Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Городская пыль является важным объектом исследования при экологическом мониторинге состояния городских экосистем. Основным источником частиц городской пыли являются городские почвы, в ходе выветривания которых образуются природные нано- и микрочастицы пыли. Помимо природных источников, в условиях городской среды важное место занимают антропогенные источники пыли, к которым, прежде всего, можно отнести выбросы автотранспорта, строительства, утилизации и переработки коммунальных отходов. Частицы городской пыли являются индикатором загрязнения городской среды токсичными веществами и элементами, включая тяжёлые металлы, а по результатам элементного анализа частиц городской пыли при помощи статистических методов обработки данных можно идентифицировать различные источники образования частиц пыли и оценить степень антропогенной нагрузки на городские экосистемы. В ходе выполнения работ в рамках первого этапа проекта начато всестороннее, не имеющее аналогов в литературе изучение пыли двух городов, Москвы и Красноярска, значительно отличающихся по занимаемой площади, численности населения и количеству промышленных предприятий. Отобран представительный ряд образцов городской пыли (78 для Москвы и 68 для Красноярска), позволяющий проводить обработку полученных данных с использованием различных статистических методов. Изучен элементный состав пыли, оценены степень её загрязнения, экологические риски и риски для здоровья человека, а также идентифицированы вероятные источники загрязнения пыли. Для оценки степени загрязнения отобранных образцов пыли различными элементами рассчитаны индексы геоаккумуляции и коэффициенты обогащения. Показано, что пыль Москвы значительно загрязнена такими элементами, как Sb, Zn, Pb, Cd, Cu и Sn. Наибольшие значения индексов геоаккумуляции и коэффициентов обогащения выявлены для Zn и Sb. Установлено, что индексы геоаккумуляции элементов и соответствующие коэффициенты обогащения для пыли Москвы хорошо согласуются. Таким образом, показано, что образцы пыли Москвы значительно загрязнены токсичными и потенциально токсичными элементами, источником которых могут служить выбросы автотранспорта, строительства и другие антропогенные источники. Результаты исследования пыли Красноярска показали, что несмотря на достаточно развитый промышленный сектор города (наличие предприятий машиностроения и металлообработки, фармацевтики, химической промышленности, металлургии, производства строительных материалов и энергетического сектора) пыль Красноярска менее загрязнена, чем московская пыль. В целом, для пыли Красноярска также характерно загрязнение Sb, Zn, Pb, Cd, Cu и Sn, однако индексы геоаккумуляции и коэффициенты обогащения имели меньшие значения. Важно отметить, что для пыли Красноярска выявлено загрязнение W и As (нехарактерное для пыли Москвы), что свидетельствует о наличии специфических источников данных микроэлементов в Красноярске. Оценены потенциальные экологические риски, связанные с содержащимися в городской пыли токсичными и потенциально токсичными элементами. Установлено, что 62% площади исследуемой территории Москвы внутри Третьего транспортного кольца подвержена умеренному потенциальному экологическому риску, вызванному Sb. Для 13% площади исследуемой территории Москвы был обнаружен умеренный потенциальный экологический риск, вызванный Cu, Mo и Cd. В целом, расчет индекса потенциального экологического риска, учитывающего содержание всех тяжелых металлов в пыли, показал, что около 41% исследуемой территории Москвы подвержены умеренному экологическому риску, вызванному, прежде всего, тяжёлыми металлами, ассоциированными с городской пылью. Сделана оценка неканцерогенных и канцерогенных рисков для здоровья жителей Москвы, как взрослых, так и детей. В результате ни канцерогенные, ни неканцерогенные риски для взрослых выявлены не были. Однако для детей были выявлены неканцерогенные риски, вызванные тяжёлыми металлами в городской пыли. Кроме этого, было показано, что