Растения вырабатывают изопрен, который в условиях городской среды способен превращаться в формальдегид. Обычные приборы определения формальдегида в воздухе не работают с такими низкими концентрациями. Ученые из Южно-Уральского государственного университета разработали прибор, который позволяет улавливать низкие концентрации формальдегида и тропосферного озона.
Челябинские ученые научились улавливать канцерогены от взаимодействия выхлопных газов и «дыхания» растений / ©Getty images
Что загрязняет наши города? Конечно, пыль и газообразные выбросы промышленных предприятий. Однако многие не подозревают, что воздух в крупных городах загрязнен канцерогенами – формальдегидом и тропосферным озоном. Токсичные компоненты часто могут появляться в воздухе в результате химических реакций, начинающихся с «невинных» веществ, выделяемых зелеными растениями.
«Городская растительность может выделять органические вещества – изопрен, терпены, которые вступая во взаимодействие с выбросами автотранспорта и другими токсикантами, приводят к образованию в воздухе опасного тропосферного озона и канцерогенного формальдегида, – говорит старший научный сотрудник ЮУрГУ Татьяна Крупнова. – В некоторых городах, например, в Сеуле или в китайских мегаполисах до 30-40 процентов формальдегида в воздухе образуется именно из изопрена, вырабатываемого городскими растениями».
Ничего удивительного. Изопрен – углеводород C5H8. Формальдегид – СН2О. Одно вещество из другого получается окислением. Проблема в том, что наличие «коварных» токсикантов в воздухе в низких концентрациях, не так просто определить. Например, для определения металлов в пыли нужен масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой, для органических веществ – хроматографы. Это сложные и дорогие приборы. Формальдегид состоит из атома углерода, кислорода и двух атомов водорода, а озон – и вовсе трехатомная молекула кислорода. Нужен надежный газоанализатор!
Конечно, газоанализаторы высоких концентраций формальдегида – до 10 миллиграммов на кубометр известны, но их недостаточно, ведь допустимая среднесуточная концентрация формальдегида всего 0,01 миллиграммов на метр кубический воздуха.
В ЮУрГУ на базе передвижной лаборатории, приобретенной в рамках программы «Приоритет 2030» разрабатывается методика идентификации источников формальдегида и тропосферного озона в крупных городах. В распоряжении ученых – высокоточное хроматографическое оборудование. Новая техника поможет заменить приборы, разработанные в Финляндии и США.
«Сейчас мы начали работу над созданием системы прогностического мониторинга, которая позволяет идентифицировать источники формальдегида, – рассказывает Татьяна Крупнова. – Мы разработали и запатентовали импортозамещающий анализатор низких концентраций (до 0,01 миллиграмов на кубометр) этого токсиканта.
Когда работа будет закончена, мы сможем, приехав в любой город, определить источники загрязнения и дать рекомендации по улучшению качества воздуха. Для кого-то вторичные загрязнители – тропосферный озон и формальдегид – окажутся сюрпризом, ведь они не выбрасываются непосредственно предприятиями и транспортом, а образуются в ходе химических реакций».
Прибор, запатентованный Татьяной Крупновой и ее коллегами, закачивает насосом пробы воздуха, в которых может содержаться формальдегид. Затем проводится реакция Ганча. Для приготовления реактивов постоянно необходима холодная среда, а сама реакция проходит при температуре 68 градусов Цельсия. Поэтому внутри прибора присутствуют и «холодильник», и реактивная камера со змеевиком – и в обоих случаях датчики постоянно контролируют температуру.
В результате реакции из формальдегида получается люминесцирующее вещество, его и умеет определять прибор. Продукт реакции стекает через проточную кювету, подсвеченную светодиодом. Раствор при этом проявляет сильную люминесценцию (испускает свет определенной длины волны), по интенсивности которой и можно определить концентрацию формальдегида.
Очень важно, что исследования таким способом можно вести непрерывно, что позволяет увидеть общую картину, а не просто зафиксировать несколько дискретных измерений.
В арсенале ученых ЮУрГУ уже есть методики определения пылевого загрязнения, так что исследования можно проводить комплексно. «Есть возможность определять наличие частиц PM10 и PM2.5, которые также могут быть невыхлопными, образующимися в результате истирания шин и дорожного полотна, а также поднятия в воздух дорожной и прибордюрной пыли, которой может быть много в городе, если дорожные службы не проводят качественную уборку, – говорит Татьяна Крупнова. – Для определения источников PM10 и PM2.5, нам на помощь приходит метод изотопного анализа металлов, входящих в их состав, который мы также сейчас разрабатываем применительно к пыли города Челябинска». Работа поддержана грантом фонда РНФ Челябинской области.
Остап Давыдов
