автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методического и технического обеспечения ре-гионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воз-духе

На правах рукописи

Сафатов Александр Сергеевич

Разработка методического и технического обеспечения регионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 АПР 2011

Барнаул, 2011

4844600

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Минздравсоцразвития России

Научный доктор физико-математических наук,

консультант профессор Суторихин Игорь Анатольевич

Официальные член-корреспондент РАН, доктор физико-

оппоненты: математических наук, профессор Зуев Владимир

Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор Букатый Владимир Иванович

доктор технических наук,

профессор Кулешов Валерий Константинович

Ведущая Институт оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО

организация РАН, Томск, 634021, пл. Академика Зуева, 1

Защита состоится «/¿» /ииЛ 2011 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д.212.004.06 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: г. Барнаул, 656038, пр. Ленина, 46, тел. (385-2) 26-09-17.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан « 8 » О ^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета //'/^к.т^Д.Е. Кривобоков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В современных условиях актуальность исследования атмосферных биоаэрозолей существенно выросла. Это обусловлено следующими обстоятельствами.

Во-первых, глобальные климатические процессы могут привести к трансформации и изменению мощности источников биоаэрозолей, что проявится в изменении концентрации, химического и биологического состава атмосферных биоаэрозолей в различных регионах Земли и, в свою очередь, изменит протекание атмосферных процессов в этих регионах. Зафиксировав изменения концентрации, химического и биологического состава биоаэрозолей в регионе, можно обоснованно выявить происходящие в природе изменения и получить данные для уточнения прогнозов климатических изменений.

Во-вторых, климатические изменения приводят к сдвигу ареалов распространения растений, животных и микрофлоры, являющимися источниками различных патогенов, путей переносов последних в атмосфере и, следовательно, появлению новых регионов, куда ранее эти патогены не проникали. В связи с этим изменяется эпидемическая и эпизоотическая ситуации в регионе. Для прогноза их развития необходимы данные по изменению концентраций и разнообразия микроорганизмов, находящихся в атмосферном аэрозоле региона.

В третьих, в современном мире существует угроза выброса в атмосферу опасных биоаэрозолей на основе патогенных микроорганизмов и их токсинов, которая может быть создана при осуществлении актов биотерроризма, а также в процессе техногенных и природных катастроф. Здесь возникают две очень важные проблемы: экспресс детекции и идентификации малых концентраций таких аэрозолей и учета «биоаэрозольного фона» региона, присутствие которого, с одной стороны, маскирует опасные аэрозоли и, с другой стороны, создает проблему ложного сигнала детекции опасных биоаэрозолей. Поэтому знание концентрации и разнообразия микроорганизмов, обычно встречающихся в атмосферном аэрозоле региона, позволит более надежно обнаруживать опасные биоаэрозоли.

В четвертых, постоянно присутствующие в атмосфере аэрозоли (включая биоаэрозоли) оказывают определенное влияние на различные ком-

ггоненты экологических систем и, в частности, на здоровье человека. Для многих токсичных соединений, входящих в состав аэрозольных частиц, разработаны гигиенические нормативы, регламентирующие предельно допустимые концентрации этих веществ в атмосфере. Такие нормативы установлены и для некоторых биогенных компонентов атмосферных аэрозолей. Однако до настоящего времени не разработано подходов к комплексной оценке опасности, которую представляют микроорганизмы, находящиеся в атмосферном аэрозоле для населения региона.

Известно, что атмосферный аэрозоль является динамичной системой, в нем постоянно проходят следующие процессы: образование новых частиц за счет нуклеации паров находящихся в воздухе веществ (в том числе и биогенных); уменьшение концентрации частиц за счет коагуляции и различных механизмов осаждения частиц; изменение состава частиц за счет разнообразных химических реакций, проходящих в объеме и на поверхности частиц, в том числе в адсорбционных слоях. Кроме того, находящиеся в биоаэрозоле жизнеспособные микроорганизмы в изменяющихся внешних условиях подвергаются действию различных стрессов, которые вызывают их инактивацию. Поэтому мониторинг концентрации биоаэрозоля и его химического состава необходимо проводить в реальном времени. Однако, как будет показано в главе 1, в настоящее время нет ни методического, ни технического обеспечения мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе. Для того чтобы отследить изменения характеристик биоаэрозолей в пространстве, нужно проводить измерения и, при необходимости, пробоотбор, в нескольких точках одновременно. Следовательно, необходимо разработать методическое и техническое обеспечения мониторинга широкого спектра характеристик аэрозоля (и, в том числе, биоаэрозоля) одновременно в нескольких точках контролируемого региона в режиме, близком к реальному времени.

Целью работы является разработка методического и технического обеспечения регионального мониторинга характеристик аэрозоля (и, в том числе, биоаэрозоля) одновременно в нескольких точках контролируемого региона в режиме, близком к реальному времени.

Исходя из сформулированной цели работы, можно определить основные задачи исследования.

1. Проведение долговременного мониторинга концентрации и представительства различных компонентов биоаэрозолей в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири в различных условиях с целью выявления основных характеристик контролируемого объекта. Мониторинг должен дать информацию о:

• временной (суточной, сезонной, долговременной) изменчивости концентраций и состава компонентов атмосферных биоаэрозолей;

• пространственном изменении концентраций и состава компонентов атмосферных биоаэрозолей;

• возможных источниках атмосферных биоаэрозолей и их переносе в атмосфере.

2. Разработка системы для оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях и аппара-турно-программного комплекса этой системы.

Объект исследования - атмосферный биоаэрозоль.

Научная новизна работы

1. Разработано организационно-методическое и программно-техническое обеспечение мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях.

2. Создана система мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях на основе мобильных постов мониторинга, количество и положение которых определяется расчетным путем исходя из развертывания оптимальной сети постов этого мониторинга в существующих на момент проведения измерений гидрометеорологической обстановки в контролируемом регионе.

3. Разработан метод оценки потенциальной опасности всего комплекса жизнеспособных бактерий в атмосферном аэрозоле для человека.

4. На основании данных мониторинга

• впервые в мире получены долгосрочные (свыше 10 лет) пространственно-временные динамики изменения концентрации биогенных компонентов атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири и представительства входящих в их состав жизнеспособных микроорганизмов;

• выявлены уникальные высотные профили изменения концентрации биоаэрозолей в атмосфере юга Западной Сибири.

• проведена оценка величин выбросов от локальных источников аэрозолей (как биогенных, так и небиогенных) по загрязнению снежного покрова биогенными компонентами атмосферного аэрозоля с учетом фоновых биогенных загрязнений свежевыпавшего снега.

• показано, что для юга Западной Сибири основной вклад в наблюдаемые концентрации биоаэрозолей дают удаленные источники биоаэрозолей; для которых возможно определить их тип по химическим и или биологическим маркерам, а точная географическая привязка в настоящее время не возможна.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Организационно-методическое и программно-техническое обеспечение мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях. Разработанная система мониторинга позволяет:

• проводить оперативный мониторинг загрязнений атмосферы региона, как для газовых, так и для широкого спектра загрязнителей, входящих в состав аэрозольных частиц в диапазоне размеров 3 нм - 32 мкм;

• вычислять величины индекса загрязнения атмосферы по формуле (1) и их аналоги, определенные для временных интервалов менее чем в 24 часа;

• строить поля этого индекса и поля концентраций отдельных загрязнителей атмосферы для всего контролируемого региона.

2. Биогенные компоненты атмосферного аэрозоля, аккумулированные в снежном покрове, дают, с учетом фоновых загрязнений свежевыпавшего снега, информацию о суммарных выбросах от локальных источников аэрозолей, состоящих из как биогенных, так и небиогенных веществ.

3. Основной вклад в наблюдаемые концентрации биоаэрозолей на юге Западной Сибири дают удаленные источники биоаэрозолей.

4. Разработанный метод оценки потенциальной опасности жизнеспособных бактерий в атмосферном аэрозоле для человека можно использовать как для индивидуальных микроорганизмов или их полного количества в единице объема, так и для сравнения потенциальной опасности жизнеспособных бактерий в различных пробах атмосферного воздуха.

