Эколого-геохимические закономерности распределения и идентификация источников потенциально токсичных элементов в составе дорожной пыли, почв, снежного покрова и атмосферных аэрозолей г. Челябинска

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 22-17-20006

НазваниеЭколого-геохимические закономерности распределения и идентификация источников потенциально токсичных элементов в составе дорожной пыли, почв, снежного покрова и атмосферных аэрозолей г. Челябинска

Руководитель Крупнова Татьяна Георгиевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова тяжелые металлы и металлоиды, потенциально токсичные элементы, геохимия ландшафтов, геохимический мониторинг, дорожная пыль, верхний слой почв, снежный покров, взвешенные вещества в атмосферном воздухе, PM10, PM2.5, источники загрязнения, изотопный анализ,

Код ГРНТИ38.01.94

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Черная и цветная металлургия занимает одно из ключевых мест в экономике Южно-Уральского региона. Металлургические заводы Челябинской промышленной агломерации формируют вокруг себя территории с различными техногеохимическими аномалиями тяжелых металлов и металлоидов, которые рассматриваются как потенциально токсичные элементы (ПТЭ). Сведения о загрязнении городской среды ПТЭ носят ограниченный и обрывочный характер. Также следует иметь в виду, что техногенное загрязнение в городе Челябинске происходит на фоне природной геохимической аномалии. В связи с этим актуальным является пространственное и внутрипрофильное изучение содержания ПТЭ в различных средах – почвах, городской пыли, снежном покрове, а также в составе атмосферных аэрозольных частиц, в том числе с гидродинамическим радиусов менее 10 и менее 2,5 мкм (PM10 и PM2,5). Научная новизна проекта состоит в том, что впервые для города Челябинска будет произведена количественная оценка миграции потенциально токсичных элементов в городской среде и изучены их источники образования. В рамках проекта планируется получить современные фактические данные о реально существующей экологической ситуации в Челябинске, дать научное объяснение и выявить источники загрязнения, а также разработать прогнозные модели содержания ПТЭ в различных городских средах. Подобное исследование для типичного промышленного российского города в условиях большого количества потенциальных источников металлоидного загрязнения будет произведено впервые.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Капитонова Т.А., Стручкова Г.П., Тихонова С.А., Гаврилкина С.В. Evaluation of the Impact of Emissions of Metal Compounds from Industrial Enterprises on the Oncological Morbidity of the Population of an Urbanized Area Geography and Natural Resources (год публикации - 2022)
10.1134/S1875372822050122

2. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Бондаренко К.А., Третьякова В.Д. Environmental Justice and the Use of Artificial Intelligence in Urban Air Pollution Monitoring Big Data and Cognitive Computing, 6 (3):75 (год публикации - 2022)
10.3390/bdcc6030075

3. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Удачин В.Н., Гаврилкина С.В., Бондаренко К.А., Третьякова В.Д. New approaches to study of urban geochemical landscapes Сборник материалов международной конференции_Ресурсы, окружающая среда и региональное устойчивое развитие в Северо-Восточной Азии, С.158 (год публикации - 2022)

4. Ракова О.В., Крупнова Т.Г., Бондаренко К.А., Гаврилкина С.В., Удачин В.Н. Microscopic investigation on atmospheric particles in Chelyabinsk, South Ural region, Russia Proceedings of the Twelveth International Conference – Geomate 2022 Geotechnique, Construction materials and Environment, С.671-676 (год публикации - 2022)

5. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Беренцева С.В., Гаврилкина С.В., Удачин В.Н. Сan trees help reduce lead in urban air? A case study of greening in a Russian industrial city. Proceedings of the Twelveth International Conference – Geomate 2022 Geotechnique, Construction materials and Environment, C. 677-682 (год публикации - 2022)

6. Бондаренко К.А., Третьякова В.Д., Ракова О.В., Гаврилкина С.В., Удачин В.Н., Крупнова Т.Г. Изучение частиц РМ, собранных на территории Челябинска методом сканирующей электронной микроскопии Металлогения древних и современных океанов, №28: 219-222 (год публикации - 2022)

7. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Гаврилкина С.В., Бондаренко К.А. Total Hg level in hair, its predictors and relationship with health risk of Chelyabinsk residents Limnology and Freshwater Biology, №3:1286-1288 (год публикации - 2022)
10.31951/2658-3518-2022-A-3-1286

8. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Стручкова Г.П., Тихонова С.А., Капитонова Т.А, Удачин В.Н. URBAN GREENING FOR LEAD SOILS POLLUTION CONTROL: THE USE ISOTOPE SIGNATURES ANALYSIS AND REMOTE SENSING International Journal of GEOMATE, Dec, 2022, Vol.23, Issue 100, pp.44-51 (год публикации - 2023)
10.21660/2022.100.3659

9. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Беренцева С.В., Гаврилкина С.В., Удачин В.Н. CAN TREES HELP REDUCE LEAD IN URBAN AIR? А CASE STUDY OF GREENING IN A RUSSIAN INDUSTRIAL CITY International Journal of GEOMATE, Vol.23, Issue 100, pp.70-77 (год публикации - 2023)
10.21660/2022.100.3727

10. Ракова О.В., Крупнова Т.Г.,Морозов Р.С., Бондаренко К.А., Удачин В.Н. MICROSCOPIC INVESTIGATION ON PM10 AND AIR-CLEANING COATINGS BASED ON NANO-TIO2 International Journal of GEOMATE, Vol.24, Issue 103, pp.76-83 (год публикации - 2023)
10.21660/2023.103.3731

11. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Бондаренко К.А., Удачин В.Н. Новые подходы к изучению геохимии индустриальных городских ландшафтов Тезисы международной научной конференции «Современное развитие биогеохимических идей В.И. Вернадского» 26-27 января 2023 года, С.56 (год публикации - 2023)

12. Ракова О.В., Крупнова Т.Г. Умное цифровое дерево» – устройство для фиторемедиации загрязнения воздуха, в том числе тяжелыми металлами XXII НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ФОРУМ «ПРОБЛЕМЫ ОЗЕЛЕНЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ»:сборник статей, С.176-179 (год публикации - 2023)

13. Крупнова Т.Г., Ракова О.В. ДЕРЕВЬЯ КАК ЭКОМОНИТОРЫ И ФИТОРЕМЕДИАТОРЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА ЧЕЛЯБИНСКА XXII Научно-практический форум «Проблемы озеленения крупных городов»: сборник статей, С.103-108 (год публикации - 2023)

14. Ракова О.В., Крупнова Т.Г., Бондаренко К.А, Сайфуллин А.Ф., Семененко Д.П., Мироненко А.В. Industrial emissions as a carcinogenic risk factor Сборник материалов международной конференции_Ресурсы, окружающая среда и региональное устойчивое развитие в Северо-Восточной Азии, С.71 (год публикации - 2022)

15. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Удачин В.Н., Гаврилкина С.В., Бондаренко К.А. ISOTOPIC RATIOS AS A TOOL FOR STUDYING SOURCES OF COPPER, LEAD, AND ZINC IN NATURAL AND URBAN ENVIRONMENTS: A REVIEW International Journal of GEOMATE, Vol.25, Issue 107, pp.33-41 (год публикации - 2023)
10.21660/2023.107.3658

16. Татьяна Крупнова, Ольга Ракова, Тамара Капитонова, Галина Стручкова, Сардана Тихонова, Анастасия Плотникова и Валерий Удачин Urban environment monitoring in industrial city using remote sensing of snow cover E3S Web of Conferences, 435, 03006 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202343503006

17. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Симахина В.И RARE-EARTH elements in the topsoils of a Russian industrial city: Sources and human health risk assessment Chemosphere, Volume 357, June 2024, Номер статьи 142059 (год публикации - 2024)
10.1016/j.chemosphere.2024.142059

18. Крупнова Т.Г., Ракова О.В., Киселева Д.В., Окунева Т.Г., Рыбакова А.Д., Симахина В.И. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПЕРЕНОСА МЕТАЛЛОВ В АТМОСФЕРЕ Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 300-летию Российской академии наук, 130-летию Троицкосавско-Кяхтинского отделения Приамурского отдела Императорского Русского географического общества и 50-летию Байкало-Амурской магистрали "ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСГРАНИЧНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА В НОВЫХ ГЕОПОЛИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ", C. 117-119 (год публикации - 2024)
10.31554/978-5-7925-0665-7-2024-1-210

