Об участии ОИЯИ в Европейской программе Организации объединенных наций «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе – оценки на основе анализа мхов-биомониторов» рассказывает Марина Фронтасьева, Координатор Программы ООН по воздуху Европы, советник при дирекции Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка. Помимо очевидной научной ценности примечателен также и образовательный аспект этого направления, по которому выполнено большое число бакалаврских и магистерских работ, защищено несколько кандидатских диссертаций. Так в 2020 году свои диссертации защитили молодые ученые Кристина Бетсоу (Греция) и Владислав Свозилик (Чехия, ЛИТ ОИЯИ).

В ноябре 2020 года вышел в свет Отчет Координационного центра Международной программы ООН о состоянии воздушных загрязнений в Европе и частично в Азии на основе анализа мхов-биомониторов для определения тяжелых металлов, азота и стойких органических загрязнений (СОЗ).

M. Frontasyeva, H. Harmens, A. Uzhinskiy, O. Chaligava and participants of the moss survey (2020). Mosses as biomonitors of air pollution: 2015/2016 survey on heavy metals, nitrogen and POPs in Europe and beyond. Report of the ICP Vegetation Moss Survey Coordination Centre, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation, 136 pp. ISBN 978-5-9530-0508-1.

Прочесть отчет в формате .PDF

Издательский отдел ОИЯИ в прекрасном исполнении опубликовал итоги труда 36 стран, среди которых 14 стран-участниц ОИЯИ: Азербайджан, Армения, Беларусь, Болгария, Вьетнам, Грузия, Казахстан, Молдова, Монголия, Польша, РФ, Румыния, Словакия, Украина и Чехия. Благодаря содружеству двух лабораторий ОИЯИ — нейтронной физики и информационных технологий — на облачной платформе ОИЯИ была создана Система управления данными (Data Managemen System), в которой впервые за всю историю существования Программы ООН по воздуху Европы была реализована идея сбора информации, загружаемой непосредственными участниками Программы в эту Систему, для оценки качества атмосферного воздуха.

Так выглядит карта пробоотбора в Европе в 2015-2016 гг. В общей сложности в базу данных была занесена информация по 5156 образцам мхов-биомониторов, которые служат аналогами воздушных фильтров и содержат данные о загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.

Карта европейского пробоотбора мхов-биомониторов в 2015-2016 гг.

Несомненная ценность этих работ состоит в возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения.

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. Такой подход позволяет выявить и оценить ареалы этих загрязнений на исследованных территориях и провести сравнение с уровнями аналогичных загрязнений в странах Европы, а с 2010 года и в ряде стран Азии. Несомненная ценность этих работ состоит в возможности использования полученных данных для оценки риска воздействия воздушных загрязнений тяжелыми металлами на здоровье населения.

В пробоотборе 2015-2016 гг приняли участие следующие страны:

Примечание: все страны представили данные по тяжелым металлам; N и СОЗ: страны, которые также представленные данные по азоту и СОЗ, соответственно.

Метод мхов-биомониторов, в сочетании с ядерно-физическими и химическими аналитическими методами анализа, регулярно используется в течение последних 30 лет в странах Западной Европы для изучения атмосферных выпадений ТМ, а за последние 15 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» с периодичностью 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, а теперь и в Азии, выделить местоположение важных источников загрязнения ТМ и дать ретроспективную картину сравнения с такими же исследованиями, повторяющимися каждые 5 лет. Концентрации ТМ в мхах хорошо коррелируют с атмосферными выпадениями, а переход к абсолютным величинам содержаний ТМ в воздухе через калибровку по общему количеству осадков достаточно прост.

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 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).

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 позволяют оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) тяжелых металлов, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений.

Совещание участников Программы ООН по воздуху Европы в Дубне в 2016 году. Справа налево: Председатель Комиссии ООН по воздуху Европы Х. Харменс, Координатор Программы М.В. Фронтасьева, Директор ОИЯИ В.А. Матвеев, Директор ЛНФ В.Н. Швецов

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 года были результаты по Восточным Карпатам Румынии. В 1999 году проект Сектора НАА и прикладных исследований (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, Болгарии, Чешской республики, Словакии двумя грантами Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) – для проведения работ на Южном Урале и в Румынии. Силами Сектора были также проведены пилотные исследования в Центральной России (Тульская, Тверская и Ярославская области, на Западной Украине, в северной Сербии, а с 2005 года — в Северной Македонии, и Хорватии и Албания совместно со специалистами этих стран. С 2015 года в данной программе участвует и Канада.

Участники Программы по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелы металлов вместе со специалистами по воздействия озона на растительность ежегодно проводят совещания, на которых рассматриваются текущие вопросы и обсуждаются планы работ. Такие совещания Комиссии ООН дважды проводились на базе ОИЯИ: в 2007 и 2016 гг.