наибольший вклад в неканцерогенные риски вносят частицы городской пыли, проникающие в организм через пищеварительную систему, а наименьший вклад вносят частицы, проникающие в организм при кожном контакте. Отдельной задачей стала идентификация потенциальных источников токсичных элементов в городской пыли Москвы и Красноярска, которая была решена при помощи метода главных компонент и корреляционной матрицы Пирсона. В результате в городской пыли Москвы было выявлено пять возможных источников её загрязнения тяжелыми металлами, из которых один природный (эрозия городских почв) и четыре антропогенных. Первым вероятным антропогенным источником тяжелых металлов в пыли Москвы является износ тормозных колодок автомобилей и других деталей автотранспорта, для которого характерно загрязнение пыли Cu, Sb Cr, Ni, Mo. Третий вероятный источник, объединяющий Tl и Hg, сложно определить однозначно. Четвертый источник, включающий Zn и Sn, относится к износу автомобильных шин. Пятый выявленный источник связан только со свинцом. Тяжёлые металлы в городской пыли Красноярска, в свою очередь, также образуются в результате природных (выветривание почв и горных пород) и антропогенных процессов. В случае городской пыли Красноярска было выявлено шесть источников металлов и металлоидов. Первый источник включил в себя Al, Ti, Fe, Cr и Ni, второй – Fe, Co, Cu и As, третий – Zn и Mo, четвертый – Hg и Tl, пятый – Cu, Sn и Pb и шестой – Cu, Cd и Sb. Первым источником, вероятно, являются процессы эрозии почв и горных пород. Остальные источники, вероятно, имеют антропогенное происхождение. По сравнению с московской пылью спектр антропогенных источников в пыли Красноярска более широк. Элементы платиновой группы (ЭПГ) являются основными активными компонентами автомобильных каталитических нейтрализаторов. Процессы старения катализаторов приводят к их постепенному разрушению и попаданию ЭПГ в окружающую среду, прежде всего, в виде твердых частиц. При этом считается, что частицы ЭПГ нетоксичны, а их ионные формы, наоборот, токсичны и аллергенны. Распределение Pt и Pd между водорастворимой фракцией и фракциями нано- и микрочастиц дорожной пыли было изучено на примере образцов пыли Москвы, отобранных в рамках настоящего проекта. Средние концентрации Pt и Pd в исследуемых образцах дорожной пыли составили 35 и 235 нг/г, соответственно, что сопоставимо с концентрациями Pt и Pd в других городах мира. Определение наноразмерной и водорастворимой фракции Pt и Pd в пыли проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в режиме анализа единичных частиц (МС-ИСП-ЕЧ) в илистых фракциях пыли (<2 мкм), выделенных при помощи центрифугирования. Выявлено, что в среднем доля наночастиц Pt и Pd составляет менее 2%. Содержание водорастворимой фракции Pt и Pd колеблется в пределах 4-10%. Основная доля Pt и Pd в московской дорожной пыли ассоциирована с фракцией микрочастиц (88-94%). Несмотря на то, что микрочастицы пыли не обладает такой высокой подвижностью в окружающей среде, как наночастицы, они могут вносить свой вклад в образование водорастворимой фракции Pt и Pd за счет постепенного растворения. Все намеченные на первый этап реализации проекта работы выполнены в полном объеме, запланированные результаты достигнуты. Более того, исследования идут с опережением плана – начаты работы по выделению и изучению наночастиц московской городской пыли. По материалам исследований в 2022 году опубликована статья в журнале Molecules (Q1, IF – 4.927), индексируемом в международных системах цитирования Web of Science и Scopus. Кроме того, успешно прошла рецензирование и находится на этапе доработки статья «Assessment of sources, environmental, ecological, and health risks of potentially toxic elements in urban dust of Moscow megacity, Russia» в журнале Chemosphere (Q1, IF – 8.943). Рукопись статьи и письмо из редакции прилагаются к настоящему отчету. Результаты исследований также представлены на IV Съезде аналитиков России (25 сентября – 01 октября 2022, Москва).