Об участии ОИЯИ в Европейской программе Организации объединенных наций «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе – оценки на основе анализа мхов-биомониторов» рассказывает Марина Фронтасьева, Координатор Программы ООН по воздуху Европы, советник при дирекции Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка. Помимо очевидной научной ценности примечателен также и образовательный аспект этого направления, по которому выполнено большое число бакалаврских и магистерских работ, защищено несколько кандидатских диссертаций. Так в 2020 году свои диссертации защитили молодые ученые Кристина Бетсоу (Греция) и Владислав Свозилик (Чехия, ЛИТ ОИЯИ).
В ноябре 2020 года вышел в свет Отчет Координационного центра Международной программы ООН о состоянии воздушных загрязнений в Европе и частично в Азии на основе анализа мхов-биомониторов для определения тяжелых металлов, азота и стойких органических загрязнений (СОЗ).
Издательский отдел ОИЯИ в прекрасном исполнении опубликовал итоги труда 36 стран, среди которых 14 стран-участниц ОИЯИ: Азербайджан, Армения, Беларусь, Болгария, Вьетнам, Грузия, Казахстан, Молдова, Монголия, Польша, РФ, Румыния, Словакия, Украина и Чехия. Благодаря содружеству двух лабораторий ОИЯИ —нейтронной физики и информационных технологий — на облачной платформе ОИЯИ была создана Система управления данными (Data Managemen System), в которой впервые за всю историю существования Программы ООН по воздуху Европы была реализована идея сбора информации, загружаемой непосредственными участниками Программы в эту Систему, для оценки качества атмосферного воздуха.
Так выглядит карта пробоотбора в Европе в 2015-2016 гг. В общей сложности в базу данных была занесена информация по 5156 образцам мхов-биомониторов, которые служат аналогами воздушных фильтров и содержат данные о загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.
Несомненная ценность этих работ состоит в возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения.
В большинстве европейских стран потребность в изучении последствий их воздействия на окружающую среду и здоровье человека привела к созданию национальных и международных программ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов. Данные об атмосферных выпадениях ТМ и других токсичных элементов собираются на основе анализа мхов-биомониторов, служащих аналогом аэрозольных фильтров. Под эгидой Комиссии ООН по трансграничному переносу атмосферных выпадений в Европе (UNECE ICP Vegetation) каждые 5 лет издается Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов. Такой подход позволяет выявить и оценить ареалы этих загрязнений на исследованных территориях и провести сравнение с уровнями аналогичных загрязнений в странах Европы, а с 2010 года и в ряде стран Азии. Несомненная ценность этих работ состоит в возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения.
Метод мхов-биомониторов, в сочетании с ядерно-физическими и химическими аналитическими методами анализа, регулярно используется в течение последних 30 лет в странах Западной Европы для изучения атмосферных выпадений ТМ, а за последние 15 лет он нашел распространение и в странах Восточной Европы. В ряде европейских стран потребность в изучении последствий воздействия тяжелых металлов на окружающую среду привела к созданию национальных и международных программ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов. В рамках международной программы «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе — оценки на основе анализа мхов-биомониторов» с периодичностью в 5 лет под эгидой ООН издается Европейского Атласа атмосферных выпадений ТМ. Цель этой программы – качественно и количественно охарактеризовать распределение региональных атмосферных выпадений в Европе, а теперь и в Азии, выделить местоположение важных источников загрязнения ТМ и дать ретроспективную картину сравнения с такими же исследованиями, повторяющимися каждые 5 лет. Концентрации ТМ в мхах хорошо коррелируют с атмосферными выпадениями, а переход к абсолютным величинам содержаний ТМ в воздухе через калибровку по общему количеству осадков достаточно прост.
Организация Объединенных Наций создала специальную Экономическую комиссию для Европы, которая призвана формировать научную политику стран, подписавших Конвенцию ООН в области изучения критических уровней озона и оценки атмосферных выпадений тяжелых металлов в Европе по методологии, основанной на одномоментном сборе и анализе мхов-биомониторов (Task Force Meeting of the UNECE ICP Vegetation). Информацию о деятельности этой Комиссии можно найти на сайте http://icpvegetation.ceh.ac.uk. В 1998 году 36 стран, в том числе и Россия, подписали Конвенцию ООН по контролю выбросов ТМ в атмосферу с помощью биомониторинга (Протокол Архуса).