5. На основе данных мониторинга, проведенного с целью выявления основных характеристик объекта исследования, обнаружено, что:

• концентрации биогенных компонентов атмосферного аэрозоля юга Западной Сибири в среднем с 1999 по 2009 гг. имеют тенденцию к уменьшению при выраженной повторяемости их внутригодового хода, как в приземном слое атмосферы, так и на высотах 500 — 7000 м;

• вертикальные профили концентраций биоаэрозолей в атмосфере в этом регионе демонстрируют слабое падение этих концентраций с высотой до 7000 м и в целом сохраняют свою форму независимо от сезона проведения измерений.

Достоверность результатов, выводов и научных положений диссертационной работы подтверждается:

- большим объемом экспериментальных исследований, которые не противоречат современным знаниям и фундаментальным основам в области биологии, геофизики атмосферы, науки об аэрозолях;

- длительным временным рядом регулярных наблюдений за концентрациями различных компонентов атмосферного биоаэрозоля;

- удовлетворительным согласием результатов с представленными в литературе экспериментальными данными, полученными различными авторами для других регионов;

- использованием современных методов и программ статистической обработки первичных результатов исследования;

- проведенной оценкой возможных ошибок и погрешности проводимых измерений.

Практическая значимость работы

Разработанное методическое и техническое обеспечение мониторинга загрязнений атмосферы региона реализовано в создании и внедрении в практику системы мониторинга имеющихся в воздухе загрязнений, включая биогенные.

Система мониторинга позволила расширить знания об атмосферном биоаэрозоле на юге Западной Сибири: его пространственно-временной изменчивости, возможных источниках и о потенциальной опасности для здоровья человека находящихся в нем жизнеспособных микроорганизмах. Эти данные могут быть использованы:

- при разработке и создании более совершенных систем мониторинга окружающей среды, включая выявление различных опасных компонентов ат-

мосферного аэрозоля биогенного происхождения на основе разработанного методического и технического обеспечения мониторинга загрязнений атмосферы региона;

- при оценке существующего и прогнозе развития эколого-эпидемиологического и эколого-эпизоотологического состояния окружающей среды;

- при построении моделей глобального загрязнения атмосферы биогенными компонентами аэрозоля и их переносу по планете;

- при построении климатических моделей атмосферы;

- в лекционных курсах по экологии, физике атмосферы и аэробиологии.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ организации (Государственные контракты с Министерством промышленности, науки и технологий № ГНТД/ГК-029(00)-11 от 14 января 2000 г. и № 43.600.1.4.0029 от 31 января 2002 года; темы 027-5-06 Координационного Научного Совета по санитарно-эпидемиологической охране территорий Российской Федерации); при частичной поддержке интеграционных проектов СО РАН № 64 «Аэрозоли Сибири», № 130 «Экологические проблемы городов», № 169 «Аэрозоли Сибири 2»; грантов РФФИ № 08-05-92499-НЦНИЛ_а «Исследование пространственного распределения (в вертикальной плоскости) аэрозоля над Сибирью с целью выявления следов западноевропейских выбросов», № 07-05-00645-а «Наночастицы в атмосфере: пространственные и временные масштабы генерации, приоритетные нуклеационные механизмы», № 06-05-08104-офи «Создание прототипа приборно-инструментального комплекса для исследования пространственно-временной изменчивости парниковых и окисляющих атмосферу газов, объединенного в единую информационную систему на борту самолета, как передвижной научной платформы», № 04-05-64559-а «Исследование процессов образования наночастиц на разных высотах в тропосфере», № 04-05-08010-офи_а «Самолетные технологии в исследовании пространственного распределения потоков парниковых газов над Сибирским регионом»; Международным российско-японским проектом «Объем парниковых газов наземных экосистем Сибири», раздел № 54 (в настоящее время раздел №57; проект осуществляется в рамках Межправительственного соглашения о научно-техническом сотрудничестве между Россий-

ской Федерацией и Японией от 04.09.2000 г.); Российско-французским проектом УАК-ЛЕЯСШВ; грантов МНТЦ № 413 (Разработка методов прогноза и статистического описания аэрозольных и газовых загрязнений, возникающих в результате техногенных катастроф и других экстремальных ситуаций), № 1924 (Изучение клинических и эпидемиологических последствий долгосрочных воздействий на популяцию техногенных факторов окружающей среды), № 2991 (Разработка пакета прикладных программ для создания оптимальной сети мониторинга аэрозольных и газовых загрязнений атмосферы антропогенного и природного происхождения) и № 3275 (Разнообразие жизнеспособных микроорганизмов в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири) и Госконтракта с Федеральным агентством по науке и инновациям № 02.515.11.5087 в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Исследование и разработка технологии оперативного контроля качества воздуха в приморских городах и курортных зонах».

Внедрение результатов и рекомендации по их использованию

Полученные в диссертации результаты положены в основу разработки автоматизированного рабочего места мониторинга и прогнозирования качества воздуха приморских городов и курортных зон с учетом массопереноса из морской воды в воздух в рамках работ по Госконтракту с Федеральным агентством по науке и инновациям № 02.515.11.5087 по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Исследование и разработка технологии оперативного контроля качества воздуха в приморских городах и курортных зонах». Кроме того, с 2007 года ряд результатов используется при чтении лекций по теме «Основы аэробиологии» для аспирантов и молодых ученых Федерального государственного учреждения науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор».

Результаты работы могут быть использованы также организациями, занимающимися разработкой систем мониторинга загрязнений атмосферы, включая обнаружение природных и техногенных выбросов в атмосферу био-

генных веществ, и моделирования глобального и регионального загрязнения атмосферы.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на VI - XVII Заседаниях рабочей группы проекта «Аэрозоли Сибири» (Томск, 1999 - 2010); Европейских аэрозольных конференциях (Прага, Чехия, 1999; Дублин, Ирландия, 2000; Гент, Бельгия, 2005; Зальцбург, Австрия, 2007; Салоники, Греция, 2008; Карлсруе, Германия, 2009); конференциях Американской ассоциации исследований аэрозолей (Сиэтл, 1999; Сент-Луис, 2000; Портленд, 2991; Анахайм, 2003); Международных аэрозольных конференциях (Тайбэй, Тайвань, 2002; Миннеаполис, США, 2006, Хельсинки, Финляндия, 2010); 17 Международной конференции по нуклеации и атмосферному аэрозолю (Галуэй, Ирландия, 2007); 1 - 3 конференциях по углубленному изучению атмосферного аэрозоля (Милан, Италия, 2006; Неаполь, Италия, 2008; Флоренция, Италия, 2010); Конференциях по медико-биологической защите (Мюнхен, Германия, 2004 и 2005); IV семинаре комитета советников МНТЦ «Фундаментальные науки в деятельности МНТЦ» (Новосибирск, 2001); СПАСССИБ - Сиббезопасность-2004 (Новосибирск); Международной Конференции «Развитие международного сотрудничества в области изучения инфекционных заболеваний» (Новосибирск, 2004); Коллоквиуме «Биологические науки в Канаде» (Москва, 2004); Конгрессе Международного союза микробиологов (Сан-Франциско, США, 2005); 5 Международной конференции «Наука и образование для целей биобезопасности» (Пущино, 2008); Итоговых конференциях по результатам выполнения мероприятий ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Санкт-Петербург, 2008; Москва, 2009). Кроме того, обзорные лекции по атмосферным биоаэрозолям прочитаны в Университетах Гринфилда (Южная Каролина, США, 2006), Цинциннатти (Огайо, США, 2006); в Берклиевской (Беркли, Калифорния, США, 2006) и Тихоокеанской Северо-западной (Ричланд, Вашингтон, США, 2006) Национальных лабораториях; Институте гидрохимии и бальнеологии Технического Университета (МюнхенГермания, 2009); Свободном Университета Брюсселя (Бельгия, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 174 работы, включающие 2 коллективные монографии, 38 статей в научных журналах и сборниках (в том числе - 12 в международных), 133 публикации в сборниках трудов и тезисов докладов международных и российских конференций, симпозиумов и т.п., 1 патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы, содержащего 694 наименования. Она изложена на 317 страницах, содержит 91 рисунок и 29 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приведен обзор литературы по методам изучения атмосферных биоаэрозолей и их свойств. Выделено 3 группы методов и средств для их реализации: дистанционные методы, методы in situ и пробоот-бор с дальнейшим анализом химического и биологического состава проб. Анализ этих групп методов показал, что первые две группы методов оперативны, но в настоящее время развиты недостаточно для детальной характери-зации биоаэрозолей, хотя перспективы разработки нового поколения время-пролетных аэрозольных масс-спектрометров свидетельствуют, что эта задача будет решена в обозримом будущем. Для составляющих третью группу методов проведена классификация пробоотборных устройств и методов анализа проб, проанализирована пригодность различных методов и приборов для работы в составе системы для оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях.

