Загрузить полный вариант статьи в формате PDF. (183 kбайт)

М.В. Фронтасьева

Сектор нейтронного активационного анализа, Научно-экспериментальный
отдел физики ядра, Лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка,
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
E-mail: Marina@nf.jinr.ru

ОБ УЧАСТИИ ОИЯИ В ЕВРОПЕЙСКОЙ ПРОГРАММЕ ОРГАНИЗАЦИИ ОБЪЕДИНЕННЫХ НАЦИЙ "АТМОСФЕРНЫЕ ВЫПАДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЕВРОПЕ - ОЦЕНКИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА МХОВ-БИОМОНИТОРОВ"

Аннотация

Одним из важнейших аспектов в решении задач охраны окружающей среды и здоровья человека является контроль качества атмосферного воздуха. К наиболее опасными загрязнителям окружающей среды относятся тяжелые металлы (ТМ). В большинстве европейских стран потребность в изучении последствий их воздействия на окружающую среду и здоровье человека привела к созданию национальных и международных программ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов. Данные об атмосферных выпадениях ТМ и других токсичных элементов собираются на основе анализа мхов-биомониторов, служащих аналогом аэрозольных фильтров. Под эгидой Комиссии ООН по трансграничному переносу атмосферных выпадений в Европе (UNECE ICP Vegetation) каждые 5 лет издается Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов. В докладе сообщается об вкладе интернационального коллектива Сектора нейтронного активационного анализа ЛНФ ОИЯИ в этот Атлас, начиная с 1995 года. Изучение атмосферных выпадений тяжелых металлов и других токсичных элементов в ряде стран участниц и неучастниц ОИЯИ (Болгария, Польша, Румыния, Словакия, Западная Украина, Македония, Северная Сербия и Босния), включая ограниченный район Центральной России (Тульская область, Север Московской и часть Тверской и Ярославской областей) позволило выявить и оценить ареалы этих загрязнений на исследованных территориях и провести сравнение с уровнями аналогичных загрязнений в странах Западной Европы. Несомненная ценность этих работ с точки зрения возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения должна способствовать широкому внедрению метода мхов-биомониторов в России.

Ключевые слова: Атмосферные загрязнения, Биомониторинг, Тяжелые металлы, Нейтронный активационный анализ, Атомная абсорбционная спектрометрия

Введение

Метод мхов-биомониторов, в сочетании с ядерно-физическими аналитическими методами анализа, регулярно используется в течение последних 25 лет в странах Западной Европы для изучения атмосферных выпадений ТМ, а за последние 10 лет он нашел распространение и в странах Восточной Европы. В ряде европейских стран потребность в изучении последствий воздействия тяжелых металлов на окружающую среду привела к созданию национальных и международных программ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов. В рамках международной программы "Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе - оценки на основе анализа мхов-биомониторов" [1] с периодичность в 5 лет под эгидой ООН издается Европейского Атласа атмосферных выпадений ТМ. Цель этой программы - качественно и количественно охарактеризовать распределение региональных атмосферных выпадений в Европе, выделить местоположение важных источников загрязнения ТМ и дать ретроспективную картину сравнения с такими же исследованиями, повторяющимися каждые 5 лет. Концентрации ТМ в мхах хорошо кореллируют с атмосферными выпадениями, а переход к абсолютным величинам содержаний ТМ в воздухе через калибровку по общему количеству осадков достаточно прост [2].
Организация Объединенных Наций создала специальную Экономическую Комиссию для Европы, которая призвана формировать научную политику стран, подписавших Конвенцию ООН в области изучения критических уровней озона и оценки атмосферных выпадений тяжелых металлов в Европе по методологии, основанной на одномоментном сборе и анализе мхов-биомониторов (Task Force Meeting of the UNECE ICP Vegetation). Информацию о деятельности этой Комиссии можно найти на сайте Интернета http://icpvegetation.ceh.ac.uk. В 1998 году 36 стран, в том числе и Россия, подписали Конвенцию ООН по контролю выбросов ТМ в атмосферу с помощью биомониторинга (Протокол Архуса). Ближайшей целью деятельности этой Комиссии является сбор информации по атмосферным загрязнениям тяжелым металлам в 2005 году в соответствии с Протоколом Архуса.
Начиная с 1995 года Сектор нейтронного активационного анализа ЛНФ ОИЯИ принимает участие в Европейской программе "Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе - оценки на основе анализа мхов" ("Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe - Estimations Based on Moss Analysis". Первым вкладом в Атлас 1995/1996 [3] года были результаты по Восточным Карпатам Румынии [4]. В 1999 году проект Сектора НАА (руководитель проекта М.В. Фронтасьева) "Исследование атмосферных выпадений тяжелых металлов в некоторых промышленных регионах России, Польши, Румынии, Чешской республики, Болгарии и Словакии с использованием метода мхов-биомониторов и ядерно-физических методов анализа и ГИС-технологий" был включен в проблемно-тематический план Объединенного института ядерных исследований и поддержан грантами Полномочных Представителей Польши [5], Болгарии [6], Чешской республики, Cловакии [7] и двумя грантами Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) - для проведения работ на Южном Урале [8] и Румынии [4, 9]. Силами Сектора НАА ЛНФ ОИЯИ были также проведены пилотные исследования в Центральной России (Тульская область [10], Тверская и Ярославская области [11] на Западной Украине [12], в северной Сербии и Боснии [13], а в 2002 года - в Македонии [14] совместно со специалистами этих стран.
С помошью НАА на импульсном реакторе ИБР-2 в Дубне было проанализировано более 2000 образцов и в конце 2002 года результаты были переданы в Комиссию ООН по трансграничному переносу атмосферных загрязнений в Европе для включения в Европейский Атлас Атмосферных выпадений 2000/2001 года [15].
Для очередного одновременного сбора мхов в 2005 году в дополнение к перечисленным странам Сектор НАА ЛНФ ОИЯИ планирует проведение работ на территории Беларуси, Грузии, Молдовы и Турции. Предварительные результаты по биомониторингу европейской части Турции (Thrage Region) представлены на Пятой Генеральной Конференции Балканского физического общества в 2003 году [16].
Аналогичные пилотные проекты были реализованы в Секторе НАА ЛНФ ОИЯИ совместно с учеными Китая [17,18] и Южной Кореи [19]. Еще две азиатских страны-участницы ОИЯИ - Монголия и Вьетнам - проявили интерес к сотрудничеству с Сектором НАА в Дубне.

