CC BY
25
УДК 551.510
РЕЗУЛЬТАТЫ ПЯТНАДЦАТИЛЕТНЕГО МОНИТОРИНГА КОНЦЕНТРАЦИЙ БИОГЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ В АЭРОЗОЛЕ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ В П. КЛЮЧИ В ОКРЕСТНОСТИ Г. НОВОСИБИРСКА
Александр Сергеевич Сафатов
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"», 630559, Россия, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, доктор технических наук, зав. отделом биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-47-00 (доб. 26-20), e-mail: [email protected]
Галина Алексеевна Буряк
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"», 630559, Россия, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-47-00 (доб. 25-77), e-mail: [email protected]
Сергей Евгеньевич Олькин
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"», 630559, Россия, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, зав. лабораторией отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-47-00 (доб. 22-55), e-mail: [email protected]
Ирина Константиновна Резникова
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"», 630559, Россия, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, старший научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-47-00 (доб. 22-56), e-mail: [email protected]
Владимир Александрович Вечканов
Федеральное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор"», 630559, Россия, Новосибирская область, Новосибирский район, р. п. Кольцово, младший научный сотрудник отдела биофизики и экологических исследований, тел. (383)363-47-00 (доб. 26-30), e-mail: [email protected]
Валерий Иванович Макаров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского» СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории дисперсных систем, тел. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
Светлана Анатольевна Попова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского» СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник лаборатории дисперсных систем, тел. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты 15-летнего мониторинга концентраций биогенных компонентов в аэрозоле приземного слоя атмосферы в п. Ключи в окрестности г. Новосибирска. Обсуждаются долгосрочное и сезонное изменение этих величин.
Ключевые слова: атмосферные аэрозоли, суммарный белок, жизнеспособные микроорганизмы, органический/неорганический углерод, тренды концентраций.
THE RESULTS OF 15-YEARS MONITORING OF BIOGENIC COMPONENTS CONCENTRATIONS IN BOUNDARY LAYER ATMOSPHERIC AEROSOL IN KLYUCHI SETTLEMENT IN THE VICINITY OF NOVOSIBIRSK
Alexander S. Safatov
Federal Budgetary Research Institution «State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector"», 630559, Russia, Koltsovo, Novosibirsk region, Head of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00 (доб. 26-20), e-mail: [email protected]
Galina A. Buryak
Federal Budgetary Research Institution «State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector"», 630559, Russia, Koltsovo, Novosibirsk region, Staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00 (доб. 25-77), e-mail: [email protected]
Sergei E. Olkin
Federal Budgetary Research Institution «State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector"», 630559, Russia, Koltsovo, Novosibirsk region, Head of laboratory of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00 (доб. 22-55), e-mail: [email protected]
Irina K. Reznikova
Federal Budgetary Research Institution «State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector"», 630559, Russia, Koltsovo, Novosibirsk region, Senior staff scientist of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00 (доб. 22-56), e-mail: [email protected]
Vladimir A. Vechkanov
Federal Budgetary Research Institution «State Research Center of Virology and Biotechnology "Vector"», 630559, Russia, Koltsovo, Novosibirsk region, Junior researcher of department of Biophysics and Ecological, tel. (383)363-47-00 (доб. 26-30), e-mail: [email protected]
Valerii I. Makarov
Federal State Budgetary Research Institution Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, Institutskaya, 3, Leading researcher of laboratory of Disperse Systems, tel. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
Svetlana A. Popova
Federal State Budgetary Research Institution Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion of Siberian Branch of the Russian Academy of Science, 630090, Russia, Novosibirsk, Institutskaya, 3, Junior researcher of laboratory of Disperse Systems, tel. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
The results of the 15-years monitoring of biogenic components concentrations in boundary layer atmospheric aerosol in Klyuchi settlement in the vicinity of Novosibirsk are presented in this paper. Here are discussed its long-term and seasonal trends of these values.
Key words: atmospheric aerosols, total protein, culturable microorganisms, organic/elemental carbon, concentrations trends.
1. Введение
Биоаэрозоли являются неотъемлемой частью атмосферного аэрозоля, достигая 95 % от его счетной концентрации [1, 2]. Известно, что биоаэрозоли, как и другие аэрозоли в атмосфере, оказывают воздействие на климат, перераспределяя радиационные потоки в атмосфере и участвуя в процессах нуклеации в облаках [3]. Также как и другие аэрозоли, биоаэрозоли могут оказывать токсическое действие на человека, животных, растения и др. компоненты экосистем [4, 5], и, кроме этого, вызывать в них инфекционные заболевания [4-7]. Однако до последнего времени атмосферным биоаэрозолям и их компонентам в мире уделялось мало внимания [3], а их мониторинг практически нигде не проводился или проводился непродолжительное время.
Настоящая работа посвящена обсуждению результатов 15-летнего мониторинга концентраций биогенных компонентов в аэрозоле приземного слоя атмосферы в п. Ключи в окрестности г. Новосибирска. Основное внимание уделяется их долгосрочному изменению, годовому ходу, разнообразию присутствующих в атмосферных биоаэрозолях жизнеспособных микроорганизмов.