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году, в ходе выполнения работ второго этапа проекта проведено комплексное исследование наночастиц городской пыли, включающее в себя (i) выделение фракций нано- и субмикрочастиц из отобранных образцов пыли, (ii) определение гранулометрического состава, морфологии и массы выделенных фракций, (iii) определение элементного состава наночастиц городской пыли, (iv) оценку степени загрязнения наночастиц городской пыли, (v) оценку экологических рисков и рисков для здоровья людей, обусловленных загрязнением наночастиц городской пыли, (vi) идентификацию и оценку вклада природных и антропогенных источников в образование наночастиц городской пыли, (vii) оценку вклада наночастиц городской пыли в загрязнение городских водных экосистем. Исследование проводили на примере отобранных и охарактеризованных ранее образцов пыли двух городов, Москвы (78 образцов) и Красноярска (69 образцов). Следует подчеркнуть, что комплексное исследование наночастиц, выделенных из образцов городской пыли, проведено впервые и не имеет аналогов в литературе. Наночастицы выделяли из отобранных образцов осевшей городской пыли методом проточного фракционирования частиц во вращающейся спиральной колонке (ВСК). Показано, что среднее содержание наночастиц в городской пыли в исследуемых городах составляет 0.03 %. Наночастицы городской пыли Москвы и Красноярска не имели существенных различий в гранулометрическом составе. Согласно полученным данным, средний размер частиц различной формы достигал 250 нм. Традиционно к наночастицам относят объекты, размер которых хотя бы в одном измерении составляет от 1 до 100 нм. Однако при изучении образцов окружающей среды к наночастицам принято относить также их «ансамбли» (агломераты) в субмикронном размерном диапазоне (до 1000 нм). Таким образом, выделенные в настоящей работе частицы и агрегаты нано- и субмикронного размерных диапазонов можно отнести к наночастицам окружающей среды. Изучен элементный состав наночастиц городской пыли Москвы и Красноярска, рассчитаны коэффициенты концентрирования (КК), которые иллюстрируют степень аккумулирования элементов в наночастицах городской пыли по сравнению с исходными образцами. Для наночастиц городской пыли Москвы значения КК для таких элементов, как Li, Fe, Al, Co, Tl, Cr и Ni, не превышали значения 1.7. Это свидетельствует о том, что наночастицы практически не концентрируют данные элементы. Для Co, Ni, Cu, Zn, Sb, Pb КК варьировались в диапазоне значений от 2 до 8, а для Hg достигали 59. Схожие закономерности были выявлены и для наночастиц городской пыли Красноярска. КК, рассчитанные для Li, Fe, Al, Co, Tl, Cr и Ni, не превышали значения 1.5, для Co, Ni, Cu, Zn, Sb, Pb, W и Mo КК варьировались от 2 до 5, значения КК для Hg достигали 22. Наночастицы городской пыли Красноярска, как и наночастицы пыли Москвы, аккумулируют Co, Ni, Cu, Zn, Sb, Pb, W, Mo и Hg. Для оценки степени загрязнения исследуемых наночастиц городской пыли Москвы и Красноярска рассчитывали индексы геоаккумуляции (Igeo) и коэффициенты обогащения (KO). Наночастицы пыли обоих городов сильно загрязнены такими элементы, как Cu, Cd, Sb, Sn, Pb, Zn и Hg. Полученные значения Igeo и KO в 5-8 раз выше по сравнению с соответствующими показателями, рассчитанными для исходных образцов пыли. Следует подчеркнуть особенности накопления микроэлементов в наночастицах городской пыли Красноярска, для которых, в отличие от Москвы, характерна аккумуляция таких элементов, как W и Сr. Следовательно, наночастицы городской пыли Красноярска имеют специфичные антропогенные источники образования, не характерные для Москвы. Не выявлены закономерности накопления микроэлементов в наночастицах городской пыли Москвы в зависимости от мест отбора образцов пыли. Равномерность пространственного распределения наночастиц может свидетельствовать об их высокой подвижности в городской среде и высокой степени перемещения по всей площади города. Проведена оценка экологических рисков, связанных с наночастицами пыли, для городских экосистем Москвы. Установлено, что