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получены закономерности распределения металлов между почвой, пылью, снежным покровом и воздухом, построена модель распределения металлов и металлоидов (ММ) в городской среде промышленного города Челябинска. Были идентифицированы основные антропогенные источники ММ в городской среде. Были рассчитаны и проанализированы коэффициенты обогащения (EF) для почвы и пыли, найдены индексы загрязнения снежного покрова. Это позволило оценить степень антропогенного влияния на почвы, пыль, снежный покров и атмосферу, произвести дифференциацию источников ММ антропогенного (индустриального, транспортного) и природного происхождения. Наиболее высокий суммарный коэффициент обогащения (TEF) для почвы и дорожной пыли наблюдался возле дорог и в зоне влияния промышленных предприятий. В некоторых дворах также наблюдались высокие значения коэффициентов обогащения, что связано с эффектом «заиления», накопления элементов в течение нескольких лет. Вклады каждого фактора загрязнения ММ в почве, пыли, РМ2.5 и снежном покрове были оценены с помощью метода главных компонент и последующего применения множественных линейных регрессий. Самое большое количество значимых факторов было обнаружено для снеговой (7) и дорожной пыли (5), для почвы и снегового раствора количество значимых факторов равнялось 4, и всего 3 фактора было выделено для РМ2.5. В почвах самые высокие концентрации Pb и Zn наблюдались вблизи завода по производству цинка. Высокие концентрации Cu наблюдались вблизи нескольких источников. Металлы (Cu, Pb и Zn) в почвах были в основном сосредоточены вблизи точечных техногенных источников ("горячие точки"), высокие концентрации не наблюдались на всей территории городского округа. Выделение зоны с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения металлами в небольшом радиусе от промышленного источника можно объяснить с помощью теории геохимических барьеров Алексеенко. Одновременно с процессами сорбции и конденсации в атмосфере происходит столкновение разнозарядных частиц. Эти процессы приводят к образованию сорбционных барьеров. Заряд частиц, рассеянных в воздухе, может быть первоначальным или приобретенным. Обычно пыль, содержащая оксиды металлов, заряжена отрицательно, в то время как угольная пыль и пыль, содержащая кислотные оксиды - положительно. Чем больше в атмосфере разнозарядных частиц, тем чаще они сталкиваются и быстрее оседают. Таким образом, чем больше разнообразных предприятий расположено поблизости, тем меньше зона загрязнения. Была построена модель смешивания источников Pb, Cu и Zn по мультиизотопным соотношениям. Соотношение изотопов Pb в пыли и почве Челябинска находится в пределах значений, определенных источниками загрязняющих веществ, и позволяет предположить, что они в основном связаны с особенностями дорожного движения и производственными процессами. Метод изотопных соотношений показал, что Zn и Cu имеют общие источники загрязнения, но существует, по крайней мере, один необычный отличительный источник Cu. Несколько образцов пыли, собранных вблизи завода по производству минеральной ваты, характеризуются очень высокими значениями δ65Cu =4,00...4,50 ‰. Мультиизотопные системы Pb, Cu и Zn могут быть использованы для поиска источников ММ в объектах урбоэколандшафтов. Была разработана концептуальная модель того, как изотопные характеристики Pb, Cu и Zn основных источников загрязнения влияют на изотопный состав этих металлов в почве, пыли и аэрозолях на территории промышленного города. Были получены результаты по исследованию редкоземельных элементов (РЗЭ) в городской экосистеме Челябинска. Опубликована статья в журнале Chemosphere (Scopus Q1), получен патент на полезную модель, результаты доложены на трех научных конференциях. Публикации в сети Интернет, посвященные проекту Ученые по особым меткам нашли источники загрязнения большого промышленного города https://www.mk.ru/science/2024/04/24/uchenye-po-osobym-metkam-nashli-istochniki-zagryazneniya-bolshogo-promyshlennogo-goroda.html Ученые ИЕТН ЮУрГУ создали методику оценки загрязнения тяжелыми металлами зерновых культур https://www.susu.ru/ru/news/2024/02/05/uchenye-ietn-sozdali-metodiku-ocenki-zagryazneniya-tyazhelymi-metallami-zernovyh Учёные ЮУрГУ рассказали о методах экомониторинга на международном форуме в Бурятии https://www.susu.ru/ru/news/2024/09/09/uchyonye-rasskazali-o-metodah-ekomonitoringa-na-mezhdunarodnom-forume-v-buryatii Ученые ЮУрГУ предложили отслеживать загрязнение атмосферы совместно с Монголией и Китаем https://pravmin.gov74.ru/prav/news/view.htm?id=11572705

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработаны фундаментальные основы прогностического экомониторинга состояния урбанизированной городской среды с использованием методом дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и наземных исследований, в том числе метода изотопных соотношений, для своевременного отслеживания и сокращения экологических рисков, обусловленных выбросами конкретных предприятий. Российские промышленные города — это уникальные урбоэкосистемы. Колоссальное сосредоточение промышленных предприятий на небольшой территории и отсутствие планирования часто делают их центрами экологических проблем. Разработанная система комплексного мониторинга позволит сократить антропогенную нагрузку на городскую среду. Предложен комплексный подход, состоящий в комбинации современных физико-химических методов анализа объектов городской среды, технологий ДЗЗ и ГИС, позволяющий прогнозировать воздействие источников на металлоидное загрязнение объектов окружающей среды.