Создание Комиссии ООН по изучению трансграничного переноса воздушных загрязнений явилось следствием озабоченности уровнем накопления тяжелых металлов в экосистемах и их воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Данные по одномоментному сбору мхов-биомониторов на больших территориях позволяют оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) тяжелых металлов, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений.
Совещание участников Программы ООН по воздуху Европы в Дубне в 2016 году. Справа налево: Председатель Комиссии ООН по воздуху Европы Х. Харменс, Координатор Программы М.В. Фронтасьева, Директор ОИЯИ В.А. Матвеев, Директор ЛНФ В.Н. Швецов
Начиная с 1995 года, Сектор нейтронного активационного анализа ЛНФ ОИЯИпринимает участие в Европейской программе «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе – оценки на основе анализа мхов» («Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe – Estimations Based on Moss Analysis»). Первым вкладом в Атлас 1995/1996 года были результаты по Восточным Карпатам Румынии. В 1999 году проект Сектора НАА и прикладных исследований (руководитель проекта М. В. Фронтасьева) «Исследование атмосферных выпадений тяжелых металлов в некоторых промышленных регионах России, Польши, Румынии, Чешской республики, Болгарии и Словакии с использованием метода мхов-биомониторов и ядерно-физических методов анализа и ГИС-технологий» был включен в проблемно-тематический план Объединенного института ядерных исследований и поддержан грантами Полномочных Представителей Польши, Болгарии, Чешской республики, Словакии двумя грантами Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) – для проведения работ на Южном Урале и в Румынии. Силами Сектора были также проведены пилотные исследования в Центральной России (Тульская, Тверская и Ярославская области, на Западной Украине, в северной Сербии, а с 2005 года — в Северной Македонии, и Хорватии и Албания совместно со специалистами этих стран. С 2015 года в данной программе участвует и Канада.
Участники Программы по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелы металлов вместе со специалистами по воздействия озона на растительность ежегодно проводят совещания, на которых рассматриваются текущие вопросы и обсуждаются планы работ. Такие совещания Комиссии ООН дважды проводились на базе ОИЯИ: в 2007 и 2016 гг.
Страны-участницы ОИЯИ — Армения, Азербайджан, Грузия, Молдавия и Казахстан — присоединились к программе UNECE ICP Vegetation 2015/2016 http://icpvegetation.ceh.ac.uk/
Для одновременного сбора мхов в 2015-2016 гг в дополнение к перечисленным странам СНААПИ провел анализ образцов мхов-биомониторов, собранных на территории Азербайджана, Армении, Беларуси, Грузии, Молдовы, Греции и Турции. Еще две азиатских страны-участницы ОИЯИ – Монголия и Вьетнам – также участвуют в этой программе ООН в сотрудничестве с Сектором НАА и прикладных исследований в Дубне. В 2005 году аналогичные пилотные проекты были реализованы в СНААПИ совместно с учеными Китая и Южной Кореи. Можно рассчитывать, что эти страны в дальнейшем примкнут к участию в данной программе ООН.
ОИЯИ во много способствует популяризации Программы ООН на миром уровне. Так в 2018 году В Дубне с большим успехом прошла Международная конференция BioMAP-8, в которой приняли участие ведущие специалисты в области охраны окружающей среды Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки.
Вклад ОИЯИ в реализацию Программы ООН по воздуху Европы был высоко оценен Секретариатом ООН, и в 2014 году координация Программой по биомониторингу перешла из Великобритании в Россию, в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.
Вклад ОИЯИ в реализацию Программы ООН по воздуху Европы был высоко оценен Секретариатом ООН, и в 2014 году координация Программой по биомониторингу перешла из Великобритании в Россию, в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.
