В «Сириусе» измерили уровень загрязнения Антарктиды, Африки и Подмосковья
Наночастицы (вещества в виде частиц размером примерно в 1000 раз меньше живой клетки) окончательно перешли из области фантастики и далекого будущего в наше настоящее, а тяжелые металлы уже давно находят в пище, которую мы ежедневно употребляем. Вредны ли наночастицы, есть ли полезные для организма тяжелые металлы? Ответы на эти вопросы получили лицеисты «Сириуса». А вместе с ними и «С(Ж».
С учениками 7–11-х профильных химико-биологических классов встретилась начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики им И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Инга Зиньковская. Такие лекции, считают в «Сириусе», помогают ребятам определиться, интересна ли им экология как профессия.
Следить за чистотой
В Объединенном институте ядерных исследований в подмосковной Дубне, где работает Инга Зиньковская, определяют уровень загрязнения тяжелыми металлами воды, воздуха и почвы в разных точках мира. Это позволяет оценить экологическую ситуацию на конкретной территории: определить вредные источники и оценить масштаб проблемы.
«Мы пока находимся в постоянном загрязнении, несмотря на то что экологи бьют тревогу, ситуация во многих регионах вообще критическая. Самое страшное, что нас может ждать, это ядерные взрывы, когда произойдет загрязнение радионуклидами. Надеюсь, что мы к этому не придем. Сейчас идет активное развитие промышленности, что приводит к загрязнению объектов окружающей среды. Вне промышленных зон основными источниками загрязнения являются транспорт и энергетический сектор, где уголь используется в качестве топлива», — описывает общую ситуацию Инга Зиньковская.
Что такое тяжелые металлы?
Тяжелые металлы в числе самых опасных видов загрязнителей, но с ними есть определенная путаница. Не все ученые могут договориться, что это такое. Существует несколько десятков определений. Каждое определяется своим критерием: плотностью, относительной атомной массой и т.д. Согласно Большому энциклопедическому словарю, тяжелые металлы — это цветные металлы с плотностью, большей, чем у железа. Но чаще всего это понятие имеет не химический, а медицинский и природоохранный контекст.
Тяжелые металлы не биоразлагаемые, как органические загрязнители, и постоянно находятся в среде. Они проходят по пищевой цепочке, из воды проникая в организм рыбы, а из нее — в человека. Помимо воды, они попадают в воздух и почву. И оттуда — в людей.
Есть такие тяжелые металлы — например никель, хром, селен, ванадий, — которые не опасны, а напротив — жизненно необходимы человеку в небольших количествах. Но когда эти микроэлементы превышают допустимую концентрацию в организме, то становятся вредными. Некоторые — например, свинец, кадмий, ртуть — даже в небольшой концентрации вызывают токсичный эффект.
Одна из задач экологов — отслеживать содержание вредных веществ в окружающей среде. В лаборатории нейтронной физики для этого используют высокоточный ядерно-физический метод нейтронно-активационного анализа. Сегодня он один из лучших для определения состава вещества. Для анализа материалов используется специальный атомный реактор. Помимо Дубны, таких в России всего два.
Лекция «Токсичность наночастиц миф или реальность» в ОЦ «Сириус»
Фото: © Ярослав Яровой / Пресс-служба «Сириуса»
Как разбить состав вещества на элементы?
Активационный анализ — метод определения элементного состава вещества. Он основан на измерении радиоактивного излучения. При переходе в основное состояние изотоп каждого химического элемента испускает характерное ƴ-излучение, по которому его можно идентифицировать и определить количественно.
Таким способом можно определить до 50 компонентов вещества. У этого метода нет конкурентов в определении опасных для здоровья элементов.
Воздух
Одно из основных направлений работы лаборатории Объединенного института ядерных исследований — оценка атмосферного выпадения тяжелых металлов. Материалом для анализа — так называемым биомонитором — здесь служит мох. Он растет почти везде, не имеет корневой системы, поэтому накапливает то, что взял из атмосферы.
Международная экологическая программа, в которой участвует ОИЯИ, действует уже на протяжении 30 лет. Работа идет под эгидой ООН. На базе полученных данных формулируются резолюции и принимаются решения. Есть страны, где результаты исследований учитываются на национальном уровне — например, при разработке нормативов, ужесточении законодательства.