Проанализированы литературные данные об изменчивости наблюдаемых пространственно-временных характеристиках атмосферных биоаэрозолей в различных регионах, их возможных источниках и путях переноса в атмосфере, влиянии атмосферных аэрозолей и, в том числе, биоаэрозолей, на здоровье населения и различные экосистемы.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи, стоящие перед исследователями в изучении атмосферных биоаэрозолей и предложены пути их решения.

Несмотря на большой прогресс, достигнутый в разработке методик детального изучения атмосферных биоаэрозолей, эта задача по-прежнему остается актуальной. Поскольку биоаэрозоли претерпевают значительные изменения под действием различных факторов (время, температура, влажность, наличие различных соединений в атмосфере и др.), необходимо проводить их полный анализ in situ в реальном масштабе времени. Таких приборов в настоящее время нет. Поэтому первая задача - разработка новых методов и средств для анализа атмосферных биоаэрозолей. Так как атмосферные биоаэрозоли представляют собой смесь биоаэрозолей из различных источников, необходима методика, позволяющая исследовать состав индивидуальных частиц. Такие методики, например, могут быть основаны на новейших разработках масс-спектрометрических методов для индивидуальных частиц, но требуется как расширение границ размеров исследуемых частиц, так и расширение диапазона детектируемых масс свыше 9 ООО Да. Для детального анализа атмосферного аэрозоля необходимо определять широкий спектр его физических, химических и биологических характеристик. Следовательно, необходимо разработать подходы для проведения оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона (включая газовые загрязнения, которые, с одной стороны, изменяют химический состав биоаэрозоля за счет протекающих химических реакций, и, с другой стороны, дают свой вклад в загрязнения атмосферного воздуха) в постоянно изменяющихся внешних условиях и аппаратурно-программного комплекс, позволяющий осуществить реализацию этого подхода.

Следующая актуальная задача - изучение процессов формирования и трансформации биоаэрозолей под действием перечисленных выше факторов в лабораторных и полевых условиях. Эти работы позволят лучше понять процессы, происходящие в биоаэрозолях, и построить прогностические модели сложных процессов, которые необходимо учитывать в моделях переноса биоаэрозолей в атмосфере.

Накопленные в настоящее время данные об атмосферных биоаэрозолях дают неполную информацию о пространственной и временной изменчивости их концентраций и составляющих их компонентов. Для юга Западной Сибири такая информация практически отсутствовала до начала проведения исследований автором.

Поэтому следующей перспективной задачей проводимого исследования является долговременный мониторинг биоаэрозолей в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири, который позволит выявить временную (суточную, сезонную, долговременную) изменчивость концентрации и состава атмосферных биоаэрозолей, их пространственные изменения, а также возможные источники атмосферных биоаэрозолей и пути их переноса в атмосфере.

Представленные в литературе исследования проведены в региональном или даже меньшем масштабе, а глобального наблюдения за биоаэрозолями в настоящее не ведется. Поэтому краеугольной задачей является организация глобального наблюдения за биоаэрозолями с целью выявления их пространственной и временной изменчивости, путей переноса и определения наиболее мощных их источников для построения прогностических моделей на планетарном уровне.

Для этих моделей и для проведения исследований процессов, происходящих в биоаэрозолях под действием различных факторов, необходима детальная информация по всем наблюдаемым в каждом из регионов биоаэрозолям. Поэтому становится актуальной задача детальной инвентаризации источников биоаэрозолей в регионах и их характеризация по мощности эмиссии, ее изменению во времени, компонентному составу первичных частиц и его зависимости от условий аэрозолирования (время года, суток, атмосферные условия и др.) и т.д.

И, наконец, завершающей задачей является математическое моделирование распространения биоаэрозолей из источников в рецепторы с учетом стохастического перемешивания аэрозолей, их трансформации в атмосфере, возможного подъема на большие высоты.

В рамках изложенных выше актуальных задач изучения атмосферных биоаэрозолей сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена описанию использованных методов и средств при получении предварительных данных для разработки методического и технического обеспечения мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе: отбора наземных (на площадке ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» - по 4 пробы воздуха на содержание суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов в течение суток в середине каждого месяца, в п. Ключи - 30 последовательных суточных проб на содержание суммарного белка и 7 на содержание жизнеспособных микроорганизмов ежесезонно) и высотных проб (с ис-

пользованием самолета-лаборатории АН-ЗОД, в один из дней в последней декаде месяца в дневное время суток последовательно на высотах 7000, 5500, 4000, 3000, 2000, 1500, 1000 и 500 м), проб снежного покрова (в конце зимы на всю глубину) в окрестностях города Новосибирска и в самом городе, и свежевыпавшего снега (на площадке ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор»); анализу химического состава отобранных проб (определение элементного и ионного состава, концентраций суммарного белка, полициклических ароматических углеводородов и др.); выявлению в пробах жизнеспособных микроорганизмов и изучению их морфологических, ростовых, биохимических свойств, анализу генетического материала микроорганизмов в пробах и проведению филогенетического анализа этого материала; методов математического моделирования распространения аэрозолей в атмосфере; методов статистического анализа полученных результатов. Особое внимание в этой главе уделено вопросу определения погрешности измеряемых величин по используемым методикам и значениям порога их обнаружения. Это необходимо для оценки погрешности результатов определения интегральных показателей загрязнения атмосферы региона получаемых системой для их оперативного мониторинга в постоянно изменяющихся внешних условиях.

В третьей главе приведены исходные экспериментальные данные мониторинга атмосферных биоаэрозолей юга Западной Сибири для формирования требований к характеристикам разрабатываемой системы мониторинга: диапазонам измерения контролируемых величин, скоростям их изменения в атмосфере, и т.д. В подразделах 3.1 и 3.2 отмечено, что впервые в мире получены долгосрочные (свыше 10 лет) пространственно-временные динамики изменения концентрации биогенных компонентов атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири. На Рисунках 1 - 3 приведены результаты этих исследований для проб атмосферного воздуха, взятых с помощью самолета-лаборатории на высотах 500 - 7000 м. Аналогичные зависимости получены для наземных площадок. В отличие от долгосрочных трендов и годовых динамик этих концентраций, надежных зависимостей для изменчивости представительства жизнеспособных микроорганизмов в пробах атмосферного воздуха юга Западной Сибири выявить не удалось. Обнаружены уникальные высотные профили изменения концентрации биоаэрозолей в атмосфере юга Западной Сибири, Рисунок 4. Показано, что эти профили довольно стабиль-

£ а. л м

И

4

3.5 3

2 2,5 2 1,5 1

0,5

-и у--0.0769Х+2,2716 (0 « 0,1552 _

120

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2003 2009 Год

[ В

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Год

.Год

Рисунок 1. Среднегодовые значения в атмосфере юга Западной Сибири на высотах 500 - 7000 м (усреднение по всем взятым пробам): А. - Суммарный белок; Б. - Жизнеспособные микроорганизмы; В. - Масса аэрозоля; Г. - Доля суммарного белка в массе аэрозоля.

Янв. Феер. Март Алр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окг. Ноя. Дек.

-I-г-

Янв. Февр. Март Длр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек. Месяц проведения измерений

Рисунок 2. Годовая динамика отклонения среднемесячных величин, усредненных для всех проб на высотах 500 - 7000 м, концентраций суммарного белка (А) и жизнеспособных микроорганизмов (Б) от среднегодовых значений. Усреднения за 11 лет наблюдений.

ны и сильно не изменяются от года к году и от сезона к сезону, что свидетельствует о малом вкладе локальных природных источников биоаэрозолей в эти профили. Рассмотрены возможные механизмы, за счет которых могут формироваться подобные высотные профили концентрации биоаэрозолей в атмосфере.

Год наблюдений_____

■ Палочки □ Кокки □Несп.бакт. □ Грибы ИАктиномицеты □ Дрожжи

Рисунок 3. Изменение представительства жизнеспособных микроорганизмов в пробах атмосферного воздуха юга Западной Сибири на высотах 500 - 7000 м. Суммированы данные для проб, взятых на всех высотах в течение года. Поскольку выявлено большое разнообразие различных родов микроорганизмов, для наглядности представления они объединены в 6 больших морфог-

Нормированные значения Нормированные значения

Рисунок 4. Нормированные высотные профили концентраций суммарного белка (А, выражена в отношения величины для данной высоты к средней по всем высотам) и жизнеспособных микроорганизмов (Б, выражена в ^ отношения величины для данной высоты к средней по всем высотам) на юге Западной Сибири. Данные для наземных концентраций взяты из данных для площадки ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор».

