Экогеохимия микрочастиц в окружающей среде

   Представлены результаты новейших исследований эмиссии и распределения микрочастиц в окружающей среде на основе мониторинга и оценки эколого-геохимического состояния урбанизированных территорий и речных бассейнов. Разработаны научные основы и технологии геохимического анализа микрочастиц в атмосфере (аэрозоли, снег, дожди), педосфере (городские почвы, дорожная пыль) и наземной гидросфере (растворенные и взвешенные формы химических элементов в водной массе, донные отложения). Показано, что анализ микрочастиц имеет ключевое значение для понимания механизмов загрязнения компонентов окружающей среды и формирования техногенных геохимических аномалий в Московской агломерации и других городах. Установлена ассоциация химических элементов (сурьма, кадмий, медь, вольфрам, цинк, свинец, висмут, олово, молибден), накапливающихся практически во всех компонентах городской среды. При множественности источников загрязнения для количественной оценки вкладов источников в загрязнение исследуемых сред использована технология Source Apportionment. С помощью рецепторной модели PMF впервые определены вклады пылевых, транспортных и промышленных источников в загрязнение атмосферы Москвы, необходимые для оценки качества воздуха и геохимической нагрузки на наземные ландшафты. Влияние дальнего переноса оценивалось путем расчета вероятных направлений (обратных траекторий) адвекции воздуха по транспортно-дисперсионной модели NOAA HYSPLIT. Возможные источники металлов и металлоидов (ММ) в микрочастицах дорожной пыли Москвы выявлены с помощью модели РСА-MLR. Статистический анализ экспериментального материала позволил установить основные факторы и механизмы, определяющие пространственную структуру загрязнения дорожной пыли и городских почв ММ, а также их важнейшие фазы-носители, специфичные для разных источников загрязнения. На основе исследований крупнейших рек страны разработаны методология и технология гидрогеохимического анализа речных бассейнов, включающего высокочастотную (суточную, недельную), сезонную и многолетнюю изменчивость гидрологических параметров, растворенных и взвешенных форм химических элементов, их распределения в микрочастицах, а также потоков элементов в речных бассейнах.

1. Власов Д.В., Кукушкина О.В., Кошелева Н.Е., Касимов Н.С. Уровни и факторы накопления металлов и металлоидов в придорожных почвах, дорожной пыли и их фракции РМ10 в Западном округе Москвы // Почвоведение. 2022. № 5. С. 538–555. DOI: 10.31857/S0032180X22050112.

2. Геохимия ландшафтов Восточной Москвы / под ред. Е.В. Достоваловой. М.: АПР, 2016. 276 с.

3. Геохимия ландшафтов и география почв. 100 лет со дня рождения М.А. Глазовской / под ред. Н.С. Касимова, М.И. Герасимовой. М.: АПР, 2012. 599 с.

4. Геохимия ландшафтов. К 100-летию со дня рождения Александра Ильича Перельмана / под ред. Н.С. Касимова, А.Н. Геннадиева. М.: АПР, 2017. 544 с.

5. Геохимия окружающей среды / под ред. А.И. Перельмана. М.: Недра, 1990. 335 с.

6. Гордеев В.В. Геохимия системы река – море. М.: ИП Матушкина И.И., 2012. 452 с.

7. Еремина И.Д. Химический состав атмосферных осадков в Москве и тенденции его многолетних изменений // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2019. № 3. С. 3–10.

8. Касимов Н.С. Экогеохимия ландшафтов. М.: ИП Филимонов М.В., 2013. 208 с.

9. Касимов Н.С., Безбердая Л.А., Лычагин М.Ю. и др. Экогеохимия городов и рек Крыма. Тр. Крымской комплексной экспедиции. Вып. 1. М.: Географический факультет МГУ, 2022. 384 с.

10. Касимов Н.С., Власов Д.В. Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2015. № 2. С. 7–17.

11. Касимов Н.С., Власов Д.В., Кошелева Н.Е. Химический состав дорожной пыли и ее фракции PM10 как индикатор загрязнения городской среды // Экология и промышленность России. 2021. № 25. Вып. 10. С. 43–49. DOI: 10.18412/1816-0395-2021-10-43-49.

12. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Поповичева О.Б. и др. Загрязнение Московского мегаполиса: мониторинг химического состава микрочастиц в системе «атмосфера – снег – дорожная пыль – почвы – поверхностные воды» // Метеорология и гидрология. 2023. № 5. С. 5–19. DOI: 10.52002/0130-2906-2023-5-5-19.

13. Касимов Н.С., Лычагин М.Ю., Чалов С.Р. и др. Бассейновый анализ потоков веществ в системе Селенга – Байкал // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2016. № 3. С. 67–81.