С 2014 года проект по части тяжелых металлов координируют в Дубне. Сейчас, помимо представителей Европы, исследованиями занимаются и в Азии. Каждые пять лет объявляют сбор мхов. В 2015–2016 годах в этом сборе участвовали 32 страны, собрали около 5000 образцов. Для исследований мох отбирают по специальному протоколу, охватывая большие территории. Все полученные результаты отображаются на карте, где наглядно видно, в каких регионах есть загрязнения, показаны источники, а также тяжелые металлы, которые были в нем найдены.
Например, если брать мышьяк и кадмий, то наиболее чистая территория — Западная Европа. В восточной части Евразии, в том числе в странах бывшего СССР, ситуация значительно хуже. Сравнивая результаты исследований за разные годы, можно отслеживать общий тренд по планете. Так, в последнее время во мхах резко снизилось содержание свинца, кадмия и ванадия. Дело в том, что до 2000-х годов практически во всем мире использовали бензин с присадками свинца. Потом большинство стран от него отказались, и содержание этого элемента в атмосфере снизилось на 80 %. Что касается кадмия и ванадия, то их стало меньше из-за ужесточения норм к выбросам промышленных предприятий и закрытия морально устаревших производств.
Как повлияла на воздух пандемия?
В азиатских странах, где режим ограничений был весьма жестким, уровень загрязнения значительно снизился из-за остановки промышленного сектора. В Подмосковье, к примеру, самоизоляция также благотворно сказалась на экологической обстановке. Ситуация с кадмием и свинцом значительно улучшилась даже за несколько месяцев.
Интересует российских ученых, конечно, не только ситуация в мире в целом, но и конкретно в родной стране. Так, в 2019 году они проводили исследования по Московской области и выяснили, что основные загрязнения локализованы вблизи столицы — в городах-сателлитах, куда сейчас выведены основные производства и где есть разветвленная дорожная сеть.
По данным экологов, почти 90 % от общего объема загрязнения воздуха в Москве дает транспорт. В атмосфере растет содержание сурьмы, свинца и меди. Самым «грязным» городом в Центральной России признана Тула, где небо коптит Косогорский металлургический завод.
Лекция «Токсичность наночастиц миф или реальность» в ОЦ «Сириус»
Фото: © Ярослав Яровой / Пресс-служба «Сириуса»
«В России основная проблема в том, что один регион может сначала участвовать в исследованиях, потом выйти из них. Параллельно приходят новые регионы. Очень сложно делать какие-то тренды, смотреть изменения, потому что пока нет этих данных. Сейчас мы за собой закрепили Центральный регион — это Тверская, Московская, Ярославская, Владимирская области, где мы планируем проводить исследования каждые пять лет, чтоб отслеживать динамику. При единоразовом мониторинге территории мы определяем источники загрязнения, но мы не знаем, что будет потом, через несколько лет», — рассказывает о сложностях Инга Зиньковская.
Как тяжелые металлы добрались до Антарктиды
Тяжелыми металлами загрязнены практически все уголки планеты. Даже те, где людей почти нет. Например, Антарктида. Экологи определили, что в ее воздухе очень высокое содержание меди и мышьяка. При этом на «белом континенте» не занимаются сельским хозяйством, там нет промышленных предприятий. Ученые долго искали разгадку. И нашли ее в Чили, где активно разрабатывают медные рудники. Несмотря на то что расстояние от этой страны до Южного полюса несколько тысяч километров, отходы доходят и сюда.
Основная задача программы биомониторинга воздуха — не определить источник загрязнения, а проследить трансграничный перенос вредных веществ. Например, учеными установлено, что Греция загрязняет территорию соседней Македонии, а Польша — Румынии, Молдавии и других государств. Отсутствие в стране «грязных» производств — не гарантия чистого воздуха.
Вода и почва
Сейчас российские ученые участвуют в большом африканском проекте. На Черном континенте есть страны, которые активно добывают полезные ископаемые, например уран и золото. А отвалы рудников попадают в океан, и тяжелые металлы оказываются в воде.
Если на суше исследуют мох, то в море или океане — мидий и устриц. Определяя их элементный состав, экологи решают сразу две задачи: узнают, насколько загрязнена акватория тяжелыми металлами и безопасны ли эти морепродукты для человека. А для местного населения они, как правило, основной источник пищи.