Выбор мхов для оценка атмосферных выпадений ТМ и других микроэлементов определяется тем, что мхи эффективно концентрируют загрязняющие вещества из воздуха и осадков. Более того, они не имеют корневой системы и, следовательно, вклад других источников, кроме атмосферных выпадений, в большинстве случаев ограничен. Некоторые типы мхов (Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi, Hypnum copressiforme) распространены в широком интервале умеренных климатических зон, а их растущая часть такова, что годовой прирост может быть легко идентифицирован. Сбор образцов несложен, анализ мхов значительно проще, чем осадков, период экспозиции может быть точно определен — обычно для анализа берется трехлетний прирост мха. Анализ мхов может проводиться различными аналитическими методами, в частности, методы масс-спектрометрии со связанной плазмой (ИСП-МС/OEC), атомная абсорбционная спектрометрия (ААС).
В ОИЯИ для анализа используют нейтронного активационного анализа (НАА), который позволяет определять до 45 элементов: Ag, Al, As, Au, Ba, Br, Ca, Ce, Cl, Co,Cr, Cs, Dy, Eu, Fe, Hf, Hg, I, In, K, La, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nd, Ni, Rb, Sb, Sc, Se, Sn, Sm, Sr, Ta, Tb, Th, Ti, V, U, W, Yb, Zn, Zr. Важные с экологической точки зрения элементы Cd, Cu, Hg, Pb определяются дополнительно, методом атомной абсорбционной спектрометрии (ААС). Определяемый набор элементов существенно превышает число элементов (отмечены жирным шрифтом), которые включаются в Европейский Атлас. Не все из вышеперечисленных элементов являются элементами- загрязнителями воздуха, они определяются многоэлементным анализом без существенных дополнительных затрат и могут быть использованы в качестве трейсеров трансграничного переноса воздушных масс.
Существующие данные по концентрации тяжелых металлов во мхах от предыдущих одновременных сборов, а также сбора в 2020-2021-2022 (продление пробоотбора на три года связано с пандемией COVID-19, поскольку не все страны смоги приступить к пробоотбору летом 2020 года) являются неоценимым источником информации для международных переговоров и оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.
Создание Комиссии ООН по изучению трансграничного переноса воздушных загрязнений явилось следствием озабоченности уровнем накопления тяжелых металлов в экосистемах и их воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Данные по одномоментному сбору мхов-биомониторов на больших территориях позволяют оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) тяжелых металлов, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений. Как видно из проведенных исследований, страны Восточной Европы, Кавказского региона и России показывает высокие концентрации загрязняющих веществ, поэтому контроль за их уровнем является необходимой частью экологического мониторинга в этих странах.
В перспективе планируется изучение распределений радиоактивных элементов с помощью гамма – и альфа спектрометрии. С помощью мхов-биомониторов возможно изучение космической пыли, что было показано в совместных исследованиях СНААПИ ЛНФ и филиала Института геофизики Земли в г. Борок Ярославской области с привлечением метода электронной микроскопии.
Кроме научно-практической значимости проводимых работ, следует отметить и образовательный аспект работ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов, стойких органических загрязнителей и азота. На базе работ, проводимых в СНААПИ, выполнено большое число бакалаврских и магистерских работ, защищено несколько кандидатских диссертаций, в частности, 17 мая 2020 года в университете Аристотеля в Тессалониках защитила диссертацию Кристина Бетсоу на материале анализа мхов–биомониторов в Дубне. Из-за коронавируса защита проходила в режиме конференции по связи через интернет. Диссертация Кристины включала в себя как многоэлементный анализ мхов Греции на реактора ИБР-2, так и гамма-спектрометрию радионуклидов в Университете Аристотеля у себя дома.
Защита диссертации Владислава Свозилика по теме «Verification of Mathematical Air Pollution Modelling by ADmoSS Model Using UAS Measurement and Biomonitoring » проходила в Университете в Остраве, в Чехии, в масочном режиме. Его работа носила междисциплинарный характер, она включала экспериментальный материал, полученный в СНААПИ ЛНФ, а также моделирование воздушных загрязнений с помощью программного обеспечения, которое Владислав развивал в ЛИТ ОИЯИ.
Обе диссертации были успешно защищены. Члены Комиссий по защите диссертаций отмечали высокий уровень работ, выполненных в ОИЯИ.