Метод мхов-биомониторов

Мхи эффективно концентрируют большинство ТМ и др. микроэлементов из воздуха и осадков. Более того, они не имеют корневой системы и, следовательно, вклад других источников, кроме атмосферных выпадений, в большинстве случаев ограничен. Некоторые типы мхов (Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi, Hypnum copressiforme) распространены в широком интервале умеренных климатических зон, а их растущая часть такова, что годовой прирост может быть легко идентифицирован. Сбор образцов несложен, анализ мхов значительно проще, чем осадков, период экспозиции может быть точно определен - обычно для анализа берется трехлетний прирост мха.

Ядерно-физические методы анализа: НАА и ААС

Применение нейтронного активационного анализа (НАА) для исследования мхов-биомониторов позволяет определить до 45 элементов: Ag, Al, As, Au, Ba, Br, Ca, Ce, Cl, Co, Cr, Cs, Dy, Eu, Fe, Hf, Hg, I, In, K, La, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nd, Ni, Rb, Sb, Sc, Se, Sn, Sm, Sr, Ta, Tb, Th, Ti, V, U, W, Yb, Zn, Zr. Важные с экологической точки зрения элементы Cd, Cu, Hg, Pb определяются дополнительно, методом атомной абсорбционной спектрометрии (ААС). Определяемый набор элементов существенно превышает число элементов (отмечены жирным шрифтом), которые включаются в Европейский Атлас. Не все из вышеперечисленных элементов являются элементами- загрязнителями воздуха, они определяются многоэлементным анализом без существенных дополнительных затрат и могут быть использованы в качестве трейсеров трансграничного переноса воздушных масс.
НАА проводится на импульсном реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ в Дубне с использованием активации эпитепловыми нейтронами наряду с полным спектром нейтронов. Измерение наведенной гамма-активности проводится с помощью Ge(Li) детекторов с разрешением 2,5(3 кэВ для гамма-линии 1332 кэВ 60Со, а также HPGe детектора с разрешением 1,9 кэВ для гамма-линии 1332 кэВ 60Со. Для обработки гамма-спектров и расчета концентраций элементов используется пакет программ, разработанный в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка. Содержания элементов рассчитываются как относительным методом с использованием аттестованных эталонных материалов Lichen-336 (лишайник, МАГАТЭ), DK-1 (Датский мох), Pine Needles (иглы сосны, NIST), так и абсолютным методом с использованием ядерных констант.
AAС проводится в аналитической лаборатории Геологического института РАН с использованием спектрометра Перкина-Элмера (Perkin-Elmer) для определения Cd, Cu, Hg и Pb методом пламенной атомизацией.
Погрешность определения концентрации для большинства элементов лежит в пределах 5-10%, и лишь в некоторых случаях составляет 20-25%.
Аналитические особенности обоих методов описаны в цитируемых выше статьях [4-19].

