Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ провели исследование загрязнения воздуха вдоль трех крупных автодорог северной части Московской области — Ленинградского, Ярославского и Дмитровского шоссе. Используя технику активного биомониторинга, специалисты выявили, какие потенциально токсичные элементы (ПТЭ) и в каком количестве накапливаются в придорожных зонах. Результаты показали прямую зависимость уровня загрязнения от интенсивности трафика и позволили определить основные источники выбросов. Полученные данные важны для оценки рисков транспортных выбросов для окружающей среды и здоровья жителей прилегающих территорий. Статья о результатах исследования опубликована в Journal of Hazardous Materials.

Автотранспорт сегодня является одним из главных источников загрязнения атмосферного воздуха в урбанизированных регионах Российской Федерации. Постоянный рост автопарка и высокая плотность дорожного движения усугубляют эту проблему. Особенно остро она проявляется на крупных магистралях, где показатели трафика достигают отметок в сотни тысяч автомобилей за сутки. Такая транспортная нагрузка неизбежно генерирует целый комплекс загрязняющих веществ, в число которых входят не только выхлопные газы, но и твердые частицы, содержащие тяжелые металлы.

Для оценки уровня загрязнения ученые из сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ применили один из методов биомониторинга — технику «мох в мешках». В качестве биоиндикатора использовался мох Сфагнум Гиргензона (Sphagnum girgensohnii Russow) — вид, который обладает широким ареалом распространения и высокой накопительной способностью. Как рассказала начальник сектора Инга Зиньковская, мешочки с предварительно очищенным мхом были развешаны вдоль трех исследуемых шоссе на специально выбранных участках протяженностью около 50 км каждый, с точками экспозиции, расположенными приблизительно через каждые 5 км.

Карта Центральной России с отмеченными точками экспозиции мхов в мешках

«По прошествии периода экспонирования все собранные образцы были отправлены в лабораторию на анализ. Для этого мы использовали метод оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС) и прямой анализатор ртути, — отметила ученый. — Чтобы достоверно определить накопление элементов, критически важно провести сравнение собранных мхов с неэкспонированными контрольными образцами, хранившимися в лаборатории. На основе этого анализа мы смогли рассчитать относительный фактор накопления (RAF), который четко демонстрирует, какие элементы и в какой степени были поглощены мхами из атмосферы».

В ходе анализа специалисты определили 16 элементов – от распространенных в придорожном воздухе алюминия и серы до токсичных свинца и ртути. Используя метод главных компонент (PCA), они идентифицировали группы элементов с общими источниками происхождения и связали их с конкретными процессами, характерными для автотранспорта. Основными причинами выбросов потенциально токсичных элементов стали:

• износ двигателя,
• выхлопные газы и горение моторных масел,
• износ колодок и неисправности тормозной системы,
• износ автомобильных шин,
• поднятие дорожной пыли (эрозия почв, износ дорожного покрытия).

Исследователи подтвердили, что степень загрязнения атмосферного воздуха напрямую зависит от интенсивности дорожного трафика. Так, наиболее загруженная трасса — Ленинградское шоссе — продемонстрировала самое высокое накопление ПТЭ. Значительные показатели накопления были отмечены для ванадия, хрома, железа и алюминия. Кроме того, особенно высокие коэффициенты обогащения (EF) были зафиксированы для кобальта и цинка. Второе место по уровню загрязнения воздуха заняло Ярославское шоссе. Здесь присутствовали те же элементы, но в меньших концентрациях.

В связи с наименее интенсивными дорожными потоками, на Дмитровском шоссе был выявлен самый низкий показатель накопления ПТЭ. В отличие от более оживленных магистралей концентрации меди, никеля, марганца и стронция во мхах здесь оказались на уровне фоновых значений. Однако количество ртути на Дмитровском шоссе вопреки общей тенденции продемонстрировало статистически значимый рост (на 15 % по сравнению с фоном) и оказалось выше, чем на двух других трассах. Специалисты связывают это с малой скоростью движения транспорта в часы пик из-за заторов и пробок на одно- и двухполосных участках дороги. Работа двигателей автомобилей в таком режиме способствует повышенным выбросам ртути, присутствующей в составе топлива.

Анализ главных компонент (PCA) для образцов мха, экспонированных на различных расстояниях от края дороги на Дмитровском шоссе

Дополнительно ученые изучили, каким образом на распространение элементов влияет расположение мешков со мхом. На Дмитровском шоссе они были размещены на трех дистанциях от края дороги: 5, 50 и 100 метров. Анализ показал, что содержание Al, Co, Cr, Cu, Fe, Ni и V снижалось по мере удаления от дорожного полотна. Наибольшие концентрации этих элементов всегда фиксировались на минимальной дистанции (5 м). На расстоянии 100 м средние уровни алюминия, ванадия, железа, хрома и кобальта были на 15–31 % ниже, чем непосредственно у дороги. Это указывает на их ограниченную подвижность в атмосфере и формирование четкой зоны воздействия вдоль трассы. Содержание бария, марганца, кадмия, свинца, стронция, цинка и ртути не выявило значительной зависимости от удаленности, что свидетельствует об их потенциальной возможности распространяться на большие расстояния.

Исследование демонстрирует, что интенсивность автомобильных потоков является важным антропогенным фактором, определяющим уровень загрязнения придорожных территорий потенциально токсичными элементами. «Регулярный мониторинг качества воздуха, особенно вблизи населенных пунктов, является важнейшей задачей для минимизации экологических рисков и защиты здоровья населения, — подчеркнула Инга Зиньковская. — Это исследование вносит значительный вклад в понимание экологических последствий транспортной нагрузки в Московском регионе». Работа ученых ОИЯИ в очередной раз подтвердила высокую эффективность метода биомониторинга с использованием мхов как одного из самых доступных и точных инструментов оценки пространственного распределения атмосферных загрязнителей.

В исследовании приняли участие сотрудники сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ: Инга Зиньковская, Омари Чалигава, Никита Юшин, Дмитрий Гроздов, Константин Вергель и Павел Нехорошков.