КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-77-30004

НазваниеТехнология оценки экологического состояния Московского мегаполиса на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды» (Мегаполис)

РуководительКошелева Наталья Евгеньевна, Доктор географических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Воздушная миграция и осаждение концентрирующихся в микрочастицах токсичных элементов и соединений приводит к формированию их аномалий в почвах, снеге и дорожной пыли высокой контрастности и площади. Это делает актуальными дальнейшие исследования, направленные на выявление источников поллютантов, изучение их накопления–рассеяния в атмосфере, наземных ландшафтах и речной системе Московского мегаполиса. Главной целью проекта является апробация разработанной технологии в разных частях Москвы, отличающихся уровнем геохимической нагрузки и составом приоритетных загрязнителей. Важной чертой проекта станет оценка экологических рисков для биоты и населения. Планируется развитие инструментальной базы путем расширения измеряемых параметров микрочастиц, удлинение рядов наблюдений, проведение натурных и модельных экспериментов. Особое внимание будет уделено характеристике источников загрязняющих веществ, включая автомобильный и железнодорожный транспорт. Исследования будут выполняться по следующим направлениям. 1. Пространственно-временная изменчивость аэрозольной геохимической нагрузки на территорию Московского мегаполиса и ее экологическая опасность Развитие технологии наблюдений на Аэрозольном комплексе МГУ предполагает непрерывные измерения микрофизических свойств, числа частиц и массовой концентрации аэрозолей и анализ их химического состава с распределением по размерам. Соотношение городских и региональных источников загрязнения будет установлено путем одновременных измерений в городе и пригородной зоне. Загрязнение микрочастиц в уличных каньонах будет исследовано в зависимости от параметров застройки и интенсивности движения автотранспорта. Оценка опасности вдыхаемой фракции аэрозолей для населения будет основана на концентрациях частиц РМ2.5 и черного углерода, а также окислительного потенциала, определяющего способность атмосферных частиц окислять легочную среду. 2. Фракционирование потенциально токсичных элементов и соединений в компонентах наземных ландшафтов Изучение гранулометрического фракционирования химических элементов в почвах будет расширено путем привлечения данных о минералогическом составе фракций. Будет проанализирована большая группа элементов, включая редкоземельные и слабо изученные Li, Be, Ga, Rb, Tl, Pt и т.д. В функциональных зонах города планируется исследовать взаимодействия загрязненных микрочастиц с компонентами городских почв, определяющие эффективность реализации ими экологических функций в биосфере. Распределение элементов и ПАУ в микрочастицах подсистемы «снег–дорожная пыль–почвы» будет изучено на основе данных по отдельным округам и зонам города. Экологическая опасность загрязнения этих сред будет оцениваться с учетом антропометрических и возрастных характеристик населения и сценариев его активности. 3. Миграция микрочастиц в речной системе с оценкой интегрального экологического риска Собранные данные о содержании химических элементов в воде, микрочастицах взвеси и донных отложений в притоках р. Москвы позволят установить факторы, определяющие специфику и вариабельность их химического состава. Оценка потоков микрочастиц и поллютантов в речной сети обеспечит ландшафтно-функциональное районирование всего бассейна и апробацию методики оценки экологических рисков, связанных с качеством поверхностных вод, взвесей, донных и пойменных отложений. 4. Количественная оценка вклада источников микрочастиц в загрязнение городской среды В условиях множественности источников микрочастиц их идентификация будет выполнена с помощью технологии Source Apportionment (SA) на основе данных измерений микрофизических свойств и химического состава аэрозолей. Будут определены вклады промышленных, транспортных источников, отопительной системы жилого сектора, выдувания почвы и дорожной пыли в городе, дымовых шлейфов от пожаров в пригородах. Для валидации результатов SA будут привлечены официальные данные об интенсивности эмиссий от стационарных и передвижных источников загрязнения.

Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта является развитие технологии оценки экологического состояния городской среды на основе анализа химического состава микрочастиц в системе «атмосфера–снег–дорожная пыль–почвы–поверхностные воды», впервые проведение на ее основе количественного анализа воздействия основных источников эмиссий на загрязнение окружающей среды Московского мегаполиса. На основе базы данных непрерывных сезонных и круглогодичных измерений многокомпонентного химического состава и микрофизических свойств аэрозолей с распределением по размерам, полученной на созданном ранее Аэрозольном стационарном комплексе МГУ, и современных рецепторных моделей будут определены вклады основных источников загрязнения воздуха: транспорта, промышленности, дорожной пыли, засоления почв противогололедными реагентами, сжигания биомасс и вторичных аэрозолей. Значительный прогресс будет достигнут в исследованиях уровней и неоднородности аэрозольной нагрузки атмосферы вследствие особенностей транспорта, отопительной системы жилого сектора и промышленной деятельности населения в центральных частях (город) и на прилегающих территориях (пригород) с помощью Аэрозольного мобильного комплекса МГУ. Практическое использование ожидаемых результатов определяется возможностью получения научно-обоснованных оценок пространственной и временной изменчивости аэрозольной нагрузки и источников загрязнений атмосферы в Московском мегаполисе и прилегающем регионе. Данный проект создаст предпосылки для дальнейшего развития сети станций наблюдений за аэрозольным загрязнением в Московском мегаполисе и оценкой его влияния на экологическое состояние атмосферы. Получаемая база данных о физико-химических характеристиках вдыхаемой фракции аэрозолей и маркерах влияния на здоровье может быть использована при организации и проведении исследований воздействия загрязнений на здоровье населения в мегаполисе. Полученная экспериментальная информация будет необходима при разработке мероприятий по уменьшению опасных последствий загрязнения атмосферы, с ее помощью можно определить, какие изменения в аэрозольной нагрузке атмосферы Московского мегаполиса следует ожидать в результате изменений хозяйственной деятельности и каковы могут быть их социальные последствия. Общественная значимость предполагаемых результатов проекта согласуется с положениями Постановления Правительства Российской Федерации от 8 февраля 2022 г. № 133 «Об утверждении Федеральной научно-технической программы в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021-2030 годы», в котором указывается на «необходимость повышения эффективности научно-технической деятельности в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений». Количественный анализ вкладов источников экологически и климатически опасных эмиссий имеет первостепенное значение и особую общественную и экологическую значимость, поскольку позволяет идентифицировать опасные загрязнения атмосферы, выявить наиболее значительные и разработать меры по уменьшению и предотвращению воздействия эмиссий на окружающую среду и климат. В настоящее время отсутствие стандартизованных методик количественной оценки техногенных воздействий аэрозольных эмиссий на городскую среду не позволяет принимать обоснованные решения в управлении природопользованием мегаполиса и региона в целом. Из Положений Постановления Правительства Российской Федерации: «Российская система мониторинга атмосферного воздуха в отличие от ряда зарубежных стран в настоящее время не включает мониторинг содержания … "черного углерода" – продукта неполного сгорания топлива». Таким образом, исследования, проводимые на Аэрозольном комплексе МГУ, отвечают ожидаемым результатам реализации Постановления Правительства Российской Федерации в части разработки системы мониторинга черного углерода. Исследования состава атмосферных аэрозолей будут дополнены данными об изотопном составе осадков в Москве с характеристикой сезонности хода значений δ18О и δ2Н и ее обусловленности температурой приземного слоя воздуха и возможным влиянием дальнего переноса, который будет выявляться методом обратных траекторий по модели переноса HYSPLIT. В воде р. Москвы и ее притоков Сетуни, Сетуньки, Яузы будет определена степень отражения изотопно-кислородного и дейтериевого сигнала атмосферных осадков 2019-2020 гг. и его взаимосвязь со свойствами снега в период весеннего половодья. Динамические наблюдения на юго-западе Москвы позволят установить характер изменений изотопного состава снежной толщи в течение зимнего периода. В фокусе современных геохимических исследований городских почв находится проблема гранулометрического фракционирования металлов и металлоидов (ММ) и других поллютантов, связанная с выделением и использованием при экологическом мониторинге фракций-носителей максимального загрязнения, что определяется необходимостью прогнозировать поведение потенциально токсичных элементов в окружающей среде и прослеживать пути их поступления в живые организмы. В современной литературе существует недостаток информации как о фоновых концентрациях элементов в гранулометрических фракциях разных почв, так и о связи гранулометрического фракционирования элементов с минералогическим составом фракций, в то время как подобная информация крайне необходима для правильной интерпретации природы ассоциаций химических элементов в загрязненных почвах и выделения среди них ассоциаций преимущественно антропогенного происхождения. Разные минералы, присутствующие в почвенных фракциях, обладают характерными кристаллическими структурами, химическим составом и свойствами; они определяют ассоциации и общие запасы химических элементов. В фоновых для Московского мегаполиса дерново-подзолистых и дерновых почв Смоленско-Московской возвышенности будет выявлен минералогический состав отдельных гранулометрических фракций гумусового горизонта и установлены факторы, контролирующие его пространственную изменчивость. Эти данные дадут возможность генетической интерпретации ассоциаций ММ на