Заключение

Существующие данные по концентрации тяжелых металлов во мхах от предыдущих одновременных сборов, а также от планируемого в 2005 году очередного сбора и анализа являются неоценимым источником информации для международных переговоров и оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Создание Комиссии ООН по изучению трансграничного переноса воздушных загрязнений явилось следствием озабоченности уровнем накопления тяжелых металлов в экосистемах и их воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Данные по одномоментному сбору мхов-биомониторов на больших территориях позволяютя оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) тяжелых металлов, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений. Для подобного анализа чрезвычайно важно, чтобы сбор образцов проводился по всей Европе. Большой вклад в эти исследования вносит сектор нейтронного активационного анализа ЛНФ ОИЯИ.
Несмотря на то, что Россия, наряду с другими 36 странами, подписала в 1998 году Конвенцию ООН по контролю выбросов ТМ в атмосферу (Протокол Архуса), исследования с помощью биомониторинга до сих пор не нашли должной финансовой поддержки в России. Реализация мониторинговых проектов на территории Европейской России позволит внести вклад России в общеевропейскую систему мониторинга в Европе и будет способствовать внедрению этой хорошо апробированной методологии для изучения ареалов загрязнений атмосферными выпадениями ТМ в России, особенно на территориях, подверженных сильному атропогенному воздействию. Независимо от Европейского Атласа, силами российских специалистов с привлечением современных ГИС технологий, (географических информацйионных систем), разработанных в России, может быть создан Атлас атмосферных выпадений ТМ и других токсичных элементов на территории Европейской России. Базовыми организациями для реализации этой задачи могли бы стать Объединенный институт ядерных исследований е и Международный университет "Природа, общество, человек" в Дубне.

Благодарности

Интернациональный коллектив Сектора НАА ЛНФ ОИЯИ выражает глубокую благодарность проф. Э.Стейннесу (Норвежский университет науки и технологии, Трондхейм), одному их основоположников теории и практики биомониторинга, эксперту МАГАТЭ, за постоянное внимание к работам Сектора НАА в этом направлении. Успехи Сектора были бы невозможны без поддержки этих работ Дирекцией ОИЯИ в рамках нового научного направления ОИЯИ - Науки о жизни.