Страны-участницы ОИЯИ — Армения, Азербайджан, Грузия, Молдавия и Казахстан — присоединились к программе UNECE ICP Vegetation 2015/2016 http://icpvegetation.ceh.ac.uk/

Для одновременного сбора мхов в 2015-2016 гг в дополнение к перечисленным странам СНААПИ провел анализ образцов мхов-биомониторов, собранных на территории Азербайджана, Армении, Беларуси, Грузии, Молдовы, Греции и Турции. Еще две азиатских страны-участницы ОИЯИ – Монголия и Вьетнам – также участвуют в этой программе ООН в сотрудничестве с Сектором НАА и прикладных исследований в Дубне. В 2005 году аналогичные пилотные проекты были реализованы в СНААПИ совместно с учеными Китая и Южной Кореи. Можно рассчитывать, что эти страны в дальнейшем примкнут к участию в данной программе ООН.

ОИЯИ во много способствует популяризации Программы ООН на миром уровне. Так в 2018 году В Дубне с большим успехом прошла Международная конференция BioMAP-8, в которой приняли участие ведущие специалисты  в области охраны окружающей среды Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки.

Вклад ОИЯИ в реализацию Программы ООН по воздуху Европы был высоко оценен Секретариатом ООН, и в 2014 году координация Программой по биомониторингу перешла из Великобритании в Россию, в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.

BioMAP-2018 в Дубне

Вклад ОИЯИ в реализацию Программы ООН по воздуху Европы был высоко оценен Секретариатом ООН, и в 2014 году координация Программой по биомониторингу перешла из Великобритании в Россию, в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне.

Выбор мхов для оценка атмосферных выпадений ТМ и других микроэлементов определяется тем, что мхи эффективно концентрируют загрязняющие вещества 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. Анализ мхов может проводиться различными аналитическими методами, в частности, методы масс-спектрометрии со связанной плазмой (ИСП-МС/OEC), атомная абсорбционная спектрометрия (ААС).

В ОИЯИ для анализа используют метод нейтронно-активационного анализа (НАА), который позволяет определять 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.

Существующие данные по концентрации тяжелых металлов во мхах от предыдущих одновременных сборов, а также сбора в 2020-2021-2022 (продление пробоотбора на три года связано с пандемией COVID-19, поскольку не все страны смоги приступить к пробоотбору летом 2020 года) 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 позволяют оценивать как пространственные, так и временные тренды (концентрации) тяжелых металлов, а также идентифицировать области с высоким уровнем атмосферных в результате трансграничного переноса воздушных загрязнений. Как видно из проведенных исследований, страны Восточной Европы, Кавказского региона и России показывает высокие концентрации загрязняющих веществ, поэтому контроль за их уровнем является необходимой частью экологического мониторинга в этих странах.

Ниже приведены примеры карт-распределений некоторых металлов из последнего Отчета 2015-2016 гг.

Все карты распределений по 13 элементам: алюминий, сурьма, мышьяк, кадмий, хром, медь, железо, свинец, ртуть, никель, ванадий, цинк, а также азот, можно найти в Отчете, скачав его по приведенной ссылке. Там же содержится информация о Стойких органических загрязнениях (СОЗ).

• Концентрация мышьяка
  во мхах, 2015/16
• Концентрация кадмия во мхах, 2015
• Концентрация хрома во мхах, 2015/16

В перспективе планируется изучение распределений радиоактивных элементов с помощью гамма- и альфа спектрометрии. С помощью мхов-биомониторов возможно изучение космической пыли, что было показано в совместных исследованиях СНААПИ ЛНФ и филиала Института геофизики Земли в г. Борок Ярославской области с привлечением метода электронной микроскопии.

Так выглядят частицы космической пыли в образцах мхов:

Северные предгорья Большого Кавказа

Космическая пыль — магнетитная микросфера в Кисловодском мхе

Кроме научно-практической значимости проводимых работ, следует отметить и образовательный аспект работ по биомониторингу атмосферных выпадений тяжелых металлов, стойких органических загрязнителей и азота. На базе работ, проводимых в СНААПИ, выполнено большое число бакалаврских и магистерских работ, защищено несколько кандидатских диссертаций, в частности, 17 мая 2020 года в университете Аристотеля в Тессалониках защитила диссертацию Кристина Бетсоу на материале анализа мхов–биомониторов в Дубне. Из-за коронавируса защита проходила в режиме конференции по связи через интернет. Диссертация Кристины включала в себя как многоэлементный анализ мхов Греции на реактора ИБР-2, так и гамма-спектрометрию радионуклидов в Университете Аристотеля у себя дома.

Защита диссертации Кристины Бетсоу (Греция)

Защита диссертации Владислава Свозилика по теме «Verification of Mathematical Air Pollution Modelling by ADmoSS Model Using UAS Measurement and Biomonitoring » проходила в Университете в Остраве, в Чехии, в масочном режиме. Его работа носила междисциплинарный характер, она включала экспериментальный материал, полученный в СНААПИ ЛНФ, а также моделирование воздушных загрязнений с помощью программного обеспечения, которое Владислав развивал в ЛИТ ОИЯИ.

Владислав Свозилик (Чехия)

Обе диссертации были успешно защищены. Члены Комиссий по защите диссертаций отмечали высокий уровень работ, выполненных в ОИЯИ.

М. В. Фронтасьева,
Координатор Программы ООН по воздуху Европы (одномоментные сборы мхов-биомониторов)