около 85% исследуемой территории Москвы подвержены умеренному экологическому риску, вызванному наночастицами пыли, а около 51% – значительному экологическому риску. Оценены потенциальные канцерогенные и неканцерогенные риски для здоровья жителей Москвы, как взрослых, так и детей. Неканцерогенные риски для взрослых жителей города выявлены не были, однако возможные неканцерогенные риски были выявлены для детей. Причиной возможных неканцерогенных рисков для детей является высокое содержание Pb, Сo и Cr в наночастицах городской пыли Москвы. Также было показано, что причиной возможных канцерогенных рисков являются высокие концентрации Cr, Co и As. В целом, обусловленные наночастицами канцерогенные и неканцерогенные риски для здоровья жителей Москвы могут быть до 14 раз выше, чем соответствующие риски, оцененные для исходных образцов пыли. Проведена идентификация источников микроэлементов в наночастицах городской пыли и оценен вклад каждого из них. При помощи метода главных компонент для городской пыли Москвы выявлено, что первый источник, включающий в себя Li, Al, и Fe, – это процесс эрозии почв. Второй источник (Сu, Zn, Sb, Pb, и Bi) относится к выбросам автотранспорта. Третий источник, включающий Cr, – процессы износа металлических деталей автомобилей и городских конструкций. Результаты анализа методом множественной линейной регрессии показали, что вклад природного источника в образование наночастиц городской пыли составил 45 %. Вклад двух выявленных антропогенных источников составил 35 и 3 % соответственно. Таким образом, показано, что вклад антропогенных источников в образование наночастиц городской пыли сопоставим с вкладом природного источника. Для наночастиц городской пыли Красноярска было также выявлено три источника их образования. Первый источник был идентифицирован как природный, он включает в себя Al, Ti, Mn, Fe и Li. Вторый источник объединил Cr, Ni, Cu, Zn, Sn, Sb, Pb и Bi, третий источник относится к W. Второй и третий источники были идентифицированы, как антропогенные и, скорее всего, относятся к выбросам промышленных производств и выбросам автотранспорта. Следует подчеркнуть, что количество выявленных источников образования наночастиц городской пыли Москвы и Красноярска меньше, чем количество источников образования исходных образцов пыли (4 и 6 соответственно для Москвы и Красноярска). Определен вклад наночастиц городской пыли Москвы в загрязнение городских сточных вод по сравнению со вкладом водорастворимых форм элементов. Показано, что содержание микроэлементов в наночастицах городской пыли было до 10 раз ниже, чем во фракции водорастворимых форм элементов. В целом, наночастицы, как и водорастворимые формы элементов, играют важную роль в переносе токсичных элементов в городских водных экосистемах. Для оценки макроэлементного состава наночастиц пыли Москвы применяли метод квадрупольной МС-ИСП в режиме анализа единичных частиц, позволяющий получить аналитический сигнал для каждой отдельной наночастицы. Установлено, что Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Sn, Pb могут присутствовать в наночастицах в виде отдельных «нанофаз», скорее всего, образующихся в результате антропогенных процессов. В рамках второго этапа проекта также был предложен и разработан новый режим разделения частиц в ВСК, получивший название режим зонного элюирования (ЗЭ), который может послужить основой для создания гибридного метода анализа нано- и микрочастиц городской пыли. Все исследования, намеченные на второй этап проекта, выполнены в полном объеме. Более того, работы идут с опережением плана – проведен отбор ряда образцов аэрозольных частиц пыли в Москве. По результатам исследований в 2023 году опубликованы статьи в журналах Chemosphere (Q1, IF 8.9) и Analytical and Bioanalytical Chemistry (Q1, IF 4.3), индексируемых в международных системах цитирования Web of Science и Scopus. Еще одна статья «Nanoparticles of dust as an emerging contaminant in urban environments» находится на рецензировании в журнале Chemosphere (Q1, IF – 8.9).