Изучение качества воздуха в городских лесных массивах необходимо, поскольку эти территории служат не только частью экосистемы города, но и местом отдыха горожан. Ученые РХТУ вместе с сотрудниками кафедры лесоводства, экологии и защиты леса МГТУ имени Н. Э. Баумана и Базовой кафедрой РХТУ имени Д. И. Менделеева в ИГЕМ РАН предложили недорогой и достаточно точный метод оценки присутствия вредных примесей в атмосфере — для этого используются пробоотборники с сорбентом из фильтровальной бумаги, пропитанной различными реагентами, на которую осаждаются соответствующие примеси. Пробоотборники можно размещать в любых точках леса, они не требуют постоянного наблюдения и создания стационарных пунктов мониторинга. Методику уже опробовали на территории природного заповедника «Долина реки Сетунь» в западной части Москвы.
В РХТУ предложили простой способ оценки качества воздуха в городских лесных массивах / ©Getty images
Результаты испытаний приведены в журнале Pure and Apllied Chemistry. В лесном воздухе, помимо естественных примесей, могут присутствовать вещества антропогенного происхождения. Самые распространенные из них – соединения серы и азота. Количество оксидов азота в атмосфере резко увеличилось в последние десятилетия. Существенный вклад вносит сжигание ископаемого топлива, в том числе при работе транспорта, который является основным источником загрязнения воздуха в больших городах.
Избыток «техногенного азота», поступающий в экосистемы, инициирует перестройки в видовом разнообразии растений (начинают доминировать виды, растущие на богатых азотом почвах) и снижает устойчивость древесных растений к болезням. Особо чувствительны хвойные породы деревьев, которые из-за перенасыщения почвы азотом гибнут и постепенно уступают свои позиции лиственным породам.
Больше всего примесей в лесном воздухе наблюдается на границах с урбанизированными территориями и транспортными магистралями. В глубине насаждений концентрации снижаются, но это снижение может быть незначительным. Более того: если биофильтрующая способность леса недостаточна по каким-то причинам, то при определенных метеоусловиях, например, в штиль, примеси будут накапливаться на отдельных участках внутри лесного массива. Подобные очаги часто формируются в природных массивах внутри городов. Это может создавать опасность для человека, ведь лесные зоны часто используются горожанами как рекреационные.
«Выявлять такие участки необходимо, но организовать в городском лесном массиве пункт стационарного мониторинга непросто и дорого, а в некоторых случаях запрещено — если лесные участки входят в состав особо охраняемых территорий. Поэтому мы предложили оценивать состояние воздуха с помощью мобильных пробоотборников, сделанных из доступных материалов: примеси будут улавливаться за счет сухого осаждения на поверхности сорбента, в качестве которого используется фильтровальная бумага, пропитанная соответствующим раствором», – говорит Владимир Кузнецов, профессор кафедры ЮНЕСКО «Зелёная химия для устойчивого развития» РХТУ имени Д. И. Менделеева.
Загрязняющие вещества и примеси могут выводиться из воздуха при контакте с поверхностью, даже если нет атмосферных осадков. Этот процесс называется сухим осаждением и его скорость зависит от химических свойств соединений. Над любой подстилающей поверхностью — например, над бумажным фильтром — образуется тонкий слой неподвижного воздуха. В этом слое молекулы примесей из атмосферы перемещаются в процессе молекулярной диффузии и взаимодействуют с молекулами веществ на поверхности и, вступая с ними в химическую реакцию, выводятся (адсорбируются) из воздуха.
Это свойство и предложили использовать ученые из РХТУ вместе с коллегами. В качестве подстилающей поверхности — сорбента используется фильтровальная бумага, пропитанная химическим раствором. Состав раствора зависит от того, какие примеси необходимо поймать из воздуха. Молекулы серы, азота, фтора и хлора хорошо связываются с раствором на основе гидроксида натрия, а соединения аммиака, щелочноземельные и тяжелые металлы — с растворами серной кислоты. В качестве пробоотборника можно использовать самые простые емкости, например, полиэтиленовые крышки от стеклянных банок или донышки от молочных пакетов, внутрь которых и прикрепляют сорбент.
Собирать данные можно в любое время года. Пробоотборники развешиваются на деревьях сорбентом вниз. Выбор точек размещения производится обычно на месте. Спустя установленное время — от нескольких суток до нескольких недель — пробоотборники собирают и доставляют в лабораторию. После промывки фильтра водой примеси переходят в раствор. И выяснив концентрацию примеси в растворе и соответственно массу вещества, которое удалось собрать, можно определить средний уровень загрязнения воздуха в период экспозиции в данной контрольной точке. «Чтобы определить среднюю за период экспозиции концентрацию примеси в каждой контрольной точке, мы делаем контрольные замеры на стационарном пункте мониторинга», – говорит Владимир Кузнецов.
Исследователи из РХТУ провели эксперимент в ельнике Кунцевской дачи – лесного массива в западной части Москвы. Это часть природного заповедника «Долина реки Сетунь» – городская особо охраняемая природная территория., Пробоотборники равномерной сетью разместили в границах участка, наиболее близко расположенного к центру города, практически полностью окруженного автомагистралями и улицами с интенсивным движением транспорта. В этой зоне преобладают хвойные породы, наиболее чувствительные к атмосферному загрязнению. В лесном массиве ученые выбрали 35 точек и установили на высоте 1,5–2 метров пробоотборники. Спустя 20 дней их сняли и оценили уровень загрязненности воздуха диоксидом азота.
Исследователи заметили, что вещество по территории городского леса распределяется неравномерно. В среднем, концентрация NO2 уменьшалась по мере удаления от границ внутрь лесной зоны: это говорит о том, что лесная экосистема выполняет свои функции по стабилизации состава воздуха. Однако, это уменьшение было незначительным, а в некоторых местах показатели, наоборот, росли. Например, на расстоянии до 10 метров от края леса концентрация диоксида азота составляла около 90 мкг/м3, что превышает среднесуточную предельно допустимую концентрацию. По мере удаления от границы показатели снизились до 71 мкг/м3, однако после 50 метров вглубь лесного массива вновь выросли почти до 90.
«Мы визуализировали распределение примесей с помощью геоинформационных систем и увидели, что наибольшие концентрации NO2 сосредоточены в местах, где биогеоценоз леса достаточно сильно изменен из-за деятельности человека», — рассказал Владимир Кузнецов.
Качество атмосферного воздуха определяет экологическую безопасность и риски для здоровья человека. В городах можно проводить наблюдение за уровнем загрязнения атмосферного воздуха с помощью стационарных постов наблюдения. Однако они не решают всех задач: характер движения воздушных потоков и рассеивания примесей по территории постоянно меняется.
Данные, полученные на постах наблюдения, чаще всего имеют сугубо локальный характер. В то же время загрязняющие вещества распространяются неравномерно из-за своих аэродинамических характеристик и диффузных моделей рассеяния: их количественное соотношение по мере удаления от источника выброса изменяется неравномерно. Поэтому изучение фонового загрязнения в различных точках необходимо.
«Мы предложили способ, который позволит с помощью доступных средств создать крупномасштабную схему загрязнения воздуха на участках, где нет постоянных постов наблюдения. В дальнейшем планируем развивать и совершенствовать эту методику», —резюмирует Владимир Кузнецов.
