В рамках научного исследования, проведенного учеными Объединенного института ядерных исследований, был изучен элементный и радиоизотопный состав пепла, выпавшего в результате мощного извержения вулкана Шивелуч в 2023 году. Полученные данные позволили оценить потенциальную опасность для здоровья населения, проживающего в зонах, подверженных воздействию пеплопада. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Environmental Management.
Изображения в растровом электронном микроскопе (РЭМ) вулканического пепла Шивелуча, полученные при различных увеличениях с использованием детекторов вторичных (SE) и обратно-рассеянных (BSE) электронов в одной и той же области
Расположенный на Камчатке, вулкан Шивелуч является самым северным действующим вулканом на полуострове. Известный своей богатой историей мощных извержений, он входит в число крупнейших и наиболее активных современных андезитовых вулканов, что привлекает пристальное внимание исследователей, изучающих вулканическую активность. Согласно исследовательским данным, средний годовой объем изверженного материала вулкана составляет 36 миллионов тонн.
Изучение влияния вулканических выбросов на здоровье населения является ключевым фактором в обеспечении безопасности людей в районах, подверженных вулканической активности. Сотрудники Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ совместно с коллегами из Камчатского филиала Тихоокеанского института географии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский, Россия) провели детальный анализ химического состава вулканического пепла, выброшенного вулканом Шивелуч. Содержание элементов в пепле было сопоставлено с данными о выбросах других крупных вулканов, таких как Сент-Хеленс (США), Эйяфьядлайекюдль (Исландия), Синабунг (Индонезия) и Попокатепетль (Мексика), чтобы выявить основные сходства и различия их составов. Для анализа элементного состава образцов были использованы методы сканирующей электронной микроскопии, масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) и низкофоновой гамма-спектрометрии.
Сравнительный анализ элементного состава вулканического пепла Шивелуча с данными о выбросах других вулканов выявил интересные особенности. Содержание основных элементов в пепле камчатского вулкана оказалось сопоставимым с данными, полученными для Сент-Хеленс, но превысило значения, характерные для вулкана Синабунг. В то же время, концентрация большинства микроэлементов в пепле Шивелуча была ниже, чем в пепле индонезийского стратовулкана. Анализ содержания хрома, кобальта, никеля, цинка, ниобия и серебра в образцах пепла двух вулканов выявил значительные различия в их химическом составе.
Вулканический пепел, состоящий из комплекса этих элементов, может представлять угрозу для окружающей среды и здоровья человека. После извержения металлы могут повторно взвешиваться в атмосфере, оседать на почву и в воду, а также вступать в контакт с организмом человека при вдыхании, попадании в пищу и кожном контакте. Чтобы оценить потенциальные риски для здоровья, связанные с воздействием вулканического пепла вулкана Шивелуч, ученые провели расчеты хронической средней суточной дозы (CDI), коэффициента опасности (HQ) и индекса опасности (HI) для следующих элементов: хром, кобальт, медь, никель, цинк, мышьяк, сурьма и свинец.
«Полученные нами данные свидетельствуют о более высоком уровне воздействия металлов на здоровье детей по сравнению со взрослыми. Вероятной причиной этого может являться особенность детского поведения, выражающаяся в частом контакте с окружающей средой. Например, игры на открытом воздухе, включающие непосредственный контакт с вулканическим пеплом, могут привести к поглощению металлов через пищеварительную систему, дыхательные пути или кожные покровы», — о результатах рассказала начальник сектора нейтронно-активационного анализа ЛНФ ОИЯИ Инга Зиньковская.
Анализ способов воздействия металлов, содержащихся в пепле, выявил преобладание перорального (через рот) пути поступления у обеих исследуемых групп. Расчет коэффициентов средней суточной дозы (CDI) подтвердил эту тенденцию, демонстрируя следующую последовательность поступления металлов в организм: перорально > через кожу > ингаляционно. Исследователи обнаружили, что у детей находящиеся в пепле элементы чаще всего попадали в организм через рот: в 10 000 раз чаще, чем через органы дыхания, и в 100 раз чаще, чем через кожу.
В ходе исследования были выявлены наиболее высокие коэффициенты опасности (HQ) для хрома, мышьяка и сурьмы, что свидетельствует о значительном риске для здоровья человека при воздействии этих элементов. Их попадание в организм человека может способствовать развитию онкологических заболеваний, всевозможным повреждениям кожных покровов, нарушениям репродуктивной системы, а также повреждению хромосом.
Методом низкофоновой гамма-спектрометрии были определены концентрации трех естественных радионуклидов: радий-226 (226Ra), калий-40 (40K) и торий-232 (232Th). Полученные результаты показали, что их радиоактивность была ниже средних мировых показателей, установленных Научным комитетом ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН) в 2008 году.
«Как правило, при анализе почв, донных отложений или любых других материалов также присутствует антропогенный радионуклид цезий-137 (137Cs), который связывают с антропогенной деятельностью. В собранных нами образцах вулканического пепла данный радиоизотоп не был обнаружен. Это свидетельствует о том, что пепел имеет исключительно природное происхождение и никакой антропогенной деятельности, способной повлиять на содержание радионуклидов в пепле, не было зафиксировано», — отметила Инга Зиньковская.
Анализ пепла вулкана Шивелуч выявил наличие 54 химических элементов и трех природных радионуклидов. Рассчитанные индексы токсичности для химических контаминантов в двух возрастных группах по всем трем основным путям воздействия оказались значительно ниже критических значений, что свидетельствует об отсутствии значительного риска для здоровья человека, связанного с воздействием изученных металлов.
Карты элементного состава (EDX) вулканического пепла Шивелуча полученные с области 750 × 750 мкм (на примере трех элементов)
Хотя проведенное исследование не выявило существенного риска развития рака, нужно подчеркнуть потенциальную опасность, связанную с поступлением в организм даже небольших доз мышьяка, хрома или сурьмы. Для более точного определения рисков и выявления долгосрочных последствий воздействия этих и других элементов на здоровье человека необходимы дальнейшие исследования.
В рамках новых исследований специалисты ОИЯИ совместно с коллегами из камчатских научных организаций планируют провести биологический мониторинг состояния атмосферного воздуха в жилых районах, подвергшихся пеплопаду, с использованием мхов-биоиндикаторов. Помимо этого, ими будет изучено влияние вулканического пепла на безопасность пищевых продуктов, в частности, растительных компонентов, оказавшихся в зоне воздействия вулканического пепла.
Шивелуч — один из самых крупных и активных вулканов Камчатского полуострова — начал активно извергаться 11 апреля 2023 года. Выброс пепла достиг высоты 20 км над уровнем моря, что привело к негативным последствиям не только для жителей ближайших населенных пунктов, но и для всего региона. В частности, аэропорт в Петропавловске-Камчатском был временно закрыт, а в поселке Ключи, расположенном в 47 километрах от вулкана, зафиксирован мощный пеплопад с плотностью около 50 кг пепла на квадратный метр. Извержение сопровождалось повышенной сейсмической активностью и продолжалось несколько дней, после чего вулкан перешел в фазу относительного покоя.
Спектры элементного состава (EDX) вулканического пепла Шивелуча