14. Курьякова А.Н. Баланс тяжелых металлов в дельте Волги // Доклады Академии наук. 2011. Т. 439. № 6. С. 818–821.

15. Ладонин Д.В., Михайлова А.П. Тяжелые металлы и мышьяк в почвах и уличной пыли Юго-Восточного административного округа г. Москвы: результаты многолетних исследований // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1401–1411. DOI: 10.31857/S0032180X2011009X.

16. Лычагин М.Ю., Касимов Н.С., Курьякова А.Н. и др. Геохимические особенности аквальных ландшафтов дельты Волги // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2011. № 1. С. 100–113.

17. Московченко Д.В., Пожитков Р.Ю., Курчатова А.Н. и др. Геохимическая характеристика снежного покрова Тюмени // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2021. № 3. С. 13−26.

18. Нефть и окружающая среда Калининградской области / под ред. Ю.С. Каджояна и Н.С. Касимова. М.; Калининград: Янтарный сказ, 2008. 360 с.

19. Савенко В.С. Химический состав взвешенных наносов рек мира. М.: ГЕОС, 2006. 175 с.

20. Семенова А.В., Поповичева О.Б., Завгородняя Ю.А. и др. Аэрозольное загрязнение Московского мегаполиса полиароматическими углеводородами: сезонная изменчивость и токсикологические риски // Вестник РАН. 2023. Т. 93. № 7. С. 669–683. DOI: 10.31857/S0869587323070071.

21. Экогеохимия городских ландшафтов / под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 336 с.

22. Эколого-географический атлас-монография Селенга – Байкал / под ред. Н.С. Касимова. М.: Географический факультет МГУ, 2019. 288 с.

23. Acosta J.A., Faz Á., Kalbitz K. et al. Heavy metal concentrations in particle size fractions from street dust of Murcia (Spain) as the basis for risk assessment, Journal of Environmental Monitoring, 2011, vol. 13, p. 3087–3096, DOI: 10.1039/c1em10364d.

24. Alastuey A., Querol X., Aas W. et al. Geochemistry of PM10 over Europe during the EMEP intensive measurement periods in summer 2012 and winter 2013, Atmospheric Chemistry and Physics, 2016, vol. 16, p. 6107–6129, DOI: 10.5194/acp-16-6107-2016.

25. Amato F., Alastuey A., Karanasiou A. et al. AIRUSE-LIFE+: A harmonized PM speciation and source apportionment in 5 Southern European cities, Atmospheric Chemistry and Physics, 2016, vol. 16, p. 3289–3309.

26. Amato F., Pandolfi M., Viana M. et al. Spatial and chemical patterns of PM10 in road dust deposited in urban environment, Atmospheric Environment, 2009, vol. 43, p. 1650–1659, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.12.009.

27. Aminiyan M.M., Baalousha M., Mousavi R. et al. The ecological risk, source identification, and pollution assessment of heavy metals in road dust: a case study in Rafsanjan, SE Iran, Environ. Sci. Pollut. Res., 2018, vol. 25:13382–13395, DOI: 10.1007/s11356-017-8539-y.

28. Borris M., Österlund H., Marsalek J. et al. Snow pollution management in urban areas: an idea whose time has come? Urban Water Journal, 2021, vol. 18, no. 10, p. 840–849.

29. Carslaw D.C., Beevers S.D. Characterizing and understanding emission sources using bivariate polar plots and k-means clustering, Environmental Modelling & Software, 2013, vol. 40, p. 325–329, DOI: 10.1016/j.envsoft.2012.09.005.

30. Cheng I., Al Mamun A., Zhang L. A synthesis review on atmospheric wet deposition of particulate elements: scavenging ratios, solubility, and flux measurements, Environmental Reviews, 2021, p. 1–14, DOI: 10.1139/er-2020-0118.

31. Dockery D.W., Pope C.A. Acute respiratory effects of particulate air pollution, Annual Review of Public Health, 1994, vol. 15, p. 107–132, DOI: 10.1146/annurev.pu.15.050194.000543.

32. Gaillardet J., Viers J., Dupré B. Trace elements in river waters, Treatise on geochemistry, Boca-Raton, Elsevier, 2014, p. 195–235, DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00507-6.

33. Gunawardana C., Egodawatta P., Goonetilleke A. Role of particle size and composition in metal adsorption by solids deposited on urban road surfaces, Environmental Pollution, 2014, vol. 184, p. 44–53, DOI: 10.1016/j.envpol.2013.08.010.