Не выявлено корреляции высотных профилей концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов с концентрациями основных химических элементов и ионов, обнаруживаемых в атмосферных аэрозолях.

Оценено распределение суммарного белка по размерам аэрозольных частиц. Обнаружено, что максимальное число молекул белка находится во фракции частиц с аэродинамическими диаметрами 0,16 - 0,4 мкм. Массовая доля суммарного белка максимальна во фракции частиц 2,1-10 мкм.

Построены зависимости наблюдаемых концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов от метеорологических условий во время отбора проб. В зависимости от направления ветра средние концентрации суммарного белка в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири изменяются до 3 раз, а концентрации жизнеспособных микроорганизмов - до 20 раз, Таблица 1. Однако, учитывая большой разброс величин, измеренных в различные сезоны разных лет наблюдений, зависимости этих концентрации в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири от направления ветра оказались статистически неразличимы на уровне надежности 95%.

Таблица 1. Зависимость средних концентраций биогенных компонентов атмосферного аэрозоля от направлений ветров во время проведения измерений на площадках ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» и в п. Ключи для периода наблюдений с февраля 2001 г. по декабрь 2009 г. Приведены средние значения измеряемых величин ± стандартное отклонение.

Направление ветров Площадка ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Площадка в п. Ключи

Суммарный белок, мкг/м3 Жизнеспособные микроорганизмы, Ьой10(#)/м3 Суммарный белок, мкг/м3 Жизнеспособные микроорганизмы, Ьой,0(#)/м3

С 0,59 ± 0,77 2,58 ± 0,66 0,45 ± 0,59 2,84 ±0,91

св 0,46 ±0,43 3,29 ± 1,09 0,64 ± 0,85 2,65 ± 0,91

в 0,26 ± 0,22 2,73 ±0,61 0,52 ± 0,58 2,66 ± 1,07

юв 0,77 ± 0,84 2,00 ±0,68 0,73 ± 0,99 2,41 ± 1,44

ю 0,48 ± 0,35 2,61 ±0,79 0,44 ± 0,59 2,92 ±0,92

юз 0,78 ±1,68 2,77 ± 0,87 0,40 ± 0,49 2,79 ± 0,95

3 0,32 ± 0,24 2,05 ±0,81 0,49 ±0,65 2,86 ± 1,01

сз 0,46 ± 0,57 2,62 ± 0,73 0,52 ± 0,75 2,61 ±0,84

С увеличением средней температуры за время отбора проб концентрации суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири имеют тенденцию к росту, что подтверждает наблюдения о росте этих концентраций в теплое время года и уменьшении в холодное (см. Рисунок 2). С увеличением относительной влажности воздуха, усредненной за время отбора проб, концентрации суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири имеют тенденцию к падению. Зависимость от средней скорости ветра в период пробоотбора для концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов имеет разнонаправленный характер: с увеличением скорости ветра первая падает, а вторая растет.

Для выявления возможного присутствия в атмосфере вируссодержа-щих аэрозолей проанализированы 30 образцов атмосферного воздуха, отобранные на волокнистые фильтры на площадке ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» в различные времена года. Объем прокаченного воздуха составлял 10 - 15 м3. Все пробы были проанализированы методом ПЦР на наличие широкого спектра вирусов, которые вызывают заболевания с респираторными синдромами, и некоторых других вирусов. Во всех исследованных пробах генетического материала искомых вирусов не обнаружено. Предел обнаружения использованным методом ПЦР составляет не более 1 вирусной частицы в 1 м3 атмосферного воздуха. Не выявлено вирусов и в пробах атмосферного воздуха методом электронной микроскопии. В пробах, как правило, обнаруживаются бактерии, споры грибов, их микроскопические фрагменты, фрагменты растений и иногда вирусоподобные частицы. Но провести идентификацию последних и подтвердить присутствие вирусов в пробах методами ПЦР, как указано выше, не удалось. По-видимому, в атмосферном аэрозоле региона присутствие вирусных частиц является редким событием. Это не удивительно, поскольку Западная Сибирь не является эндемичной зоной для инфекций, передающихся воздушно-капельным путем, находится в центре Евразийского континента, вдали от мощных источников аэрозолей вируса гриппа, а точки пробоотбора расположены относительно далеко от мест обитания и путей миграции перелетных птиц, переносящих вирусы гриппа.

Проведен детальный статистический анализ полученных результатов. Показано, что статистика концентрации суммарного белка в пробах атмосферного воздуха подчиняется непрерывному распределению вида

(где С — аргумент функции, С - ее математическое ожидание и р - второй параметр этой функции), статистика концентрации жизнеспособных микроорганизмов в пробах подчиняется для малых выборок распределению Пуассона, а для больших выборок - тому же непрерывному распределению. Оценка согласованности флуктуаций концентрации суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов показала, что коэффициент корреляции полученных оценок дисперсий концентрации мал (примерно 0,03). Это означает, что, несмотря на одинаковые условия распространения примесей, источники суммарного атмосферного белка и жизнеспособных микроорганизмов, вероятно, имеют различную природу, то есть действуют независимо друг от друга.

Для выявления квазипериодических процессов в изменении концентраций биоаэрозолей юга Западной Сибири проводился вейвлет анализ накопленных временных рядов данных. Он показал, что концентрация жизнеспособных микроорганизмов, определенная в наземных измерениях, имеет сильные вариации с временными масштабами один год, 6 месяцев и слабую вариацию с периодом около 20 - 28 месяцев для площадки в п. Ключи, Рисунок 5. Годовая гармоника, видимо из-за нелинейности, на этом рисунке представлена двойным пиком 9-14 мес. Для площадки ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» самая сильная гармоника концентрации жизнеспособных микроорганизмов -годовая. Более слабая - полугодовая. В течение всего периода измерений в этих рядах концентрации можно наблюдать сильные нерегулярные вариации с временными периодами от 2 до 5 месяцев. Для концентраций суммарного белка для площадки в п. Ключи выявлены периодичности в один год (сильная вариация), и очень слабые периодом 6 и 20 - 26 месяцев.

В подразделе 3.4 проведена оценка величин выбросов от локальных источников аэрозолей (как биогенных, так и небиогенных) по загрязнению снежного покрова биогенными компонентами атмосферного аэрозоля с учетом фоновых биогенных загрязнений свежевыпавшего снега. Типичная зависимость концентрации суммарного белка от расстояния до антропогенного источника аэрозолей представлена на Рисунке 6. Для жизнеспособных микроорганизмов такой зависимости не обнаружено: как для источников аэрозо-

ля биогенной, так и небиогенной природы, величины этой концентрации практически не зависят от расстояния.

Использование регрессионной модели вида

/>(г,^,@)=0, £(> + 18О°)г03 ехр(-с/г) (где р - удельное содержание исследуемой примеси в снеге, г, <р - полярные координаты расчетной точки с началом в месте расположения источника, g(<p) - климатическая повторяемость направлений ветра для рассматриваемого промежутка времени, с - величина, зависящая от высоты источника, температуры и объема выбрасываемой газовоздушной смеси и скорости ветра, 0 = (0|,@2) - вектор неизвестных параметров) позволяет оценить суммарные выбросы от таких локальных источников. В частности, для Бердского химического завода выбросы биогенного материала за 2000 - 2002 гг. по суммарному белку оценены в 16,2 - 26,4 кг/год.

Время, дни

Рисунок 5. Вейвлет преобразования временных рядов концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов в атмосферных аэрозолях аэрозолей для площадки в п. Ключи.

Для удаленных источников ситуация другая. Современные методы, как отмечено в подразделе 3.3, позволяют получить только грубую географическую привязку возможных удаленных источников биоаэрозолей и опре-

деление их типов, а более детальная их локализация в настоящее время не может быть осуществлена. Например, расчеты, выполненные стохастическими методами для обратных траекторий движения воздушных масс из точки рецептора, позволяют рассчитать вероятность того, что частица, стартующая с определенной точки поверхности Земли, попадет в рецептор (см. рисунок 7), но не выявляет ни сам источник этой частицы ни даже его тип. Для того чтобы выявить удаленные локальные источники биоаэрозоля, необходимо, кроме возможных примерных координат источника, знать его «индивидуальный химический отпечаток» и уметь этот «отпечаток» идентифицировать для каждой частицы, попавшей в рецептор.