основе сопряженного анализа элементного и минералогического составов фракций. Этот тип анализа будет способствовать лучшему пониманию закономерностей накопления экологически опасных элементов в гранулометрических фракциях и послужит основой для оценки потенциального риска загрязнения и восстановления городских почв. Кроме обычно анализируемых будет исследована большая группа микроэлементов, которым ранее при оценке загрязнения городов не уделялось достаточного внимания (Li, Be, Ga, Rb, Zr, Tl, Pt и др.) и значение которых в последнее время возросло в связи с расширением сфер их применения в различных отраслях промышленности и включением в биогеохимические круговороты. Изучение гранулометрического фракционирования и форм ММ, а также органических поллютантов (ПАУ) позволит выявить наиболее экологически опасные фракции дорожной пыли, твердой фазы снега и почв и охарактеризовать их локализацию в пределах тех или иных функциональных зон города в зависимости от ландшафтных и антропогенных факторов. Генезис полиаренов во фракциях PM1 и PM1-10 городских почв будет определен с использованием индикаторных соотношений. Это даст возможность определить те сочетания факторов в городских ландшафтах, которые создают максимальное загрязнение в депонирующих средах, и разработать рекомендации по его уменьшению. Результаты экспериментального изучения взаимодействия поллютантов с органическим веществом почв будет содействовать более глубокому пониманию механизмов мобилизации, миграции и аккумуляции ММ в различных геохимических обстановках, а также процессов биогеохимической трансформации специфичных для города органических соединений, определяющей экологическое состояние городских почв. Будут определены информативность показателей биологической активности почв и устойчивость органического вещества почв урбанизированных территорий к окислительной трансформации при воздействии загрязненных токсичными веществами микрочастиц. С использованием этих данных будут разработаны подходы к оценке эффективности реализации био- и гидропротекторных функций почв при их загрязнении экологически опасными элементами. Будет получена оценка хронического воздействия накопившихся в микрочастицах городских почв и пыли неканцерогенных и канцерогенных элементов на организм человека в соответствии с разработанными репрезентативными сценариями для населения Москвы, включая возраст и антропометрические характеристики. Будут выявлены приоритетные поллютанты в окружающей среде Московского мегаполиса, которые определяют характер и вероятность неблагоприятных последствий для здоровья человека. Это позволит количественно оценить воздействие на наиболее высокочувствительную группу среди населения, а также определить уязвимые территории города. Полученные результаты послужат основой для разработки локальных профилактических мер по оздоровлению городской среды, а также могут быть использованы при адаптации методики оценки воздействия для других крупных городов. Будет получена общая картина изменения в размещении промышленности г. Москвы в новых условиях, когда реновация многих промышленных зон практически завершена и размещение промышленных объектов при сокращении их числа имеет более дискретный характер. В результате появится возможность показать, как размещение предприятий сказывается на пространственных особенностях химического состава микрочастиц в атмосфере. Будут определены изменения в ареалах рассеяния от стационарных источников сжигания топлива путем расчета максимальных разовых и среднегодовых концентраций основных видов загрязняющих веществ с использованием гостированных моделей, утвержденных МПР РФ. Будут выделены зоны с различным характером пространственного распределения концентраций загрязняющих веществ, образовавшиеся при рассеянии выбросов от разных типов источников сжигания топлива (котельных и ТЭЦ). Объемы и плотности выбросов в атмосферу от автомобильного транспорта будут рассчитаны с учетом интенсивности движения и структуры выбросов, что обеспечит выявление факторов формирования ареалов повышенной концентрации загрязняющих веществ, среди которых будут рассмотрены особенности расселения, топологии транспортной сети, нового дорожного строительства и др. Анализ интенсивности транспортных потоков, динамики объемов и структуры выбросов в атмосферу железнодорожного транспорта в период 2012-2023 гг. даст представление об уровне воздействия на городскую среду железнодорожного транспорта. Это позволит более надежно и объективно провести идентификацию источников техногенного загрязнения атмосферы и компонентов наземных ландшафтов и сформировать рекомендации для правительства Москвы по размещению сети наблюдений. Главными результатами исследования речной системы в Московской агломерации станут: оценка степени преобразования водосборов притоков р. Москвы и русловой сети; количественная характеристика поступления ММ и органических веществ во время интенсивных дождей в городские водотоки, отличающиеся степенью преобразования русловой сети; система определения интегрального экологического риска для качества поверхностных вод, речных наносов и донных отложений. Будет проведено ранжирование факторов антропогенного преобразования городских ландшафтов, определяющих формирование поверхностного стока (воды, наносов, загрязняющих веществ), и выполнена классификация факторов загрязнения поверхностных вод. Для прогнозирования концентраций ММ и органических веществ в русловой сети в периоды максимального стока будут разработаны статистические модели. Будет выполнена сравнительная оценка вклада паводочного стока в суммарный перенос загрязнителей (взвешенного вещества, ММ, органических веществ) для разных функциональных видов городских территорий. На основе определения интегрального экологического риска для качества поверхностных вод, речных наносов и донных отложений будет проведено районирование бассейна р. Москвы по современному уровню экологических рисков и их опасных изменений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