Определение Cd и Ni в атмосферном воздухе города Баку с помощью мхов-биомониторов



О проблеме загрязнения среды тяжёлыми металлами в результате развития промышленного производства известно достаточно. В окружающую среду с выбросами предприятий поступают огромные количества токсичных соединений, значительную часть которых составляют тяжёлые металлы.

Проблеме здоровья человека, связанной с загрязнением природной среды тяжёлыми металлами, уделяется немало внимания. Это проблема как медицинского, так и экологического характера. Роль тяжёлых металлов двойственна: с одной стороны, они необходимы для нормального протекания физиологических процессов, являясь катализаторами многих реакций; с другой — при повышенных концентрациях тяжёлые металлы токсичны. [1, c.58]

Наибольший интерес с позиций опасности, а также с позиций применения в производстве представляют следующие химические элементы: кадмий и никель.

Кадмий. Естественное содержание кадмия в объектах окружающей среды относительно невелико, и в основном его наличие является следствием антропогенных выбросов. Наибольшее поступление кадмия в атмосферу связано с деятельностью промышленных предприятий (34 тонны в год) и сжиганием разнообразных отходов (31 тонна в год). Основными путями поступления кадмия в организм человека являются ингаляционный и через кожу. Около 50 % поступившего в организм кадмия обнаруживается в почках, около 15 % — в печени и около 20 % — в мышцах [2,c.32]. Содержание кадмия в почках возрастает по мере поступления данного токсичного элемента в организм до достижения человеком возраста 50-60 лет, а затем снижается в результате возрастных почечных изменений. Данный токсичный элемент выводится из организма с мочой, слюной, через волосы и с грудным молоком. Период полувыведения кадмия составляет по разным оценкам от 10 до 38 лет. Основным критическим органом, характеризующим интенсивность кадмиевой нагрузки на организм, являются почки. Кроме того, металлический кадмий является доказанным для человека канцерогеном, вызывая рак легких, кожи, почек и мочевого пузыря. [3, c. 242-245]

Никель. Это тяжелый металл, соединения которого токсичны при их накоплении в организме. В норме он присутствует у человека в очень низких концентрациях, однако его физиологическая роль не установлена.

Основные пути попадания никеля в организм: с водой и пищей, в которых повышена концентрация этого металла. Ежедневно человек потребляет около 175 мкг никеля с пищей, что, однако, недостаточно для развития каких-либо симптомов интоксикации. Другой источник никеля — загрязненный воздух. За сутки некурящий человек вдыхает 0,1-0,25 мкг никеля. Курение увеличивает поступление никеля на 0,0004 мкг в сутки. Также имеет значение попадание этого элемента через кожу и слизистые оболочки при длительном контакте с никельсодержащими украшениями, монетами, предметами из нержавеющей стали. Повреждающее действие никеля основано на его способности связывать молекулы кислорода, возникающий при этом дефицит АТФ сопровождается нарушением функции многих органов (легких, почек, кроветворной ткани), однако, в первую очередь, страдают ткани с высокой степенью метаболизма — печень и головной мозг. Хроническая интоксикация никелем сопровождается симптомами раздражения верхних дыхательных путей (ощущение заложенности носа, кашель) и может приводить к возникновению астмы. Кроме того, никель обладает канцерогенным эффектом и ассоциирован с развитием злокачественных опухолей носоглотки и легких. [4, c.35]

В настоящее время для оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, используется система химико-аналитического контроля. Существует несколько методов анализа природных сред на содержание тяжелых металлов.

