Сравнительная оценка содержания пыли в атмосферном воздухе и сульфатов и нитратов в снежном покрове в городе Хабаровск

Введение. Урбанизационные процессы в Хабаровском крае направлены на доминирование крупных городов, в первую очередь – г. Хабаровск: статистическая доля городского населения региона составляет 81% [1]. К наиболее распространенным неблагоприятным факторам, представляющим опасность для здоровья городского населения, относится загрязнение атмосферного воздуха пылью (взвешенными веществами). Основные источники поступления пыли в атмосферу городов – выбросы от промышленных предприятий и автотранспорта. Содержания взвешенных веществ в атмосферном воздухе городов РФ имеют ярко выраженный максимум в теплый период, что обусловлено влиянием природных факторов [2].

Для повышения качества городской среды и охраны здоровья населения в Стратегии экологической безопасности РФ к одной из основных задач относится уменьшение уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах и иных населенных пунктах [3]. В Российской Федерации реализуется федеральный проект «Формирование комфортной городской среды», направленный на повышение индекса качества городской среды на 30%, сокращение в соответствии с этим индексом количества городов с неблагоприятной средой в 2 раза [4].

Городской атмосферный воздух, загрязненный пылью, относится к первично загрязняемой, транспортирующей, накапливающей и воздействующей на человека среде. В последние годы появились научные публикации, что пыль способна адсорбировать из атмосферного воздуха различные вредные вещества техногенного происхождения (сульфаты, нитраты, бенз(а)пирен, тяжелые металлы) и переносить их на значительные расстояния от источников загрязнения [5-7]. В дальнейшем, за счет процессов мокрого (с осадками) или сухого (за счет гравитации) осаждения эти вредные вещества выпадают на городские почвы (или снежный покров) и способствуют формированию локальных геохимических аномалий, в том числе в зонах жилой застройки и рекреации. Выпадающие из атмосферного воздуха вместе с пылью или самостоятельно вещества кислотного характера (сульфаты и нитраты) влияют на кислотно-щелочной баланс городских почв и поверхностных водных объектов, вызывая подкисление и эвтрофикацию [8].

Цель исследования. Для устранения экологических рисков в устойчивом развитии г. Хабаровск необходимо оценить изменение загрязненности атмосферного воздуха пылью (взвешенными веществами) за период с 2017 по 2022 гг., и проанализировать связь между концентрацией веществ кислотного характера в снежном покрове (сульфатов и нитратов) и содержанием взвешенных веществ в атмосферном воздухе.

Материалы и методы исследования. Наблюдение за загрязнением атмосферного воздуха г. Хабаровск взвешенными веществами (далее сумма твердых частиц – TSP), и снегового покрова сульфатами (SO ⁴ 2-) и нитратами (NO ^{3 -} ) проводилось в период с 2017 по 2022 гг. Отбор проб воздуха осуществлялся в соответствии с требованиями РД.52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» на 3 стационарных постах государственной наблюдательной сети ФГБУ «Дальневосточное УГМС» – ПНЗ № 3 (ул. Воронежская, 52) и ПНЗ № 5 (перекрёсток ул. К. Маркса – ул. Синельникова), ПНЗ № 6 (ул. Архангельская, 50). Отбор проб снежного покрова проводился на снегомерном маршруте метеостанции «Хабаровск». Химический анализ снеговой воды был выполнен в аккредитованной лаборатории ФГБУ «Дальневосточное» УГМС» (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.511390): NO ^{3 -} определяли спектрофотометрическим, а SO ^{4 2-} – нефелометрическим методами. Содержание взвешенных веществ в атмосферном воздухе анализировали гравиметрическим методом. Отбирали среднесуточные пробы – дискретно по 30 мин., не менее 4 раз сутки. Город Хабаровск – экономический центр Хабаровского края. Согласно данным Росстата, в 2022 г. население города составляло 613,5 тыс. жителей. В городе зарегистрировано свыше 240 тыс. автотранспортных средств. Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят выбросы от стационарных источников СП «Хабаровская ТЭЦ-1» и СП «Хабаровская ТЭЦ-3», АО ДГК филиала «Хабаровская генерация», АО «ННК-Хабаровский НПЗ» [9].