34. Harrison R.M., Allan J., Carruthers D. et al. Non-exhaust vehicle emissions of particulate matter and VOC from road traffic: a review, Atmospheric Environment, 2021, vol. 262, Article ID: 118592, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118592.

35. Haynes H.M., Taylor K.G., Rothwell J. et al. Characterisation of road-dust sediment in urban systems : a review of a glo bal challenge, Journal of Soils and Sediments, 2020, vol. 20, p. 4194–4217, DOI: 10.1007/s11368-020-02804-y.

36. Ivaneev A.I., Brzhezinskiy A.S., Karandashev V.K. et al. Assessment of sources, environmental, ecological, and health risks of potentially toxic elements in urban dust of Moscow megacity, Russia, Chemosphere, 2023, vol. 321, 138142, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.138142.

37. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants, 4^th edition, Boca Raton, CRC Press, 2011, 505 p.

38. Kamani H., Hoseini M., Safari G.H. et al. Study of trace elements in wet atmospheric precipitation in Tehran, Iran, Environmental Monitoring and Assessment, 2014, vol. 186, iss. 8, p. 5059–5067, DOI: 10.1007/s10661-014-3759-9.

39. Kasimov N., Chalov S., Chubarova N. et al. Urban heat and pollution island in the Moscow megacity: Urban environmental compartments and their interactions, Urban Climate, 2024, vol. 55, Article ID: 101972, DOI: 10.1016/j.uclim.2024.101972.

40. Kasimov N., Shinkareva G., Lychagin M. et al. River water quality of the Selenga-Baikal basin, рart II, Metal partitioning under different hydroclimatic conditions, Water, 2020, vol. 12(9):2392, DOI: 10.3390/w12092392.

41. Kasimov N.S., Vlasov D.V., Kosheleva N.E. Enrichment of road dust particles and adjacent environments with metals and metalloids in eastern Moscow, Urban Climate, 2020, vol. 32, Article ID: 100638, DOI: 10.1016/j.uclim.2020.100638.

42. Liang S.-Y., Cui J.-L., Bi X.-Y. et al. Deciphering source contributions of trace metal contamination in urban soil, road dust, and foliar dust of Guangzhou, southern China, Sci. Total Environ., 2019, vol. 695:133596, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.133596.

43. Padoan E., Romè C., Ajmone-Marsan F. Bioaccessibility and size distribution of metals in road dust and roadside soils along a peri-urban transect, Science of the Total Environment, 2017, vol. 601–602, p. 89–98, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.05.180.

44. Popovicheva O., Chichaeva M., Kovach R. et al. Seasonal, weekly, and diurnal black carbon in Moscow megacity background under impact of urban and regional sources, Atmospher e, 2022, vol. 13, Article ID: 563, DOI: 10.3390/atmos13040563.

45. Popovicheva O., Diapouli E., Chichaeva M. et al. Aerosol characterization and peculiarities of source apportionment in Moscow, the largest and northernmost European megacity, Science of The Total Environment, 2024а, Article ID: 170315, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.170315.

46. Popovicheva O., Chichaeva M., Kovach R. et al. Impact of Wave COVID-19 Responses on Black Carbon Air Pollution in Moscow Megacity Background, Aerosol and Air Quality Research, 2024b, vol. 24, p. 230266–230266, DOI: 10.4209/aaqr.230266.

47. Rai P., Furger M., El Haddad I. et al. Real-time measurement and source apportionment of elements in Delhi’s atmosphere, Science of the Total Environment, 2020, vol. 742, Ar ticle ID: 140332, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140332.

48. Reimann C., Birke M., Demetriades A. et al. Chemistry of Europe’s agricultural soils, рart A, Methodology and interpretation of the GEMAS data set, Hannover, Schweizerbarth, 2014, 528 p.

49. Rudnick R.L., Gao S. Composition of the Continental Crust, Treatise on Geochemistry, Boca-Raton, Elsevier, 2014, p. 1–51, DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00301-6.

50. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: From air pollution to climate change, Third Edition, Hoboken, John Wiley & Sons, 2013, 1149 p.

51. Seleznev A.A., Yarmoshenko I.V., Malinovsky G.P. Urban geochemical changes and pollution with potentially harmful elements in seven Russian cities, Scientific Reports, 2020, vol. 10, no. 1, Article ID: 1668, DOI: 10.1038/s41598-020-58434-4.

52. Semerjian L., Okaiyeto K., Ojemaye M.O. et al. Global systematic mapping of road dust research from 1906 to 2020: Research gaps and future direction, Sustainability, 2021, vol. 13, Article ID: 11516, DOI: 10.3390/su132011516.