Литература

[1] A. Ruhling. Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe - estimations based on moss analysis. Nordic Council of Ministers, Copenhagen, Nord, 1994:9.
[2] T. Berg and E. Steinnes. Use of mosses (Hylocomium splendens and Pleurozium schreberi) as biomonitors of heavy metal deposition: from relative to absolute deposition values. Environmental Pollution, Vol. 98, No. 1 (1997) p. 61-71.
[3] A. Ruhling and E. Steinnes Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe 1995-1996. NORD Environment, NORD 1998:15 (1998).
[4] А. Lucaciu, M.V Frontasyeva, E. Steinnes, Ye.N. Cheremisina, C. Oprea, T.B. Progulova, S. Spiridon, L. Staicu, L. Timofte, Atmospheric Deposition of Heavy Metals in Romania Studied by the Moss Biomonitoring Technique Employing Nuclear and Related Analytical Techniques and GIS Technology, J. Radioanal. Nucl. Chem., Vol. 240, No. 2, 457-458, 1999.
[5] K. Grodzinska, M. Frontasyeva, G. Szarek-Lukaszewska, M. Klich, A. Kucharska-Fabis, T. Ostrovnaya, S.F. Gundorina. Trace element contamination in undustrial regions of Poland studied by moss monitoring. Environmental Monitoring and Assessment. Vol. 87, No. 3, 255-270, 2003.
[6] J. Stamenov, M. Iovchev, B. Vachev, E. Gueleva, L. Yurukova, A. Ganeva, M. Mitrikov, A. Antonov, A. Strentz, Z. Varbanov, I. Batov, K. Damov, E. Marinova, M.V. Frontasyeva, S.S. Pavlov, L.P. Strelkova. New results from air pollution studies in Bulgaria (Moss Survey 2000-2001). Preprint JINR, E14-2002-204, Dubna, 2002 (Submitted to International Journal "Balkan Ecology").
[7] M.Florek, M.V. Frontasyeva, B.Mankovska, K. Oprea, S.S.Pavlov, E. Steinnes, I. Sykora. Air pollution with heavy metals and radionuclides in Slovakia studies by the moss biomonitoring technique. JINR preprint, E3-2001-155, Dubna, 2001. Proceedings of the 9the Int. Seminar on Interaction of Neutrons with Nucleai (ISINN-9), May 23-26, 2001, Dubna, Russia.
[8] M.V.Frontasyeva, E.Steinnes, S.M.Lyapunov, V.D.Cherchintsev, I.L.Smirnov, Biomonitoring of Heavy Metal Deposition in the South Ural Region: Some preliminary results obtained by nuclear and related techniques, J. Radioanal. Nucl. Chem., v. 245, No.2, 415-420, 2000.
[9] O.A.Culicov, M.V.Frontasyeva, E. Steinnes, O.S. Okina, Zs. Santa, R. Todoran. Atmospheric deposition of heavy metals around the lead and copper-zinc smelters in Baia Mare, Romania, studied by the moss biomonitoring technique, neutron activation analysis and flame atomic absorption spectrometry. J. Radioanal. Nucl. Chem., Vol. 254, No. 1 (2002) 109-115.
[10] E.V.Ermakova, M.V. Frontasyeva, E. Steinnes. Investigation of atmospheric deposition of heavy metals and other elements in the terrototy of Tula Region by means of moss biomonitors. JINR Preprint, P-14-2002-15, 2002, Dubna (submitted to the Russian Journal of Ecology, Yekaterinburg) (in Russian).
[11] E.V. Ermakova, M.V. Frontasyeva, S.S.Pavlov, E.A. Povtoreiko, E. Steinnes. Air pollution studies in Central Russia Using the moss biomonitoring technique and Neutron Activation Analysis. Proceedings of BioMAP-3, 21-25 September, 2003, Bled, Slovenia (in press).
[12] O.Blum, O.A.Culicov, M.V.Frontasyeva. Heavy meatal deposition in Ukrainian Carpathians (Zakarpattia and Chernivtsi regions): regional biomonitoring, Proceedings of the EuroBionet 2002, 2-6 November 2002, Stuttgart.
[13] M.V Frontasyeva., T.Ye. Galinskaya, M. Krmar, M. Matavuly, S.S. Pavlov, D. Radnovich, E. Steinnes. Atmospheric deposition of heavy metals in Serbia studies by moss biomonitoring, neutron activation analysis and GIS technology. Preprint JINR, E18-2002-144, Dubna, 2002 (Submitted to Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry).
[14] L. Barandovski, M. Cekova, V. Urumov, M.V. Frontasyeva, S.S. Pavlov, A.S. Sazonov, E.A. Povtoreiko. Air pollution studies in R.Macedonia using moss biomonitoring technique, neutron activation analysis and GIS technology (Poster at UNECE ICP Meeting, 27-30 January, 2003, Slovenia), JINR Preprint, 200 3 (in press).
[15] Heavy Metals in European mosses: 2000/2001 survey, UNECE ICP Vegetation. Editors: A.Buse, D. Norris, H. Harmens, P. Buker, T. Ashenden and G. Mills. Centre for Ecology&Hydrology, Universoty of Walse Bangor, United Kingdom, March 2003, pp.45.
[16] Mahmut Coskun, M.V. Frontasyeva, E. Steinnes, S.S. Pavlov, A.S. Sazonov, A.Y. Cotuk, Munevver Coskun, A. Cay?r. Air pollution study in the Thrace Region, Turkeyr. Book of Abstracts, Fifth General Conference of the Balkan Physical Union, BPU-5 (25-29 August, 2003, Vrnjacka banja, Serbia and Montenegro).
[17] J. Shao, Z. Zhang, Z. Chai, X. Mao, Y. Lu, O. Stan, M.V. Frontasyeva, P. Wu. Study of concentration of heavy metals deposited from atmosphere by mosses. Journal of Nuclear and Radiochemistry, Vol. 24, No. 1, 2002, p. 6-11 (in Chinese).
[18] Z. Zhang, O. Stan. Study of epiphytic mosses using as biomonitors of heavy metal atmospheric deposition by INAA. Workshop of 4th National Instrumental Analysis and Sample Preparation, May 19-25, Chengdu, Sichuan Province, P. R. China, 2000; Modern Instruments Application & Maintenace, No. 2, May 2000, p. 25-31.
[19] Y.S. Kang, K.Guinyun, M.V. Frontasyeva, S.S.Pavlov. Biomonitoring in South Korea using moss, lichens and tree bark. In Proceedings, Workshop on Nuclear Data Production and Evaluation. , August 25-25, 2001, Pohang, Korea, p.35.

3