Молодой ученый Биологического института ТГУ Максим Носков стал одним из организаторов исследования по оценке загрязнения воздуха потенциально токсичными элементами (ПТЭ) на городских территориях Кемеровской области. Исследователи из Томска, Дубны и Кемерова впервые на территории Кузбасса применили метод активного биомониторинга – технику «мох в мешках». Такой биомониторинг может быть рекомендован как недорогой и эффективный метод оценки уровня ПТЭ в региональных масштабах.
Во мхах, размещенных в разных населенных пунктах Кузбасса, было определено содержание 16 потенциально токсичных элементов. Наиболее высокие показатели зафиксированы в Юрге, далее в топ-5 идут Березовский, Новокузнецк, Междуреченск и Кемерово. Полученные результаты помогут экологам и представителям организаций здравоохранения в разработке новых мер по защите окружающей среды и здоровья людей. По результатам проведенных исследований были опубликованы научные статьи в высокорейтинговых журналах, где соавторами выступили школьники, работавшие в команде с учеными. Это стало прецедентом для публикаций в изданиях международного уровня.
В Кемеровской области находится крупнейший в России и один из крупнейших в мире угольный бассейн. Уголь – надежный и относительно недорогой источник энергии и его широко применяют в промышленности. Однако использование угля приводит к значительному загрязнению воздуха твердыми частицами, метаном, диоксидом серы, диоксидом азота, оксидом углерода и другими теплоулавливающими газами, полиароматическими углеводородами и токсичными элементами.
Без мониторинга загрязнения атмосферы невозможно управлять качеством воздуха, оценивать потенциальные комплексные эффекты, справедливо распределять предполагаемые источники выбросов и определять краткосрочную и долгосрочную миграцию загрязняющих веществ. В конечном счете эти факторы могут быть учтены для совершенствования законов и нормативных актов по контролю качества воздуха.
Ученые Томска, Дубны и Кемерова взялись установить количественные значения различных металлов, в том числе тяжелых и потенциально токсичных, на разных территориях Кемеровской области. Для оценки загрязнения воздуха применялся метод активного биомониторинга. Он подразумевает использование мхов, которые выступают в качестве организмов-биомониторов.
Традиционные методы мониторинга воздуха дают точные данные, но являются дорогостоящими, трудоемкими и энергозатратными. К тому же традиционные станции мониторинга работают на очень ограниченных территориях – в основном, в крупных городах, и они контролируют небольшое количество загрязняющих веществ в относительно короткое время. Это углекислый газ, оксид серы, азот, частицы PM2.5 и PM10 (смесь разных видов частиц органического и неорганического происхождения, включая пыль, пыльцу, сажу, дым, химикаты, сульфаты, минеральную пыль). В то же время существуют трудности в измерении таких загрязняющих веществ, как мышьяк, кадмий, ртуть, никель и свинец – в основном, из-за высокой стоимости анализа.
Мхи лучше подходят для комплексного мониторинга воздуха, поскольку позволяют одновременно контролировать уровень органических, неорганических и газообразных загрязнителей. Техника «мох в мешках», или активный биомониторинг является методом недорогим, простым в использовании и надежным. Кроме того, при таком биомониторинге можно проводить эксперименты в широком временном интервале – от нескольких дней до целого года.
– Метод активного биомониторинга считается признанным во многих странах, но в России пока не включен Роспотребнадзором в стандартные методы исследований. Ранее он использовался только для конкретных объектов, к примеру, чтобы оценить определенные выбросы от того или иного завода. А для установления усредненных значений содержания ПТЭ в отдельных городах этот метод ранее применяли только в Москве, – отмечает один из авторов исследования, аспирант БИ ТГУ Максим Носков. – Целью проекта стал выбор точек экспонирования в пяти городах Кемеровской области с разным уровнем антропогенной нагрузки, чтобы оценить, чем там загрязнен воздух, насколько и что может являться источниками.
Руководитель проекта – начальник сектора нейтронно-активационного анализа и прикладных исследований Объединенного института ядерных исследований в Дубне Инга Зиньковская. Вместе с ней и ее коллективом Максим Носков решил провести совместный комплексный междисциплинарный эксперимент при участии школьников и студентов. Целью проекта было реализовать схему наставничества при проведении комплексных исследований, используя высокоточные методы анализа
Проект был одобрен образовательным центром «Сириус» и стартовал в сентябре 2022 года. В команду ученых, которые занялись исследованием в Кемеровской области, кроме Максима, вошли еще четверо наставников из «Сириуса» и сотрудники ОИЯИ. К ним присоединились пятеро школьников из пяти городов Кузбасса.