Таблица 1

Характеристика основных методов химического анализа на содержание тяжелых металлов

Методы химического анализа	Достоинства	Недостатки
Молекулярная спектроскопия	Многоэлементый анализ Доступность	Невысокая селективность и чувствительность
Атомная спектроскопия	Многоэлементый анализ Высокая селективность Высокая чувствительность	Спектральные и физико-химические помехи
Масс-спектрометрия	Высокая чувствительность Универсальность Специфичность Селективность	Сложность оборудования, его обслуживания и дороговизна
Вольт-Амперометрический (инверсионный)	Очень высокая чувствительность Многоэлементый анализ	Анализ ограниченного спектра элементов
Нейтронный активационный	Высокая чувствительность Маленькая погрешность Высокая избирательность и специфичность Широкий спектр определяемых элементов Малое количество анализируемого вещества	Малая доступность источников активирующих частиц Необходимость защиты от радиоизлучений Сложности при анализе образцов с сильно активирующейся матрицей

Система химико-аналитического контроля на сегодняшний день является довольно многообразной и альтернативной, но имеет свои недостатки. Используя химико-аналитический подход, необходимо определить содержание многочисленных компонентов загрязняющих веществ в анализируемом субстрате, а затем сравнить их концентрации с существующими нормативами (ПДК) и только тогда можно дать комплексную оценку состояния окружающей среды. [5, c. 384]

Как известно, прогнозировать результат долговременного воздействия вредного вещества на живые объекты и системы, основываясь на ПДК, невозможно. Тем более анализ на содержание загрязнителей не является интегральным показателем состояния среды и не характеризует в полной мере изменения, происходящие в ней. Поэтому химико-аналитические методы должны использоваться в комплексе с другими показателями, например, в сочетании с методами биомониторинга, в основе которых лежит биоиндикация. [6, c. 88-95]

Биоиндикация — это использование хорошо заметных и доступных для наблюдения биологических объектов с целью определения компонентов менее легко наблюдаемых. В биоиндикации широко используются тест-организмы, с помощью которых выявляют различные стрессовые воздействия. [7, c. 348]

В настоящее время биомониторинг загрязнений атмосферы тяжёлыми металлами при помощи мхов — один из самых популярных, простых в исполнении, перспективных и эффективных по стоимости методов контроля, обнаружения и оценки изменения качества воздуха. Метод мхов-биомониторов основан на сравнительном анализе концентраций химических элементов во мхах, отобранных в разных точках исследуемой территории, метод позволяет определить наиболее загрязненные зоны, отслеживать динамику загрязнения атмосферного воздуха, а при известных фоновых концентрациях даёт возможность количественной оценки средних уровней загрязнения без определения ПДК что является непростой и нерешенной до конца задачей. Наиболее важные экологические особенности мхов как подходящего инструмента для биомониторинга является: мхи обладают высокой аккумуляционной способностью и большой поверхностью; широко распространены; растут группами; обладают продолжительным жизненным циклом; выживают в сильно загрязнённой окружающей среде; мхи способны получать питательные вещества из влажного и сухого осаждённого слоя. [8, c. 64]

Метод мхов-биомониторов был использован для определения тяжёлых металлов, а именно Cd и Ni, атмосферном воздухе Баку. Наиболее крупным ядром урбанизации в Азербайджане является Апшеронский полуостров с центром в г. Баку. После распада СССР в результате Карабахского конфликта численность населения Баку стала резко увеличиваться за счёт беженцев и вынужденных переселенцев из Нагорного Карабаха и Армении. Эти факторы, а также высокая плотность населения привели к сильной антропогенной нагрузке на естественные ландшафты полуострова и особенно окружающей его акватории Каспийского моря. В настоящее время главными источниками загрязнения воздуха Наримановского и Сабаиловского района является автотранспорт, обработка древесины, нефтегазовые скважины, предприятие мрамор гранита и строительство зданий

В 2016 году в рамках Протокола о сотрудничестве с кафедрой экологической химии впервые для оценки загрязнения воздуха в Баку был применён активный биомониторинг с использованием мхов-трансплантатов. Мох Sphagnum был собран в экологически чистом болоте Центральной России и экспонирован в мешочках на территории Наримановского и Сабаиловского района. Время экспозиции составило 3 месяца (с ноября 2016 по февраль 2017 года).