Зимой в г. Хабаровск преобладают два направления ветра: юго-западное и северо-восточное. Сильное загрязнение городского воздуха для холодного полугодия имеет 2 максимума концентраций примесей в зависимости от скорости ветра: при штиле и при скорости ветра 9-11 м/сек. [10]. Принимая во внимание продолжительность холодного полугодия в г. Хабаровск, полученные результаты измерения концентрации TSP в атмосферном воздухе были сгруппированы с октября по март – «холодный» период (табл. 1).

Поскольку особую опасность для здоровья человека представляет пыль, диаметр составляющих компонентов которой менее 10 и 2,5 мкм (РМ10 и РМ2,5), в настоящем исследовании для оценки концентрации фракций пыли РМ10 и РМ2,5 были использованы формулы, рекомендованные главным санитарным врачом Г.Г. Онищенко с соавт. [11]:

– РМ10 = 0,55×TSP;

– PM2,5 = (0,33 – 0,36)×TSP.

Результаты и обсуждение. Результаты исследования, представленные в табл. 1 свидетельствуют, что концентрация взвешенных веществ (TSP) в «холодный» период с 2017 по 2022 гг. проявила тенденцию снижения, но при этом превышала ПДКсг. Согласно государственному докладу о состоянии окружающей среды в Хабаровском крае средняя за год концентрация взвешенных веществ в г. Хабаровск составляет 1,3 ПДК (0,134 мг/м³) [9]. Но при анализе изменения в изученный период расчетных концентраций мелкодисперсной пыли РМ10 и РМ2,5 видно, что их содержание превышало санитарно-гигиенический показатель в 1,5-2 раза (в диапазоне от 0,085 до 0,066 мг/м³ для РМ10 и от 0,056 до 0,043 мг/м³ для РМ 2,5) (табл. 1).

Таблица 1 – Изменение содержания взвешенных веществ в атмосферном воздухе г. Хабаровск в «холодный» период

Загрязняющее вещество		Период, гг.					ПДКсг
		20172018	20182019	20192020	20202021	20212022
TSP	С, мг/м3	0,155	0,151	0,137	0,143	0,121	0,075
	С/ПДКсг	2,064	2,012	1,825	1,908	1,609
РM10	С, мг/м3	0,085	0,083	0,075	0,079	0,066	0,04
	С/ПДКсг	2,128	2,075	1,882	1,968	1,659
РM2,5	С, мг/м3	0,056	0,054	0,049	0,052	0,043	0,025
	С/ПДКсг	2,229	2,173	1,971	2,061	1,738

По качественному составу взвешенные вещества представляют смесь органических и неорганических соединений, находящихся в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии и часто содержащих значительное количество воды [12]. Крупные частицы TSP состоят из катионов металлов (Al⁺, K⁺, Ti²⁺, Mn²⁺, Fe⁺), но преимущественно содержат Ca²⁺. Частицы мелкой пыли (РМ10 и РМ2,5) могут адсорбировать кислые ионы – SO ^2- и NO ^- , причем результаты исследований показали что в более крупных частицах PM10 концентрации кислых ионов меньше, чем в PM2.5 [13].

Зимой при неблагоприятных метеорологических условиях в г. Хабаровск крупные частицы пыли (TSP и РМ10) выпадают из атмосферного воздуха преимущественно вблизи источников выбросов (предприятий и автомагистралей), вызывая локальное техногенное загрязнение снежного покрова щелочными (Ca²⁺) и кислыми ( SO ^2- ) ионами. В исследовании [14] было показано, что вокруг промышленных источников формируется ареал рассеивания твердых аэрозолей, представляющих сухое их вымывание из атмосферы. Грубодисперсные фракции аэрозолей осаждаются в большинстве случаев (90%) в радиусе 7 км от источника загрязнения.

Мелкая пыль PM2.5, адсорбирующая преимущественно анионы NO ^- , способна переноситься на значительное расстояние (десятки и сотни километров) от источника выбросов и выпадать (сухое и мокрое осаждение) на снежный покров, вызывая изменение кислотности на земельных участках, относящихся к жилым или рекреационным зонам города. На возможность такой модели формирования геохимических аномалий городских почв указывают результаты исследований [5]. До 30% массы частиц PM2.5 могут составлять ионы NO ^- , NH ⁺ и SO ^2- [15].