9п

100 150 200 250 300 360 400 450 600 550 600 650 700 750 800 850 900 Расстояние до источника, м

Рисунок 6. Экспериментальные и расчетные данные содержания белка в снежном покрове зимой 1999-2000 г. в зависимости от расстояния до трубы Бердского химического завода. На расчетной кривой выделены опорные точки, использованные для оценивания функции регрессии.

Важным вопросом является учет фонового загрязнения снежного покрова, в присутствии которого выявляются загрязнения от локальных источников биоаэрозолей. Предложен метод учета этого «фонового загрязнения», который основан на анализе всех проб свежевыпавшего снега за исследуемый период и вычитания присутствующих в них загрязнений из общего загрязнения снежного покрова. Показано, что изучение проб свежевыпавшего

Рисунок 7. А. Обратные траектории движения воздушных масс из точки пробоотбора в окрестностях Новосибирска на высоте 1500 м 31 мая 2002 г. Эти траектории демонстрируют вероя тные пути движения к рецептору. Б. Распределение функции чувствительности (в относительных единицах), характеризующих уровень вклада источников, расположенных в различных точках земной поверхности в пробу аэрозоля, отобранную в окрестности Новосибирска 31 мая 2002 г. на высотах 500 - 5500 м.

снега вместе с построением обратных траекторий движения воздушных масс, которые принесли этот снег, дают уникальную информацию об имеющихся на пути их следования загрязнениях, обогативших воздушные массы.

В подразделе 3.5 предложен способ оценки потенциальной опасности всего комплекса жизнеспособных бактерий в атмосферном аэрозоле для человека. Этот способ не позволяет давать прогноз заболевания конкретного индивида, а только оценивает потенциальную опасность всего комплекса жизнеспособных бактерий в атмосферном аэрозоле для людей. Кроме того, разработанный способ позволяет сравнивать потенциальную опасность всего комплекса жизнеспособных бактерий в различных пробах атмосферного аэрозоля, что дает возможность отслеживать ее изменение во времени и сопоставлять результаты, полученные для различных регионов.

Суть этого способа заключается в следующем. Для количественной оценки потенциальной опасности всех жизнеспособных бактерий, обнаруживаемых в атмосферных аэрозолях, предложено использовать 4 группы тестов. 1. Для того чтобы представлять опасность для человека, присутствующие в атмосферном аэрозоле микроорганизмы должны быть патогенны или условно патогенны для него. Соответственно, первая группа тестов должна характеризовать потенциальную патогенность бактерий для человека. 2. Атмосферные биоаэрозоли тем более опасны, чем выше в них концентрация жизнеспособных микроорганизмов и чем больше в них доля патогенных или условно патогенных для человека микроорганизмов. Следовательно, вторая группа тестов должна оценивать количество разнообразных жизнеспособных микроорганизмов в пробе атмосферного воздуха. 3. Опасность конкретных микроорганизмов увеличивается в том случае, если они проявляют повышенную устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, приводящим к инактивации микроорганизмов. Следовательно, третья группа тестов должна оценивать их устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды. 4. В первую очередь опасность для человека представляют те бактерии, которые проявляют множественную устойчивость к лекарственным средствам, в частности, к антибиотикам. Результаты, полученные в каждой из четырех групп тестов, могут быть численно охарактеризованы некоторым интегральным индексом,

отражающим коли-чественно вклад экспериментально определяемых характеристик микроорганизмов.

Наиболее важными косвенными характеристиками бактерий, определяющими их патогенностъ, являются: плазмокоагулазная активность (показатель «веса» признака оценен в величину 7, см. ниже), наличие капсул в бактерии и гемолитическая активность (показатель «веса» оценен в величину 5), наличие у микроорганизма экзонуклеаз (показатель «веса» оценен в величину 4), наличие у микроорганизма лецитиназной, фибринолитической и ли-пазной активностей (показатель «веса» для всех них оценен в величину 3), наличие желатиназной активности (показатель «веса» оценен в величину 2).

Существует ряд характеристик микроорганизмов, от которых также, но в меньшей степени, зависит потенциальная патогенность конкретных штаммов: наличие протеолитической активности относительно других субстратов (показатель «веса» оценен в величину 1), наличие пигмента в клетках (показатель «веса» оценен в величину 0,5) наличие амилолитической активности и подвижности бактерий в ростовой среде (показатель «веса» для всех них оценен в величину 0,1). Все эти характеристики количественно или качественно определяются в экспериментах по методикам, описанньм ниже, и, вообще говоря, индивидуальны для каждого рода, вида или штамма микроорганизма. При некоторых допущениях можно сконструировать единый интегральный показатель потенциальной патогенности, который можно применить для всех обнаруженных в пробах бактерий. В этом случае величина потенциальной патогенности для пробы будет определена как среднее для всей совокупности обнаруженных в пробе бактерий.

Факторы «веса» экспертно оценены исходя из опубликованных в литературе работ, рассматривающих факторы и условия патогенности различных бактерий (таких, как Bacillus anthraxes, Bordetella pertussis, Candida, Corynebacterium diphtheriae, Legionella pneumophila, Mycobacteria tuberculosis, Neisseria meningitidis, а также - представители родов Staphylococcus, Streptococcus и других). На сопоставимости общих для многих микроорганизмов характеристик, определяющих их патогенность, и построены экспертные оценки их «веса», приведенные выше. Далее величина интегрального индекса потенциальной патогенности рассчитывалась как сумма умноженных на коэффициенты «веса» присутствующих у данного микроорганизма признаков (считалось, что если данная характеристика присутствует, то ее

признак равен 1, в противном случае признак равен нулю), деленная на максимально возможную величину этой суммы. Иными словами, наиболее опасные бактерии имеют величину интегрального показателя потенциальной па-тогенности равную 1, а совсем неопасные микроорганизмы - величину равную 0. Аналогичным образом рассчитывались и нормировались и другие интегральные индексы (кроме второго, который нормировался на максимальную величину концентрации жизнеспособных бактерий, выявленную в пробах атмосферного воздуха в течение года измерений).

Определения концентрации и представительства различных микроорганизмов в пробах воздуха проводились стандартными методами.

Степень повышенной устойчивости бактерий к неблагоприятным факторам внешней среды также определялась основании анализа литературных данных путем-построения экспертной оценки «веса» той или иной характеристики бактерий от которых зависит ее устойчивость во внешней среде. Интегральный показатель устойчивости микроорганизмов во внешней среде дает некоторую обобщенную характеристику устойчивости бактерий. Он, как и другие интегральные показатели, не отражает все нюансы устойчивости бактерии во внешней среде. Вместе с тем, детальные характеристики устойчивости бактерий к неблагоприятным воздействиям внешней среды, таким как температура, относительная влажность, замораживание/оттаивание, облучение различными длинами волн, механйческие повреждения, стрессы, связанные с пробоотбором и др., определены только для небольшого числа штаммов из огромного общего числа микроорганизмов, известных в настоящее время. Данные по устойчивости бактерий к неблагоприятным воздействиям внешней среды можно использовать для уточнения интегрального показателя устойчивости бактерий, но только в том случае, если удалось определить наличие конкретного штамма в пробе атмосферного воздуха и доказать его жизнеспособность.

Наиболее значимыми характеристиками, определяющими устойчивости бактерий к неблагоприятным факторам внешней среды, являются наличие эндонуклеаз рестрикции и плазмидных ДНК, а также - способность к образованию покоящихся форм, в частности, таких как эндоспоры, позволяющих выжить тому или иному виду в неблагоприятных условиях среды (показатель «веса» для всех них оценен в величину 2). Менее значимы для выживания микробных клеток: способность к росту при повышенных концентра-

днях NaCl (показатель «веса» оценен в величину 1), и наличие пигментации у клеток (показатель «веса» оценен в величину 0,5).

При оценке устойчивости к лекарственным средствам изучалась только устойчивость бактерий к воздействию 15 антибиотиков, широко используемых в медицине. Считалось, что все антибиотики имеют равные «веса».

