Fe₂O₃ ^ (HCOO)₂ Fe ^ Fe + CO + CO₂ + H₂O (1)

Это свойство металлов переходной группы является причиной образования сложных комплексных соединений вида [Ме(NH 4 ) ^. n] NO 3 . В дальнейшем уже сами комплексы в результате процессов коагуляции и конденсационного роста превращаются в наномолекулярные кластеры, проникающие в легкие. Вся перечисленная совокупность физико-химических процессов, протекающих в атмосферном воздухе крупных индустриально-городских образований, позволяет понять сущность факта накопления строго определенного перечня металлов в легочных альвеолах.

Сами по себе ионы этих металлов попасть в альвеолы легких не могут, так как, согласно данным исследования ВОЗ о фракционном осаждении, они в силу своих размеров, должны были осесть в верхних дыхательных путях, и вынесены мерцательным эпителием. А в альвеолах осаждаются частицы размером до 100 нм [8]. Методом лазерного зондирования удалось определить, что размеры образующихся аэрозолей в результате трансформации NO 2 в атмосферном воздухе Берлина составляют в среднем 80 нм [9]. Таким образом, образующиеся в процессе трансформации загрязняющих веществ металлосодержащие на-номолекулярные кластеры, локализуются в альвеолах легких.

Процессу накопления металлов в альвеолах предшествует распад комплекса [Ме(NH4).n]NO3 во влажной среде легкого на отдельные ионы, каждый из которых начинает оказывать свое специфическое воздействие на органы и системы человека в результате третичной внутриклеточной трансформации загрязняющих веществ. Так, нитрат-ион, попадая в кровеносное русло, восстанавливается гемоглобином крови и железосодержащими ферментными системами гладкомышечных клеток до оксида N(II). Это вызывает расслабление гладких мышц сосудов и локальную ауторегуляцию кровотока (эффект нитроглицерина). Но постоянное, хроническое воздействие NO приводит не только к «привыканию», в результате чего может развиваться гипертоническая болезнь, но и к подавлению NO-синтетазы аргинином – аминокислотой участвующей в образовании необходимых человеку белков, гормонов, ферментов, во множестве обменных процессах и выполняющей ряд защитных функций.

Закономерности формирования пылевого загрязнения приземной атмосферы изучены на примере территории старейшего лечебного учреждения Тулы – Больницы скорой помощи имени Д.Я. Ваныкина, расположенной в Центральном районе города. В качестве источника крупнодисперсной пыли выступает ближайшая к лечебному учреждению крупная транспортная артерия, а поступление мелкодисперсной пыли связано с динамикой регионального фона. В условиях действия внешних факторов миграции генерируемая различными источниками пыль вовлекается в перенос, далее осаждается на техногенном механическом геохимическом барьере и формирует изучаемую аэрологическую ситуацию. Изучаемый геохимический сигнал, или поле, представлялся суммой низкочастотной фоновой и более высокочастотной диагностической компонент (рис. 3). Каждая компонента несёт свою долю информации о механизмах формирования аэрологической ситуации.

— Исходный ^— Фон (Л) — Диагностическая часть (П)

Рис. 3. Сезонная динамика диагностической и фоновой компонент интенсивности осаждения инертной пыли в районе лечебного учреждения

Разделение исходного геохимического поля на несколько компонент позволила реализовать метод формального детектирования аномальных, в том числе наиболее опасных с точки зрения воздействия на организм человека и живые компоненты селитебной территории, фаз сезонного хода запылённости воздуха (рис. 4). Речь идёт о стандартном для геоэкологии методе «трёх сигм». В частности, чем более высокий критический уровень преодолевает график запылённости воздуха, тем выше риски жизнедеятельности человека.

Разработка рекомендаций по снижению запылённости атмосферы селитебных территорий должна учитывать опыт подобных работ, накопленный в индустрии добычи и переработки минерального сырья. Так, решение задачи улучшения аэрологической ситуации регионов индустриального природопользования может опираться на следующие технологии: очистку дорог с постоянным движением от пыли и орошение дорожного покрытия; предотвращение просыпания сыпучих материалов; герметизацию жилых и рабочих помещений; рекультивацию раздернован-ных участков жилой и промышленной застройки, в том числе на технологии формирования стойких к воздушной эрозии покрытий и изменения аэродинамического режима участков, например, путём посадки деревьев и кустарников.

Рис. 4. Формальное детектирование рисков жизнедеятельности человека, определяемых сезонным ходом запылённости приземной атмосферы

Выводы: проведенными исследованиями показан факт хронической интоксикации органов и систем организма продуктами трансформации NO 2 в атмосфере. Причиной недооценки его негативного воздействия на здоровье человека является то, что нормативное среднегодовое значение ПДК – 40 мкг/м³ – установлено по зависимости от газообразной формы NO 2 . А в качестве долговременного норматива по взвешенным веществам класса РМ 2,5 , согласно исследованиям Американского противоракового Общества (ACS), рекомендована среднегодовая концентрация в 10 мкг/м³. Установлены закономерности формирования сезонного хода запылённости приземной атмосферы в районе старейшего лечебного учреждения Тулы, выступающие эмпирической основой разработки общих рекомендаций, снижающих риски жизни и деятельности персонала и населения. Общепринятые методологические подходы к оценке загрязнения воздушной среды территорий индустриального природопользования с позиций исключения вредного воздействия на персонал и население несовершенны и требуют кардинальной переработки с учетом процессов трансформации промышленных выбросов в атмосфере.