2. Материалы и методы
Отбор аэрозолей осуществлялся на площадке в п. Ключи (пригород Новосибирска, координаты 54°50,2' с.ш., 83°14,2' в.д.) путем прокачки воздуха насосом в течение суток через волокнистые фильтры типа АФА-ХА-20 (для анализа массы осажденного аэрозоля и содержания суммарного белка в нем) с объем-
-5
ной скоростью 13 м /ч и через стекловолоконные фильтры (для определения содержания органического и неорганического углерода в пробах) с объемной
-5
скоростью 1,8 м /ч. Серия наблюдений для каждого сезона составляла 30 суток и начиналась 20 января, 20 апреля, 20 июня и 20 сентября. Кроме того, в течение 7 последовательных дней на импинджеры МЦ-50 осуществлялся отбор
-5
проб атмосферного воздуха объемом 1,5 м для выявления в нем жизнеспособных микроорганизмов. В качестве сорбирующей жидкости в импинджены заливалось 50 мл бесцветного раствора Хенкса (ICN Biomedicals). Масса осажденного аэрозоля определялась гравиметрическим методом и пересчитывалась в массовые концентрации аэрозоля (РМ). Массы суммарного белка (ТР) в пробах определялись с использованием флуоресцентного красителя по методу, описанному в [8]. Концентрации органического (ОС) и неорганического углерода (ЕС) - методом реакционной газовой хроматографии, описанным в [9]. Концентрации жизнеспособных микроорганизмов в пробах определялись в лаборатории культуральными методами [2].
3. Результаты и обсуждение
Среднегодовые значения величин концентраций РМ, ОС, ЕС, ТР и жизнеспособных микроорганизмов (СМ) рассчитанные для 2001 - 2015 гг., приведены на рисунке. Обнаружено, что среднегодовая величина РМ в целом имеет тенденцию к росту. Ее максимальное значение достигается в 2015 г., когда весной достигнуто наибольшее за сезон значение массовой за все время наблюде-
ния, превышающее даже значение РМ во время лесных пожаров. В среднем за время проведения наблюдений величина РМ в атмосфере составила 42,8 ± 9,9 мкг/м . Среднегодовая концентрация ОС в атмосфере также имеет тенденцию к росту, а среднегодовая концентрация ЕС - к падению, тогда как среднегодовая концентрация ТР остается практически постоянной, составляя в среднем за время проведения наблюдений соответственно 5,2 ± 2,1; 2,9 ± 1,2 и 0,47 ± 0,28 мкг/м . Подобные уровни значений концентраций ОС и ЕС зарегистрированы и для крупных городов Европы [10]: для долгосрочных средних 3,5 - 7,8 и 1,3 - 3,8 мкг/м соответственно, хотя по данным работы [11] диапазон единичных измерений концентраций значительно шире. Наблюдаемые большие различия значений концентраций ОС и ЕС в этой работе [11] объясняются расположением части точек проведения измерений вблизи напряженных автомагистралей, а части - в пригородах городов, в том числе и приморских.
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Годы проведения измерений
-Ф-АЭРОЗОЛЬ-ООРГ УГЛЕРОД-О-НЕОРГ УГЛЕРОД-*-БЕЛОК —с— МИКРООРГАНИЗМЫ!
Рис. Среднегодовые значения величин концентраций РМ, ОС, ЕС, ТР (левая шкала) и СМ (правая шкала)
Доля ОС в общей массе аэрозоля в период наблюдений остается практически постоянной, тогда как доли ЕС и ТР имеют тенденцию к слабому падению. Сравнение выявленных зависимостей с опубликованными в [2] для высот 500 - 7000 м показывает их существенное различие. Для слоя атмосферы 500 - 7000 м в тот же период наблюдается тенденция падения как для концентрации РМ, так и ТР, содержащегося в нем, а доля ТР в полной массе аэрозоля в тот же период растет. Вероятно, эти различия объясняются как влиянием локальных источников биоаэрозолей, так и различием движений воздушных масс, перемещающих аэрозоли из удаленных источников.
Величины сезонных изменений концентраций РМ, ОС, ЕС, ТР и СМ, усредненные за 15 лет наблюдений на юге Западной Сибири (таблица), показывают, что концентрации РМ и ОС достигают максимума весной, ЕС - зимой-весной, ТР - весной-летом, и СМ - летом. Также ТР и СМ имеют выраженный зимний минимум. При этом сезонная амплитуда изменений концентраций РМ, ОС, ЕС, ТР составляет примерно 1,5 - 2 раза, а для СМ - немногим менее порядка величины.
Таким образом, анализ данных долгосрочного мониторинга позволил выявить тенденции долгосрочных и сезонных изменений концентраций РМ, ОС, ЕС, ТР и СМ.