Наложение (перемножение) для каждого пробоотбора всех четырех интегральных индексов позволяет сделать оценку опасности жизнеспособных бактерий, находящихся в атмосферном аэрозоле региона в момент отбора проб, и отследить ее изменение в течение года, рисунок 8. В частности, для проведенных исследований максимальное значение этого показателя наблюдается в феврале - апреле 2007 г. и составляет примерно 0,045, а минимальное значение - в августе - сентябре 2006 г. (составляет 0,003).

3 1

8

I s 0,8 о

3 £ Л

5 °.б

Q,

и

£ X

0 0,4 3

1 х

2 а.

0

1 о

.<£> ^ .<?> .<$> - * о^ / / * * ** / / ^

Рисунок 8. Двухлетняя динамика изменения интегрального индекса опасности жизнеспособных бактерий, выявленных в наземных (площадка ФГУН ЕНЦ ВБ «Вектор») и высотных пробах атмосферного воздуха. Определение этого индекса в июле 2007 и апреле 2008 гг. для высотных проб не проводилось.

Таким образом, накоплен обширный массив данных о свойствах атмосферных биоаэрозолей, который использован в следующей главе при разра-

ботке аппаратурно-программного комплекса для проведения оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях.

И, наконец, в Главе 4 предложено методическое и техническое обеспечение регионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе в постоянно изменяющихся внешних условиях.

В России показателем загрязненности атмосферы принят комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), У„, являющийся количественной мерой качества атмосферного воздуха. Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДКСС средних содержаний различных п веществ:

где Г, - единичный индекс загрязнения для вещества ¡; дср, - средняя за сутки концентрация вещества ¡; ПДКСС, - среднесуточная величина ПДКСС для вещества ¡; с, - безразмерная константа приведения степени вредности ¡-ого вещества к вредности диоксида серы, зависящая от того, к какому классу опасности принадлежит загрязняющее вещество:

Классы опасности 12 3 4

Чем меньше У„, тем менее опасной была атмосфера за прошедшие сутки.

Основа предлагаемого метода, изложенного в подразделе 4.1, - ежечасное перемещение используемых мобильных постов мониторинга загрязнений атмосферы региона, расставляемых по разработанному алгоритму создания их оптимальной сети. Преимущество мобильных систем заключается в том, что в меняющихся внешних условиях (изменение скорости и направления ветра, появление новых источников загрязнения атмосферы и др.) есть возможность обойтись меньшим количеством постов наблюдения в регионе. Для выявления загрязнений, поступающих в контролируемый регион из удаленных источников, в комплекс необходимо включить (по крайней мере, на этапе оценки вклада таких источников в загрязнение атмосферного воздуха территории) самолет-лабораторию для анализа вертикального профиля загрязнений атмосферы. Поэтому целесообразной выглядит следующая схема работы системы: по текущей метеообстановке с учетом данных о работе стационарных и нестационарных источников загрязнения атмосферы строится оптимальная сеть мониторинга загрязнений атмосферы в регионе (включаю-

(О

Константа с,

1,7 1,3 1,0

0,9

щая мобильные посты на суше и, при наличии больших водных пространств, судов с аналогичным оборудованием контроля загрязнения атмосферы); собираются данные с мобильных постов о концентрациях загрязняющих атмосферу веществ, которые вместе с данными о текущих гидрометеорологических параметрах передаются на центральный компьютер, где данные хранятся и используются для построения полей концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, расчетов поля индекса ИЗА, прогноза изменения загрязнения атмосферы в существующей метеообстановке.

Для оснащения системы измерительными, пробоотборными и аналитическими средствами необходим перечень контролируемых загрязнителей атмосферы. Прежде всего, остановимся на газовых загрязнителях атмосферы. Основными из них являются: С02, 03, СО, 802 и Л'Ог. Все загрязнители атмосферы, входящие в состав аэрозольных частиц за рубежом принято характеризовать величинами РМ (суммарной массой аэрозольных частиц) или величинами РМ10, РМ2,5, РМЬ (суммарной массой аэрозольных частиц с диаметром, не превосходящим заданный), для которых также существуют гигиенические нормативы. Поскольку аэрозольные частицы в атмосфере имеют, как правило, сложный состав, характеризовать их опасность единой величиной РМ нельзя. Как показано в подразделе 4.4, показатель ИЗА для аэрозольных частиц различается в зависимости от состава входящих в аэрозольные частицы веществ даже при примерно одинаковой их суммарной массе. Поэтому необходимо проводить детальный анализ химического состава аэрозольных частиц. Для выявления неорганических веществ в составе атмосферного аэрозоля наилучшим образом подходит анализ элементного и ионного состава частиц. Из органических соединений, прежде всего, необходимо контролировать полициклические ароматические углеводороды и различные нефтепродукты. Из биологических соединений - концентрации суммарного белка, различных сахаридов, биотоксинов и микроорганизмов, включая их маркеры.

Предложена схема развертывания и работы системы, характеризующаяся следующими основными этапами.

1. По климатическим данным для региона до начала работ с учетом имеющейся застройки выбирается оптимальное место расположения центрального поста мониторинга загрязнений атмосферы региона, в котором располагается административный персонал, автоматизированное рабочее место с центральным компьютером, управляющим всем комплексом, измери-

тельное оборудование и, при необходимости, аналитическая лаборатория.

2. По определяемым в реальном времени метеорологическим данным рассчитываются количество и положения мобильных постов мониторинга.

3. По результатам каждых часовых измерений рассчитываются поля метеорологических параметров, загрязнений атмосферы региона контролируемыми веществами и показателя, аналогичного ИЗА для данного часа.

4. На основании выполненных расчетов выявляются основные источники загрязнения атмосферы, и осуществляется прогноз развития ситуации на ближайший час.

5. Исходя из данных метеорологических прогнозов, готовится прогноз изменения загрязнения атмосферы региона на более длительные сроки (часы, до 1 суток).

6. По завершению полных суток проводится расчет поля величин ИЗА для контролируемого региона.

Таким образом, система, являясь единым программно-техническим комплексом, обеспечит непрерывный мониторинг загрязнения атмосферы региона и прогноз развития ситуации на ближайшие часы. Она состоит из отдельных автономных единиц, аппаратурно-программное наполнение которых легко трансформируется, исходя из появления более нового оборудования, программ и частных задач, ставящихся перед системой. Целесообразно представление всей получаемой информации в виде электронных карт местности, содержащих вычисляемые показатели загрязненности региона, для предоставления информации лицу, принимающему решения (ЛИР), в наглядном виде.

В подразделе 4.2 описано техническое решение платформы комплекса оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях. Разработанная система состоит из центрального поста, необходимого числа мобильных постов мониторинга на суше, и, при наличии обширных водных пространств, необходимого числа мобильных постов мониторинга на воде; на начальных этапах проведения мониторинга необходим мобильный пост в воздухе.

1. Центральный пост мониторинга и прогнозирования качества атмосферного воздуха региона и, при необходимости, аналитическая лаборатория для проведения анализа отобранных проб. Центральный пост размещается на постоянной основе в капитальном здании. Географическая привязка поста к

конкретной территории определяются расчетным путем на основании климатических характеристик региона с учетом рельефа местности, имеющейся застройки и возможности ее использования для целей размещения центрального поста.

2. Типовые мобильные посты па суше мониторинга и прогнозирования качества воздуха региона. Географическая привязка и количество постов на конкретной территории определяются расчетным путем с учетом рельефа местности подстилающей поверхности. Количество необходимых мобильных постов определяется исходя из наиболее неблагоприятных с точки зрения задач мониторинга метеорологических условий и необходимого резерва. Предварительные расчеты показывали, что для города с миллионным населением, находящегося в гористой местности с прилегающим водным пространством достаточно 4-6 таких постов.

3. При необходимости типовые мобильные посты на воде мониторинга и прогнозирования качества воздуха региона создаются на базе научно-исследовательских судов. Географическая привязка постов на конкретной акватории определяются расчетным путем с учетом, как особенностей акватории, так и рельефа местности. Количество необходимых мобильных постов определяется исходя из наиболее неблагоприятных с точки зрения задач мониторинга метеорологических условий и необходимого резерва. Предварительные расчеты показывают, что для города с миллионным населением, находящегося в гористой местности с прилегающим водным пространством достаточно 1-2 таких постов.

4. Мобильный пост в воздухе мониторинга и прогнозирования качества воздуха региона на базе самолета-лаборатории АН-ЗОД - в начальных этапах работ для выявления роли удаленных источников загрязнения атмосферы, лежащих за пределами контролируемого региона, в наблюдаемые концентрации различных загрязнителей атмосферы региона.

