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

СШШМШНШ

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИИ кризис: _МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ

УДК 551.513 ББК 26.222

В.А. Румянцев, Ш.Р. Поздняков, Л.Н. Крюков, А.О. Смоленский

микро- и ультрадисперсные частицы окружающей среды в мегаполисе (на примере санкт-петербурга}

Рассмотрено влияние микро- и ультрадисперсных частиц воздуха, почвы и воды на экологическую обстановку в Санкт-Петербурге. В результате исследований прудов города летом 2012 г. экспериментально зафиксировано значение микро- и ультрадисперсных частиц донных отложений и водных взвесей в развитии «цветения» воды.

Ключевые слова:

вода, воздух, почва, цветение, частица, экология.

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 пыле-ватый 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 пыле-образующих 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

о О

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 цианобакте-рии 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. Доминирование в водоемах токсигенных видов ци-анобактерий сопровождается образованием многочисленных биологически активных веществ, включая аллергенные липополи-сахариды и особо опасные канцерогенные микроцистины и нодулярины, нейроток-сичные 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, ци-анобактерии 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. Ре-гуляторный 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 1 211

Влияние загрязнения почв экотоксикантами на качество воды типовых прудов Санкт-Петербурга

№ 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 Алек-сандрино 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 меняющимся 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 полианионными свойствами и в кислой среде они уплотняются и коллапсируют, что приводит к обрыву трофической цепи ци-анобактерий. Наоборот, в щелочной среде гумусовые частицы набухают и становятся доступными носителями веществ, необходимых для развития цианобактерий в поверхностном слое воды [20]. Иными

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-бак-терий, 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 Алек-сандрино 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

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 циано-бактерий (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 распределение, табл. 2. Не вызывает сом-

отложениях и в водных взвесях частиц нений целесообразность последующих уг-

размером 50-250 нм биомасса цианобак- лубленных гидролого-гидрохимических,

терий не достигала критических величин. гидробиологических и гранулометричес-

Было зафиксировано, что возрастание ких исследований этих водоемов города.

биомассы цианобактерий связано с уве- Нельзя исключать, что в условиях про-

личением размеров частиц взвесей, по- грессирующего загрязнения окружающей

видимому, гумусовых систем. Между тем, среды Санкт-Петербурга скопления ци-

ультрадисперсный состав водной среды анобактерий в этих прудах играют роль

интенсивно «цветущих» прудов (№№ 14 поглотителей токсикантов по аналогии с

и 17) имеет неординарное фракционное биоплёнками Nostoc commune [4].

Список литературы:

[1] Брагинский Л.П. Принципиальное препятствие к применению химического метода борьбы с «цветением» воды в водохранилищах. // Водные ресурсы. - 1977, № 2. - С. 5-16.

[2] Волошко Л.Н., Плющ А.В., Титова Н.Н. Токсины цианобактерий (CYANOBACTERIA, CYANOPHYTA) // Альгология. Т. 18. - 2008, № 1. - С. 3-20.

[3] Гладышев М.И., Колмаков В.И., Кравчук Е.С. и др. Прорастание акинет цианобактерий из донных отложений в эксперименте в водах «цветущего» и «нецветущего» водоемов // Доклады академии наук. Т. 378. - 2001, № 1. - С. 134-137.

[4] Горностаева Е.А., Фокина А.И., Кондакова Л.В. и др. Потенциал природных биопленок Nostoc commune как сорбентов тяжелых металлов в водной среде // Вода: химия и экология. - 2013, № 1 (55). - С. 93-101.

[5] Горюнова С.В., Демина Н.С. Водоросли - продуценты токсических веществ. - М.: Наука, 1974. - 256 с.

[6] Драбкова В.Г., Сорокин И.Н. Озеро и его водосбор - единая природная система. - Л.: Наука, 1979.

- 196 с.

[7] Здобин Д.Ю., Семенова Л.К. О гранулометрическом анализе глинистых грунтов: лазерные и классические методы // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. - 2011, № 6.

- С. 560-5674.

[8] Колмакова А.А., Гладышев М.И., Калачева Г.С. Различия аминокислотного состава доминирующих видов фитопланктона в эвтрофном водохранилище // Доклады академии наук. Т. 415. - 2007, № 5.

- С. 711-713.

[9] Кузьмин Г.В. Фитопланктон. Видовой состав и обилие // Методика изучения биоценозов внутренних водоемов. - М.: Наука, 1975. - С. 73-87.

[10] Матишов Г.Г., Ковалева Г.В. «Цветение» воды в водоемах юга России и сбои в водоснабжении (на примере г. Волгодонска) // Вестник Южного научного центра РАН. Т. 6. - 2010, № 1. - С. 71-79.

[11] Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта DAPHNIA-MAGNA STRAUS: ПНД ФТ 14.1:2:4.12-06, 16.1:2:3:3.9-06. - М.: ФГУ «Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия», 2007.

[12] Охотин В.В. Грунтоведение. - СПб.: АНТТ-Принт, 2008. - 231 с.

[13] Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2005 году. Отчет КПП, ООС и ОЭБ. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http:// www.ecounion.ru

[14] Плакунов В.К., Стрелкова Е.А., Журина М.В. Персистенция и адаптивный мутагенез в биопленках. // Микробиология. Т. 79. - 2010, № 4. - С. 447-458.

[15] Поздняков Ш.Р., Крюков Л.Н., Румянцев В.А. Исследование влияния дисперсности водных взвесей на токсичность «цветения» воды Ладожского озера. // Доклады академии наук. Т. 440. - 2011, № 6.

- С.822-825.

[16] Поздняков Ш.Р. Проблемы расчета и измерения характеристик наносов в водных объектах. - СПб.: Лема, 2012. - 226 с.

[17] Росстат. Социальное положение и уровень жизни населения России. 2010: Стат. Сб. - М. 2010. - Табл. 10.31.

[18] Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений. / Под ред. В.А. Абакумова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 240 с.

[19] Румянцев В.А., Игнатьева Н.В. Система ранней диагностики кризисных экологических ситуаций на водоемах. - СПб.: ВВМ, 2006. - 152 с.

[20] Румянцев В.А., Крюков Л.Н. Супрамолекулярные регуляторы цветения водоемов. // Вестник РАН. Т. 82. - 2012, № 6. - С. 552-557.

[21] Сапрыкин Ф.Я. Геохимия почв и охрана природы. - Л.: Недра, 1984. - 232 с.

[22] Федотов Г.Н., Добровольский Г.В., Шоба С.А. К вопросу о механизме возникновения наноструктур-ной организации в почвенных гелях. // Доклады академии наук. 2012. Т. 445. № 4. С. 482-485.

[23] ManiloffJ. Nannobateria: size limits and evidence (Letter). // Science. - 1997, v. 276. - P. 1776-1777.

[24] Sivonen K., Jones G. Cyanobacterial toxins. Toxic cyanobacteria in water - a guide to their public health consequences, monitoring and management. - London: E. & F.N. Spon, 1999. - P. 41-111.

[25] Swanson M, Heuner K. Legionella: Molecular Microbiology. - Caister Academic Pr. 2008. - 249 p.