53. Serdyukova A.D., Vlasov D.V., Popovicheva O.B. et al. Elemental composition of atmospheric PM10 during COVID-19 lockdown and recovery periods in Moscow (April–July 2020), Environmental Geochemistry and Health, 2023, vol. 45, p. 7909–7931, DOI: 10.1007/s10653-023-01698-2.

54. Stein A.F., Draxler R.R., Rolph G.D. et al. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system, Bull. Amer. Meteor. Soc., 2015, vol. 96, p. 2059–2077.

55. Sutherland R. Bed sediment-associated trace metals in an urban stream, Oahu, Hawaii, Environmental Geology, 2000, vol. 39, p. 611–627, DOI: 10.1007/s002540050473.

56. Thurston G.D., Ito K., Lall R. A source apportionment of U.S. fine particulate matter air pollution, Atmos. Environ., 2011, vol. 45:3924–3936, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2011.04.070.

57. Tripathee L., Guo J., Kang S. et al. Measurement of mercury, other trace elements and major ions in wet deposition at Jomsom: The semi-arid mountain valley of the Central Himalaya, Atmospheric Research, 2020, vol. 234, Article ID: 104691, DOI: 10.1016/j.atmosres.2019.104691.

58. Uchiyama R., Okochi H., Katsumi N. et al. The impact of air pollutants on rainwater chemistry during “urban-induced heavy rainfall” in downtown Tokyo, Japan: Heavy rain formation and air pollutants, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2017, vol. 122, no. 12, p. 6502–6519, DOI: 10.1002/2017JD026803.

59. Viers J., Dupré B., Gaillardet J. Chemical composition of suspended sediments in World Rivers: New insights from a new database, Science of the Total Environment, 2009, vol. 407(2), p. 853–868, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2008.09.053.

60. Vlasov D., Kosheleva N., Kasimov N. Spatial distribution and sources of potentially toxic elements in road dust and its PM10 fraction of Moscow megacity, Science of the Total Environment, 2021b, vol. 761, Article ID: 143267, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143267.

61. Vlasov D.V., Kasimov N., Eremina I. et al. Partitioning and solubilities of metals and metalloids in spring rains in Moscow megacity, Atmospheric Pollution Research, 2021a, vol. 12(1), p. 255–271, DOI: 10.1016/j.apr.2020.09.012.

62. Vlasov D.V., Kasimov N., Eremina I. et al. Major ions and potentially toxic elements in atmospheric precipitation during the COVID-19 lockdown in Moscow megacity, Urban Climate, 2023a, vol. 48, Article ID: 101422, DOI: 10.1016/j.uclim.2023.101422.

63. Vlasov D.V., Vasil’chuk J., Kosheleva N. et al. Dissolved and suspended forms of metals and metalloids in snow cover of megacity: Partitioning and deposition rates in Western Moscow, Atmosphere, 2020, vol. 11, Article ID: 907, DOI: 10.3390/atmos11090907.

64. Vlasov D.V., Vasil’chuk J.Yu., Kosheleva N.E., Kasimov N.S. Contamination levels and source apportionment of potentially toxic elements in size-fractionated road dust of Moscow, Environmental Science and Pollution Research, 2023b, vol. 30, p. 38099–38120, DOI: 10.1007/s11356-022-24934-1.

65. Zappi A., Popovicheva O., Tositti L. et al. Factors influencing aerosol and precipitation ion chemistry in urban background of Moscow megacity, Atmospheric Environment, 2023, vol. 294, Article ID: 119458, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2022.119458.

66. Zeng J., Han G., Zhang S. et al. Potentially toxic elements in rainwater during extreme rainfall period in the megacity Beijing: Variations, sources, and reuse potential, Atmospheric Environment, 2024, vol. 318, Article ID: 120242, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2023.120242.

67. Zhang J., Li R., Zhang X. et al. Vehicular contribution of PAHs in size dependent road dust: A source apportionment by PCA-MLR, PMF, and UNMIX receptor models, Science of the Total Environment, 2019, vol. 649, p. 1314–1322, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.08.410.

68. Химический состав микрочастиц в окружающей среде Москвы. М.: Географический факультет МГУ, 2023. 300 с. URL: http://media.geogr.msu.ru/Digest_Moscow_electron.pdf (дата обращения 10. 08. 2024).

69. Воздушные и водные потоки поллютантов в Российской Арктике. М.: Географический факультет МГУ, 2024. 197 с. URL: https://www.geogr.msu.ru/news/izdan-elektronnyy-daydzhest-vozdushnye-i-vodnye-potoki-pollyutantov-v-rossiyskoy-arktike/ (дата обращения 20. 10. 2024).