5. Система связи и передачи информации в режиме on-line, в том числе (ЛПР), ежечасно.

6. Пакеты прикладных программ по моделированию распространения примесей в приземном слое атмосферы, поиску источников примесей, созданию оптимальной сети мониторинга загрязнений в регионе и др. (прямые, обратные и оптимизационные задачи); поддержки связи и передачи данных в единой форме; обработки информации с измерительных и аналити-

ческих устройств; управления работой постов.

Использование в составе разработанной системы современных математических моделей распространения аэрозоля в атмосфере, компьютерной техники, средств связи, измерений и, при необходимости, отбора и анализа проб аэрозоля в лаборатории, выводит его на позиции лучших мировых образцов.

Более детально процесс проведения работ по мониторингу химических и биологических загрязнений атмосферы с учетом временных интервалов измерений, передачи необходимых образцов на анализ в аналитическую лабораторию, определения в них концентраций контролируемых загрязнителей, передачи полученных данных на центральный компьютер для проведения анализа ситуации и представления полученных данных в виде электронных карт, содержащих геоинформационные слои концентраций загрязнителей, передачи этой информации ЛПР, а также прогноза качества воздуха для региона представлен на функциональной схеме, Рисунок 9. Схема на Рисунке 9 предполагает использование по одному мобильному посту на воде и в воздухе и нескольких мобильных постов на суше.

Материальные потоки на Рисунке 9 показаны сплошными линиями, информационные потоки - точечным пунктиром и конечные результаты расчетов, которые ежечасно предоставляются ЛПР, - простым пунктиром. Все потоки на рисунке имеют свой номер, который может быть не постоянен (зависит от количества мобильных постов, которое может меняться от часа к часу). В случае использования мобильного поста на самолете реально пробы в лабораторию будут доставлены только примерно через 4 часа от начала работ самолета. Это связано с тем, что в настоящее время оборудования, позволяющего определять концентрации различных загрязнителей в аэродисперсной системе в режиме реального времени непосредственно на борту самолета, на рынке не представлено.

Для проведения измерений в составе каждого из постов имеется метеокомплекс Vantage Pro2 Plus. Он позволяет фиксировать температуру с погрешностью ±0,1° (диапазон от -40 до +60°С), относительную влажность - с погрешностью ±3% (диапазон от 0 до 100%, при этом точка росы фиксируется с погрешностью ±1,5%), атмосферное давление - с погрешностью ±1,7 гПа

Рисунок 9.Схема проведения работ по определению химических и биологических загрязнений атмосферы.

(диапазон от 880 до 1080 гПа), солнечную радиацию - с погрешностью ±5% (диапазон от 0 до 1800 Вт/м2), УФ-радиацию - с погрешностью ±8%, скорость ветра - ±5% (диапазон от 1,5 до 79 м/с), направление ветра ±7°, количество и интенсивность осадков ±5% (количество - в диапазоне от 0 до 999,9 мм; интенсивность - в диапазоне от 0 до 2540 мм/час). Для фиксации положения поста наблюдения в пространстве используется датчик системы JPS (и/или ГЛОНАСС).

Измерение газовых загрязнителей атмосферного воздуха в автоматическом режиме осуществляется комплексом "Скат" (Оптек, Санкт-Петербург). Погрешность измерения концентраций контролируемых газов этим комплексом довольно велика (относительная погрешность измерения некоторых величин достигает ±20%), однако, это приемлемо для целей мониторинга газовых загрязнений атмосферы.

Концентрация и дисперсный состав аэрозоля определяются практически в реальном времени комплексом из двух приборов: диффузионным спектрометром аэрозолей (ДСА, производство ИХКиГ СО РАН, Новосибирск) и времяпролетным аэрозольным спектрометром модели 3321 (TSI, Inc., Сен-Пол, Миннесота, США). Вместе эти приборы дают информацию о счетных и массовых распределениях частиц по размерам в диапазоне 3 нм - 32 мкм и концентрации частиц в диапазоне примерно до 2 103 в см3. Погрешность измерения концентрации - ±5% во всем диапазоне размеров.

Наиболее сложно в реальном времени провести определение химического и биологического состава аэрозоля. В реализованном варианте комплекса использован пробоотбор и анализ отобранных проб в лаборатории. В лаборатории проведены исследования элементного состава проб (атомноаб-сорбционным методом), определение концентрации ПАУ в пробах (методом высокоэффективной жидкостной хроматографии), некоторых ионов (методом ионной хроматографии), суммарных нефтепродуктов (с использованием ИК-Фурье спектрометрии), суммарного белка (флуорометрическим методом) и некоторых биотоксинов (методом иммунохроматографии). Генетический материал микроорганизмов в пробах выявляется методом ПЦР, а их родовая принадлежность - секвенированием и сопоставлением его результатов с базой данных GenBank. Кроме того, стандартным культуральным методом с использованием среды LB с содержанием NaCl 0,5 и 1,0% определяется концентрация жизнеспособных микроорганизмов при инкубировании в течение 6 часов при 37°С залитых питательной средой фильтров с отобранными про-

бами аэрозоля. Более подробно методы исследование проб аэрозоля описаны в Главе 2. Это приводит к тому, что данные по химическому и биологическому составу аэрозоля становятся доступны только через 1 - 2 часа после отбора проб, а по концентрации жизнеспособных микроорганизмов только на 3-4 день. Поэтому предложено в состав комплекса на каждом посту включить аэрозольный времяпролетный масс-спектрометр (например, модель 3800-030 фирмы TSI, США), и прибор фирмы Aerodyne Research, Inc., либо Ibis Т5000, либо более совершенные версии аналогичных приборов.

Для разработанной платформы системы оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях использовано созданное ранее и доработанное в процессе разработки системы программное обеспечение для управления измерениями, проводимыми мобильными постами, обработки получаемой ими метеоинформации и информации о концентрациях в воздухе контролируемых загрязнителей, расчета нового расположения мобильных постов, построения полей индекса ИЗА и концентраций отдельных загрязнителей для территории, передачи обобщающей информации ЛПР.

Показано, что в такой перспективной комплектации предлагаемая система способна получать и обрабатывать информацию о загрязнениях атмосферы практически в автоматическом режиме и близко к реальному времени.

В подразделе 4.3 содержится описание оценки возможных ошибок и погрешности проводимых измерений. Для проведения оценки принят достаточно очевидный принцип - изменения параметров состояния атмосферы (давления, влажности, температуры, скорости и направления ветра) прямо или косвенно отражаются на характеристиках аэрозоля. Изменчивость параметров атмосферы можно разделить на мега-, мезо-, мелко- масштабные и синоптические процессы. Mera-, мезо- и мелкомасштабные процессы характеризуются климатическими, годовыми, сезонными изменениями. Изменчивость этих процессов характеризуется периодами колебаний от 24 месяцев до нескольких суток. Для исследования указанных изменений необходимы многолетние системные исследования. Синоптические процессы характеризуются динамикой, высокочастотным меандрированием воздушных фронтов. Характерные периоды колебаний от нескольких месяцев и суток до нескольких минут и даже секунд.

Таким образом, изменения процессов, происходящих в атмосфере, следует рассматривать как случайные. Данное обстоятельство применительно к конкретным измерениям производимых комплексом, диктует необходимость, рассматривать их тоже как случайные величины, тщательного учета различных методических и технических факторов, влияющих на погрешность и потерю информации. С другой стороны, увеличение масштаба исследуемых процессов, требования к погрешности измерений снижают. Минимизация различных вкладов погрешностей решается путем их оптимизации.

Погрешность определения величин складываются из трех основных групп: погрешностей, возникающих в процессе проведения пробоотбора, анализа проб, и погрешности аппроксимаций, возникающих при численном расчете поля величин У„. Для концентраций различных химических соединений и элементов и биологических молекул погрешность обычно не превосходит 20 - 30%. Величина погрешности К;, возникающая в процессе проведения пробоотбора, как показано в этом подразделе, значительно ниже. Для концентрации жизнеспособных микроорганизмов эта величина выше и доходит до 3 раз. Для концентраций биотоксинов и генетического материала отдельных микроорганизмов погрешность измерений тоже велика, поскольку эти концентрации находятся, как правило, на пределе их обнаружения или даже ниже. Поскольку «биологические» величины обычно не входят в пятерку максимальных У„ погрешность определения величины Г„ составляет 20 - 30% в зависимости от состава атмосферного аэрозоля.