Таблица
Сезонные изменения концентраций величин РМ, ОС, ЕС, ТР и СМ, нормированных на среднегодовые значения, на юге Западной Сибири, усредненные за период 2001 - 2015 годы (средние ± 95 % доверительный интервал)
Сезон наблюдений Величины
РМ, мкг/м3 ОС, мкг/м3 ЕС, з мкг/м ТР, мкг/м3 СМ, ^10(#)/м3
Весна 1,36 ± 0,09 1,55 ± 0,14 1,35 ± 0,14 1,37 ± 0,05 -0,04 ± 0,19
Лето 1,01 ± 0,05 0,87 ± 0,05 0,68 ± 0,04 1,67 ± 0,11 0,36 ± 0,16
Осень 0,75 ± 0,04 0,76 ± 0,05 0,66 ± 0,05 0,74 ± 0,04 0,09 ± 0,21
Зима 0,89 ± 0,03 0,82 ± 0,05 1,31 ± 0,10 0,18 ± 0,01 -0,41 ± 0,15
4. Заключение
В работе представлены уникальные данные 15-летнего мониторинга в п. Ключи Новосибирской области массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентраций ОС, ЕС, ТР и СМ в нем. Обнаружен возрастающий тренд в концентрациях РМ и OC, спадающий тренд концентраций ЕС и СМ. Обнаружены сезонные изменения этих величин. Сопоставление полученных результатов с литературными данными для других регионов выявило как хорошее соответствие одних величин и тенденций, так и существенные различия для других. Причина наблюдаемых различий в настоящее время надежно не выяснена.
Работа выполнена при частичной поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 35-2011 и проекта МНТЦ № 3275.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Artaxo P., Maenhaut W., Stroms H., Van Grieken R. Aerosol characteristics and sources for the Amazon basin during the wet season // J. Geophys. Res. - 1990. - Vol. 95, N D10. -P. 16971-16985.
2. Safatov A.S., Buryak G.A., Andreeva I.S., Olkin S.E., Reznikova I.K., Sergeev A.N., Belan B.D., Panchenko M.V. Atmospheric bioaerosols // Aerosols - Science and Technology / Ed. I. Agranovski. - Wienheim: Wiley - VCH, 2010. - P. 407-454.
3. Despres V.R., Huffman J.A., Burrows S.M., Hoose,C., Safatov A.S., Buryak G.A., Frohlich-Nowoisky J., Elbert W., Andreae M.O., Poschl U., Jaenicke R. Primary biological aerosols in the atmosphere: Observations and relevance // Tellus B. Chem. Phys. Meteorol. - 2012. -Vol. 64. - P. 1-58. doi: 10.3402/tellusb.v64i0.15598.
4. Douwes J., Thorne P., Pearce N., Heederik D. Bioaerosols health effects and exposure assessment: Progress and prospects // Ann. Occup. Hyg. - 2003. - Vol. 47, N 3. - P. 187-200.
5. O'Gorman C.M., Fuller H.T. Prevalence of culturable airborne spores of selected allergenic and pathogenic fungi in outdoor air // Atmos. Environ. - 2008. - Vol. 42, N 18. - P. 4355-4368.
6. Nicas M., Nazaroff W.W., Hubbard A. Toward understanding the risk of secondary airborne infection: Emission of respirable pathogens // J. Occup. Environ. Hyg. - 2005. - Vol. 2, N 3. - P. 143-154.
7. Roy C.J., Milton D.K. Airborne transmission of communicable infection - The elusive pathway // N. Engl. J. Med. - 2004. - Vol. 350, N 17. - P. 1710-1712.
8. You W W., Haugland R.P., Ryan D.K., Haugland R.P. 3-(4-Carboxybenzoyl)quinoline-2-carboxaldehyde, a reagent with broad dynamic range for the assay of proteins and lipoproteins in solution // Annal. Biochem. - 1997. - Vol. 244, N 2. - P. 277-282.
9. Попова С.А., Макаров В.И., Башенхаева Н.В., Ходжер Т.В. Сравнение результатов измерения содержания углерода в атмосферных аэрозолях методами реакционной газовой хроматографии и сухого сожжения // Химия в интересах устойчивого развития. 2007. -№ 1. - С. 97-103.
10. Pio C., Cerqueira M., Harrison R.V., Nunes T., Mirante F., Alves C., Oliveira C., Sanchez de la Campa A., Artinano B., Matos M. OC/EC ratio observations in Europe: Re-thinking the approach for appointment between primary and secondary organic carbon // Atmos. Environ. -2011. - Vol. 45, N 34. - P. 6121-6132.
11. Cheng Y., He K.-b., Duan F.-k., Zheng,M., Du Z.-y., Ma Y.-l., Tan J.-h. Ambient organic carbon to elemental carbon ratios: Influences of the measurement methods and implications // Atmos. Environ. - 2011. - Vol. 45, N 12. - P. 2060-2066.
© А. С. Сафатов, Г. А. Буряк, С. Е. Олькин, И. К. Резникова, В. А Вечканов, В. И. Макаров, С. А. Попова, 2016