Хорошо известно, что степень загрязнения снежного покрова коррелирует с загрязнением атмосферного воздуха. Мониторинг уровня загрязнения снежного покрова считается удобным методом, дающим возможность оценить уровень техногенной нагрузки на окружающую среду городов и здоровье проживающего в них населения [16]. В табл. 2 представлены результаты наблюдений за концентрацией кислых ионов в снежном покрове метеостанции «Хабаровск», расположенной в окрестностях г. Хабаровск. Как видно из представленных данных, максимум SO ^2- в снеговой воде наблюдали в зимы с 2018 по 2020 гг., а максимум NO ^- – зимой 2018-2019 гг. Диапазон вариации концентраций SO ^2- за изученный период составил 2,81-15,9 мг/м³, а концентраций NO ^- – 1,72-18,89 мг/м³.

Таблица 2 – Изменение содержания сульфатов и нитратов в снежном покрове метеостанции «Хабаровск»

Загрязняющее вещество	Период, гг.
	2017-2018	2018-2019	2019-2020	2020-2021	2021-2022
SO 4 2-, мг/м	2,81	13,49	15,9	2,69	4,13
NO 3 - , мг/м	1,72	18,89	0,96	2,68	1,45

Известно, что кислотные осадки могут оказать существенное влияние на элементы экосистемы промышленного города [17]. В связи с этим, для проверки гипотезы о возможности дальнего переноса кислых ионов с взвешенными веществами был выполнен корреляционный анализ между концентрацией взвешенных веществ

(TSP, мг/м³) в атмосферном воздухе в «холодный» период и содержанием SO ^{4 2-} и

NO ^{3 -} (мг/дм³) в снежном покрове за 2017-2021 гг. в г. Хабаровск (табл. 3).

Таблица 3 – Корреляционная зависимость между концентрацией взвешенных веществ (TSP) в «холодный период» в атмосферном воздухе и содержанием сульфатови нитратов в снежном покрове в г. Хабаровск за 2017-2021 гг.

Загрязняющее вещество	TSP, мг/м3	SO 4 2-, мг/дм3	NO - , мг/дм3
TSP, мг/м3	1
SO 4 2-, мг/дм	0,05	1
NO - , мг/дм	0,42	0,45	1

Как следует из табл. 3, между содержанием взвешенных веществ в атмосферном воздухе и содержанием нитратов в снежном покрове наблюдается слабая прямая корреляция, что подтверждает предположение о возможности переноса ионов NO ^- с мелкодисперсной пылью на значительные расстояния от источника выбросов (промышленных предприятий и автомагистралей). Положительная корреляция между содержанием сульфатов в снежном покрове метеостанции

«Хабаровск» и нитратов, а также отсутствие корреляционной зависимости сульфатов с содержанием пыли в атмосферном воздухе города, вероятно, указывает на разные источники поступления этих примесей в снежный покров в районе метеостанции – часть сульфатов выпадает в снежный покров от локальных источников, расположенных в районе метеостанции.

Вывод. Анализ изменения содержания пыли (TSP) в атмосферном воздухе г. Хабаровск за 2017-2021 гг. показал тенденцию снижения загрязнения, но выявил возможное превышение в 1,5-2 раза среднегодовой концентрации мелкодисперсных фракций пыли PM10 и PM2,5. Оценка изменения содержания кислых анионов (SO ^2- и NO ^- ) в снежном покрове метеостанции «Хабаровск» показала значительную вариациюконцентраций: SO ^2- от 2,81 до 15,9 мг/м³, NO ^- – от 1,72 до 18,89 мг/м ³ . Обнаружена слабая прямая корреляционная связь между содержанием взвешенных веществ (TSP)в атмосферном воздухе и концентрацией нитратов в снежном покрове, что указывает на необходимость корректировки программы наблюдений ФГБУ «Дальневосточное УГМС» за загрязнением атмосферы г. Хабаровск: организация мониторинга концентрациймелкодисперсной пыли и ее качественного состава, анализ содержания кислых анионов в выпадениях пыли на снежный покров метеостанции «Хабаровск», что позволит более точно контролировать нормативы допустимых выбросов взвешенных веществ от промышленных предприятий и автомагистралей.