В Республике Казахстан, а именно на территориях Каркаралинского национального парка и села Акжарык Карагандинской области, учеными Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ впервые были проведены исследования по выявлению антропогенных и геогенных загрязнений воздуха. Ученые проанализировали собранные на местности образцы листостебельного зеленого мха и обнаружили в общей сложности 39 элементов. Исследование проводилось в рамках Международной кооперативной программы по растительности ICP Vegetation на базе ЛНФ ОИЯИ. Статья об исследовании опубликована в журнале «Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry».

Карагандинская область является крупнейшим промышленным регионом Казахстана — страны-участницы ОИЯИ. На территории площадью свыше 239 тыс. кв. км расположены ключевые для экономики страны предприятия металлургии, горнодобывающей, обрабатывающей и химической промышленности. Здесь находятся уникальные месторождения угля, редких металлов, ферромарганца, барит-полиметаллических и медных руд. Освоение большинства из них началось в середине прошлого века, благодаря чему в настоящее время в регионе сформировался столь значимый для государства промышленный комплекс.

Рисунок 1. Карта выборки для Карагандинской области

Село Акжарык в Актогайском районе как одна из двух локаций, в которых проводился сбор образцов, характеризуется географической приближенностью к центрам промышленной активности. С другой стороны, Каркаралинский государственный национальный природный парк находится в особо охраняемой природной зоне, в значительно отличающихся природных условиях. Растительный материал, собранный в областях с различными уровнями антропогенного загрязнения, становится показательным биомонитором атмосферных выпадений тяжелых металлов для ученых, которым предстоит заняться лабораторными исследованиями.

С начала 1990-х годов моховидные растения используются для оценки атмосферных выпадений тяжелых металлов. Поскольку у мхов нет развитой корневой системы, атмосферные выпадения становятся минеральным питанием для данных растений. Поэтому бриофиты (мхи) принято считать природными биоиндикаторами загрязнений воздушной среды. Также значительное преимущество мхов перед «традиционными» мониторинговыми станциями, построенными в городах и захватывающими узкое число показателей, — это их широкий ареал произрастания, соответственно, они позволяют проводить «малозатратный» биомониторинг на больших территориях и обладают высокой накопительной способностью.

Основными методами исследования состава образцов мхов стали нейтронно-активационный анализ (НАА) на установке РЕГАТА реактора ИБР-2 и атомно-абсорбционная спектрометрия. Нейтронно-активационный анализ — это многоэлементный метод химического анализа, позволяющий определить до 55 элементов в образцах, от Na до U. Метод НАА позволяет их определять в очень широком диапазоне концентраций (например, есть макроэлементы: Na, K, Ca — определяются в высоких концентрациях; есть следовые элементы: U, Th). «Но у нейтронно-активационного анализа есть ряд проблемных элементов, таких как Cd, Pb и Cu», — рассказала Инга Зиньковская, начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ. Так как эти элементы важны для анализа экологической обстановки, и они являются загрязнителями, то используется дополнительный метод анализа — атомная абсорбционная спектрометрия. «Данный метод основан на резонансном поглощении света свободными атомами при прохождении его через атомный пар исследуемого образца. Поглощение квантов света приводит к возбуждению атомов, резонансный спектр которых индивидуален для каждого элемента», — пояснила она.

Коллектив ученых ЛНФ ОИЯИ, слева направо: Марина Фронтасьева, Инга Зиньковская, Никита Юшин, Александра Пешкова и Дмитрий Гроздов

Для интерпретации данных элементного анализа был использован факторный анализ, задача которого, будучи статистическим методом, — программно сгруппировать элементы по принципу происхождения, т. е. найти источники загрязнения или выбросов, которые были бы общими для данной группы элементов, и объяснить причину их совместного возникновения.

В статье выделяются четыре группы элементов. К первой группе относятся геогенные элементы, такие как Sc, Al, Fe, появившиеся в результате эрозии почв, и элементы промышленного происхождения — Ni, Cr, W, U. Геогенная/антропогенная ассоциация этих элементов составляет 25 % от общей дисперсии. Во вторую группу входят Al, Sc, Th, имеющие геогенное происхождение, а также антропогенные элементы Fe, Co и Cr, источниками которых являются предприятия по добыче угля и металлические руды. Они имеют 24 %. Третья группа — Ca, Ni, Br, Zn и U, образованные в основном в результате добычи полезных ископаемых и сжигании топлива. Занимают 19 % от общей дисперсии. В последней группе оказались As, источником которого могут быть выбросы металлургических предприятий, тепловых электростанций, автомобилей, а также Mn и Sb, образованные в результате производства стали и сплавов.

Рисунок 2. Содержание Cr, Ni, Cu, Fe, Pb, Sb, Zn и V во мхах, собранных в Карагандинской области (в мг/кг)

Таким образом, после подсчетов значений индекса нагрузки загрязнений и индекса потенциального экологического риска учеными был сделан закономерный вывод: несмотря на столь широкий спектр определенных потенциально токсичных химических элементов и выявление районов с умеренной степенью загрязнения (село Акжарык и близ города Каркаралинск), риск здоровью людей, проживающих на этих территориях, остается на минимальном уровне. Подробные результаты представлены в статье «Mosses as bioindicators of air pollution with potentially toxic elements in area with different level of anthropogenic load in Karaganda region, Kazakhstan» («Мхи как биоиндикаторы загрязнения воздуха потенциально токсичными элементами на территориях с разным уровнем антропогенной нагрузки в Карагандинской области, республика Казахстан»). Над исследованием работала группа ученых: Махаббат Нуркасимова, Нурия Омарова, Инга Зиньковская, Омари Чалигава, Никита Юшин. Статья опубликована в журнале «Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry».

По словам Инги Зиньковской, в будущем на урбанизированных территориях планируется провести активный биомониторинг с применением техники «мох в мешочках» для фиксирования накопления загрязнителей. Полученные данные планируется сравнивать с эпидемиологическими показателями по заболеваемости населения.