Для определения Cd и Ni во мхах нами был использован метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) с пламенной атомизацией, для которого необходимо:

1. Образцы мхов измельчить до размера частиц не более 1-3 мм, чтобы обеспечить равномерное распределение плотности исследуемого материала по объему контейнера
2. От образцов отобрать 0,5 грамм мха и поместить в тефлоновые колбы.
3. В колбы с мхами добавить, с помощью пипетки, 9 мл азотной кислоты HNO₃ (65 %) и 3 мл фтористоводородной кислоты HF, с целью разрушения структуры вещества и полного (100 %) перевода определяемого элемента в раствор.
4. Тефлоновые колбы закрыть взрывными дисками и поместить в микроволновую печь (TOPwave analytik jena). Провести микроволновое вскрытие в режиме: нагрев до 200 ^оС и выдержать при данной температуре в течение 40 мин. После нагрева колбу оставить охлаждаться до комнатной температуры.
5. Колбы открывать под вытяжным шкафом, фильтровать раствор образца в сосуды и довести до объёма 50 мл дистиллированной водой
6. Подготовить к работе атомно-абсорбционный спектрометр для регистрации сигнала в оптимальных условиях абсорбции изучаемого элемента
7. Ввести анализируемый раствор в атомизатор, создать поглощающий слой атомного пара и произвести измерение аналитического сигнала:

– раствор вводят в атомизатор, в котором растворитель испаряется, сухой остаток разлагается и превращается в атомный пар;

– через слой атомного пара пропускают свет от селективного источника света, излучающего узкую характеристическую резонансную линию определяемого элемента;

– из светового потока, прошедшего через поглощающий слой, выделяют участок спектра, соответствующий резонансной линии поглощения;

– оценивают аналитический сигнал — абсорбцию.

8. Используя растворы сравнения, получают градуировочную зависимость (графическую или формульную).
9. Определяют концентрацию изучаемого элемента в пробе.
10. Оценивают правильность результатов анализа путем сопоставления результатов анализа стандартных образцов состава с данными их аттестации.

Проба	TW	Количество пробы (в граммах)	Ni(mg/kg)	Сd(mg/kg)
чистая	1	0,3004	-44,41	0,7681
2а*	2	0,5045	-43,46	2,823
3б**	3	0,5024	-58,89	3,093

* 2а Сабаиловский район

**3б Наримановский район

Вывод:

Метод мхов-биоиндикаторов с использованием эпифитных мхов позволил выявить наиболее загрязненные районы на территории г.Баку. Изучение динамики загрязнения атмосферного воздуха г. Баку показывает рост концентраций тяжелых металлов, что объясняется увеличением потока автотранспорта и введением в работу новых промышленных мощностей. На основе анализа было установлено, что концентрация Cd на территории Наримановского и Сабаиловского района превышает фоновую концентрацию приблизительно на 2,7 и 1,7 mg/kg соответственно, а концентрация Ni не превышает фоновую концентрацию.

Для принятия мер по улучшению экологической обстановки г. Баку необходимо направить полученные результаты в проектные и научно-исследовательские учреждения, занимающиеся экологическими проблемами, мониторингом атмосферы, а также в департамент окружающей среды. Несомненная ценность данной работы заключается в возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения.

Литература:

1. Большаков В.А. Загрязнение почвы и растительности тяжёлыми металлами / В.А.Большаков, Н.Я.Гальпер, Г.А.Клименко, Е.В.Башта // М.,1978
2. Воробьева Р. С. Гигиена и токсикология кадмия: Научный обзор. M., 1979
3. Перегудова Т. //Металлы. Гигиенические аспекты оценки и оздоровления окружающей среды. M., 1983
4. Г.Г. Уразов. Металлургия никеля. ОНТИ, 1935.
5. Методы анализа загрязнений воздуха / Ю.С. Другов, А.Б. Беликов, Г.А. Дьякова и др. М.: Химия, 1984. — 384 с.
6. Вергель К.Н., Фронтасьева М.В., Каманина И.З., Павлов С.С. Биомониторинг атмосферных выпадений тяжелых металлов на северо-востоке Московской области с помощью метода мхов-биомониторов // Экология урбанизированных территорий. 2009
7. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем: пер с нем. / под. ред. Р Шуберта. М.: Мир, 1988
8. Poikolainen J. Mosses, epiphytic lichens and tree bark as biomonitors for air pollutants specifically for heavy metals in Regional surveys. — Oulu: Oulun Yliopisto. 2004