Содержание мышьяка в обследованных моллюсках укладывается в норму Всемирной организации здравоохранения, а вот цинка в некоторых образцах подмосковные ученые нашли больше, чем положено. Так что при постоянном употреблении таких морепродуктов африканцы рискуют собрать в организме коллекцию тяжелых металлов.
Что случилось с байкальскими губками?
Главный мировой резервуар чистой пресной воды Байкал тоже стал объектом для большого экологического исследования, из-за того что там массово гибнут губки. Анализ химического состава воды не выявил завышенного содержания тяжелых металлов. Причина происходящего пока остается загадкой. Предположительно, пагубно на организмы может влиять изменение температурного режима.
Еще одно важное направление в работе экологов Объединенного института ядерных исследований — поиск дешевых методов очистки сточных вод. Находкой в этом деле оказались отходы пищевой промышленности — дрожжи. Эти микроорганизмы прекрасно аккумулируют тяжелые металлы и очищают воду.
В земле также накапливаются практически все тяжелые металлы. Опасные для человека элементы впитывают и сельскохозяйственные культуры. Для того чтобы снизить риск, почву пытаются очищать, высаживая растения, которые аккумулируют загрязнение, например подсолнух. Кроме того, ученые пытаются создать резистентные виды бактерий, которые бы хорошо накапливали вредные элементы и очищали загрязненную почву.
Наночастицы
Если про тяжелые металлы и их влияние на здоровье человека известно много, то наночастицы пока недостаточно изучены. При этом используют их уже очень активно. Например, при изготовлении зубных щеток, антисептических гелей, лакокрасочных изделий, лекарств, а также в пищевых добавках (диоксид титана), которые применяют в производстве конфет и жевательных резинок.
Лекция «Токсичность наночастиц миф или реальность» в ОЦ «Сириус»
Фото: © Ярослав Яровой / Пресс-служба «Сириуса»
Объединенный институт ядерных исследований провел исследования о влиянии наночастиц на детей. Для опытов использовали мышей. Ученые вместе с медиками пытались определить, проходят ли наночастицы плацентарный и гематоэнцефалический (защитная система головного мозга. — Прим. ред.) барьеры и накапливаются ли они в плоде. При работе с частицами серебра размером 9–10 нанометров установили, что они легко попадают в кровь мышат, а также в их органы. Хотя есть вероятность, что наночастицы проникли в мозг детенышей еще до того, как гематоэнцефалический барьер сформировался внутриутробно.
Сейчас ученые проверяют, как такие частицы влияют на функции мозга, оценивая когнитивные способности животных. Известно, что на клеточном уровне наночастицы вызывают образование реактивных форм кислорода. Они токсичны и приводят к нарушениям работы мозга. Наночастицы золота применяют в раковой терапии. К ним «цепляют» лекарства, чтобы доставить их к раковой клетке, после чего проводят облучение. Исследования показали, что золота в организме накапливается в 3,5 раза меньше, чем серебра, и к потомству оно практически не переходит.
Наночастицы побольше, до 100 нанометров, не проникают через природные барьеры и остаются в организме матери. У мышей провоцируют язву желудка, и со временем наночастицы выводятся из организма.
Кроме того, надо помнить, что любое вещество, попав в организм, в большинстве случаев не остается неизменным. Оно подвергается различным видам разрушения (биодеградации) и изменения (биотрансформации). Образующиеся продукты могут быть как менее, так и более опасными, чем исходное вещество.
Вопрос воспитания
Участвовать в экологических исследованиях могут не только ученые, но и школьники. Речь о проекте «Уроки настоящих экологических исследований». В нем дети пополняют базу данных по экологической обстановке в разных регионах. В «Сириусе» ученые встречаются со школьниками профильных классов и учащимися Образовательного центра, знакомят их с особенностями профессии, рассказывают о направлениях работы. И даже если они в дальнейшем не захотят заниматься наукой, такие беседы все равно полезны, считает Инга Зиньковская.
«Воспитывать экологическую ответственность в 50 лет довольно сложно и поздно. Нужно начинать с детей, чтобы они, глядя к чему приводит деятельность взрослых, осознавали, что они тоже вносят свой вклад. Я детям объясняю так:
Когда ты выбрасываешь мимо урны фантик, ты начинаешь загрязнять планету твердыми отходами, которые приумножаются из-за того, что это делает каждый.
Часто дети сами объясняют родителям, что нельзя использовать столько полиэтиленовых пакетов, потому что мы загрязняем планету».