Материалом для проведения эксперимента стал сфагнум гиргенсохна руссова – хорошо изученный вид мха для биомониторинговых исследований. Отбор мха проводили в Тверской области. После удаления посторонних примесей мох высушили на воздухе, упаковали в нейлоновые мешочки и развесили в пяти городах: Кемерове, Новокузнецке, Междуреченске, Березовском и Юрге. При этом были выбраны места с разной степенью антропогенной нагрузки – как парковые зоны, так и территории вблизи шахт и металлургических предприятий.
– Метод активного биомониторинга хорошо подходит для городских территорий либо промышленных зон, где очень сложно найти мох, растущий в естественной среде. Еще один плюс активного биомониторинга в том, что практически в режиме реального времени можно определить не только какие элементы попадают в окружающую среду, но и откуда они поступают. Когда проводится пассивный мониторинг на больших территориях, мы видим, что мхи накапливают химические элементы, но не всегда можем связать это с конкретным источником загрязнения. А экспонирование мешочков со мхами вблизи потенциальных источников загрязнения воздуха показывает состав выбросов, – рассказывает руководитель проекта, доктор химических наук, начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований Инга Зиньковская.
Мешочки со мхами вывешивали на высоте 2,5 метра над землей. Там они находились в течение двух месяцев. После окончания экспозиции школьники собрали мешки со мхом и, упаковав в герметичные бумажные пакеты, отправили на исследование в ОИЯИ. Часть мха, не подвергшегося экспонированию, сохранялась в лаборатории и использовалась в качестве фонового образца. Во мхах, побывавших на Кузбассе, было определено содержание 16 элементов: Al, Ba, Co, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, P, Pb, Sr, S, V, Zn и Hg.
По сравнению с контрольными образцами, экспонированные мешочки со мхом показали более высокое содержание потенциально токсичных элементов. Также были получены сильные положительные корреляции между элементами, источниками которых являются добыча и сжигание угля, металлургическая промышленность и транспорт.
Наибольшее накопление элементов отмечено в Юрге, за ней следуют Березовский, Новокузнецк, Междуреченск и Кемерово. Повышенный уровень алюминия, кадмия, хрома, кобальта, железа и ванадия в исследованных городских районах может представлять определенный риск для здоровья, однако критически высокими эти показатели назвать нельзя, отмечают ученые.
В дальнейшем коллектив проекта планирует расширить территорию исследования и увеличить сроки экспонирования мха до полугода, чтобы оценить, насколько далеко переносятся загрязняющие вещества и как долго они сохраняют свой след. Сделанные выводы будут использованы для усиления экологического мониторинга в регионе и могут помочь экологам и представителям организаций здравоохранения в разработке новых мер по защите окружающей среды и здоровья людей.
В целом проведенное исследование показало, что биомониторинг с помощью мхов может быть рекомендован как недорогой и эффективный метод оценки уровня ПТЭ в горнодобывающих и промышленных регионах, где государственный мониторинг воздуха не осуществляется или ограничивается измерением нескольких загрязняющих веществ.
Проделанная работа ученых и школьников заинтересовала авторитетные международные научные издания. Так, в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry и Environmental Monitoring and Assessment (включены в Scopus и Web of Science) вышли научные статьи, соавторами которых стали юные участники экологического проекта. Сейчас двое из них уже являются студентами – Института медицинского образования им. Алмазова и Университета ИТМО (Санкт-Петербург).
– Возможно, это уникальная история – имена студентов, и тем более школьников, появились в журналах столь высокого уровня, – добавляет Максим Носков. – И в любом случае, работа вместе с учеными дала ребятам мощный старт. Те, кто уже стали студентами, с первого курса получают дополнительные преференции в виде повышенной стипендии за высокорейтинговые публикации. Школьники не раз побеждали с презентацией этого проекта на различных конференциях. Сейчас о нем на федеральном уровне говорят как об одном из важных прецедентов в наставничестве.
Как подчеркивает Инга Зиньковская, этот экологический проект стал активно распространяться в других регионах России. В частности, аналогичными работами сейчас занимаются школьники на Камчатке, в Ростовской области, в Приморье.
– Это уже больше, чем просто популяризация науки, когда ученые приходят к школьникам и рассказывают о своих исследованиях. Здесь у ребят есть возможность поучаствовать в реальных значимых экспериментах, получить уникальные данные. Это стимул для подростков найти себя в науке и развиваться в этом направлении, – говорит Инга Зиньковская.
Добавим, мониторинг экологической ситуации в Кемеровской области будет продолжен: в настоящее время ученые занимаются проведением комплексных биоэкологических исследований различных экологических ниш на предмет загрязнения тяжелыми металлами, потенциально токсичными элементами и радионуклидами. Соглашение об этом подписали Томский государственный университет, Кемеровский государственный университет и Объединенный институт ядерных исследований (Дубна). Совместные исследования найдут свое отражение, в частности, в кандидатской диссертации Максима Носкова. Акцент в ней будет сделан на иксодовых клещах как возможных биоиндикаторах загрязнения тяжелыми металлами почвенной мезофауны.