Для поля величин У„ добавляется погрешность аппроксимации, возникающая при численном расчете этого поля. Однако, поскольку она, как правило, не превосходит 5%, ею по сравнению с другими погрешностями можно пренебречь.

Итак, погрешность определения поля величин У„ оценивается в 20 -

30%.

Проведена апробация платформы системы (составленной из имеющегося комплекса аппаратуры) оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в натурных условиях на побережье озера Байкал и в г. Геленджике, результаты которой представлены в подразделе 4.4. Предварительные эксперименты на оз. Байкал выявили определенные недостатки в

РисунокЮ. Изолинии поля концентрации суммарного белка в нг/м3. Здесь и далее голубой цвет - водная поверхность, зеленый - растительность, коричневый - застройка и бежевый свободное пространство. А - для 2 июля для интервала времени 10 - 13ч. Значения изолиний: 3 - 10,0, 4 - 100,0, 5 - 1000,0, 6 - 2500,0. Б - для 3 июля для интервала времени 10 -13ч. Значения изолиний: 3 - 1,0, 4 -10,0, 5 - 100,0, 6 - 1000,0.

Таблица 2. Результаты измерений величин дс/ПДКсс для газовых загрязнителей и величин РМ10 в 2009 г. в районе г. Геленджика.

Загрязнители Величины ПДКСС в России, мг/м3 Класс опасности* Дата измерения

03.07 05.07 06.07

С02 9000 4 0,085 0,085 0,084

Оз 0.16 1 0,450 0,361 0,328

СО 20 4 0,010 0,013 0,008

802 10 4 - 0,0006 0,0013

N0, 5 4 - 0,0015 0,0018

РМ10 0,06 3 0,293 0,250 0,260

ИЗА 0,7376 0,8108 0,7738

Таблица 3. Показатели ИЗ А (определены как сумма 5 наибольших величин дс/ПДКсс) и его основные составляющие для различных веществ в 2009 г. в районе г. Геленджика в точке наблюдения «Лаборатория»

Загряз нители Величины ПДКСС в России, мкг/м3 Класс опасности/величина с, Дата измерения

02.07 03.07 04.07 05.07

А1 30 2/1,3 0,0008 0,0004 0,0003 0,0007

Ва 4 1 / 1,7 0,00003 0,00001 0,00001 0,00003

Са 20 2/1,3 0,128 0,086 0,094 0,174

Со 0,4 2/1,3 - - 0,0078 0,019

Си 3 2/1,3 - - - 0.0345

К 50 2/1,3 0,0008 0,0006 0,0006 0,0015

1 2/1,3 0,238 0,293 0,12 0,0029

Мп 50 3/1,0 0,0004 0,0003 0,0002 -

Ыа 100 3/1,0 0,0021 0,0068 0,0046 0,0175

ЯО/- 20 3/1,0 0,144 0,159 0,112 0,299

Хп 50 2/1,3 - - - 0,00005

Белок 100 2/1,3 0,0011 0,0019 0,0017 0,0061

ИЗА 0,5132 0,5467 0,3384 0,53115

затель ИЗА в г. Геленджике оценен с использованием трех наземных постов наблюдения, научно-исследовательского судна, находившегося в акватории Геленджикской бухты, и самолета-лаборатории, пролетавшего над побережьем на высотах от 500 до 2200 м. Со 2 по 7 июля 2009 г. получены данные о метеорологической обстановке в регионе, газовых и аэрозольных загрязнителях атмосферы, включая данные о химическом и биологическом составе аэрозоля. По ним построены поля величин ^ для различных моментов времени,

пример которых приведен на Рисунке 10. В таблице 2 приведены данные о концентрациях обычно фиксируемых в атмосфере загрязнителей, определенные в одной точке контролируемого региона. Обращает на себя внимание тот факт, что величина цср/ПДКсс для РМ|0 составляет от 0,25 до 0,29. Однако, если рассчитать сумму дс,/ПДКсс: для загрязнителей, входящих в РМ|0, окажется, что она выше в 1,5-2 раза. Это наглядно демонстрирует тот факт, что в процессе мониторинга загрязнения атмосферы необходимо тщательно контролировать химический и биологический состав аэрозольных частиц.

Рисунок 11. Изолинии поля ИЗА. А - для 2 июля. Значения изолиний: 1-0,01, 2 - 0,02, 3 - 0,05, 4 - 0,1, 5 - 0,2, 6 - 0,6. Б - для 3 июля. Значения изолиний: 1- 0,01, 2 - 0,02, 3 - 0,05, 4 -0,1, 5 - 0,2, 6 - 0,6. В - для 4 июля. Значения изолиний: 1- 0,01, 2 - 0,02, 3 - 0,05, 4 - 0,1, 5 - 0,2, 6 - 0,4. Г - для 5 июля 2009 г. Значения изолиний: 1 - 0,01, 2 - 0,02, 3 - 0,05, 4 - 0,1, 5 - 0,2, 6 - 0,5.

Проведенные исследования показали, что комплексная оценка качества атмосферного воздуха является сложной задачей. Даже проведение непродолжительных исследований в г. Геленджике потребовало привлечение больших ресурсов: использования нескольких наземных (наводных) постов мониторинга и самолетного зондирования атмосферы, большого разнообразия средств измерения и пробоотбора, различных аналитических методик и математического моделирования процессов распространения аэрозолей в приземном слое атмосферы.

Вместе с тем, апробация разработанной системы оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона показала, что даже не в лучшей приборной комплектации она не только работоспособна, но и позволяет оперативно получать уникальные результаты. В настоящее время в мире аналогичных систем нет. Определение концентраций различных загрязнителей, как в газовой фазе, так и в составе аэрозолей, позволяет рассчитывать комплексный показатель загрязнения атмосферы как в одной точке проведения измерения, так и строить поля изменения величин этого индекса в регионе. Показано, что как на сам ИЗА, так и на его распределение по региону существенное влияние оказывают метеорологические процессы. Предполагаемая связь концентраций различных загрязнителей в воздухе с их выявленными относительно мощными источниками позволит в будущем предпринять попытку построения прогноза показателя ИЗА по прогнозируемой метеообстановке и антропогенной активности.

Таким образом, решена крупная научно-техническая задача по разработке методического и технического обеспечения регионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе.

Выводы.

1. Разработано методическое и техническое обеспечение регионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе.

2. Разработана платформа системы проведения мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях и ее программно-техническое оформление, способное получать и обрабатывать информацию о загрязнениях атмосферы практически в автоматическом режиме и близко к реальному времени. Принцип работы программно-технического комплекса - ежечасное перемещение используемых мобильных

постов, расставляемых по разработанному алгоритму создания оптимальной сети постов мониторинга загрязнений атмосферы региона с учетом реальной гидрометеорологической обстановки. Погрешность определения величины индекса загрязнения атмосферы в неэкстремальных метеоусловиях не превосходит 30 %. Проведена апробация системы оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона (составленной из имеющейся аппаратуры) в натурных условиях на побережье озера Байкал и в г. Геленджике. Продемонстрирована работоспособность системы в условиях приморского города, расположенного в сложном рельефе (наличие гор, разноэтажной застройки, границы вода-суша, акватории).

3. Разработан метод оценки потенциальной опасности, как отдельных жизнеспособных бактерий, так и всего их комплекса в атмосферном аэрозоле для человека.

4. Разработан метод оценки вклада в наблюдаемые загрязнения снежного покрова фоновых величин от свежевыпавшего снега.

5. Мониторинг биогенных компонентов на юге Западной Сибири позволил выявить:

• тенденции уменьшения с 1999 по 2009 г. концентраций атмосферного аэрозоля (в 2 раза) и его биогенных компонентов: суммарного белка (в 1,6 раза), жизнеспособных микроорганизмов (в 5 - 8 раз), и двукратного роста доли биогенных компонентов в массе аэрозоля;

• повторяющийся внутригодовой ход на фоне общей тенденции к снижению для концентрации суммарного белка, его доли в общей массе аэрозоля и полных концентрациях жизнеспособных бактерий и жизнеспособных низших грибов: в холодное время года концентрации биогенных компонентов атмосферного аэрозоля, как правило, меньше, чем в теплое время года (годовая гармоника имеет максимальную амплитуду и в вейвлет-спектрах этих концентраций); годовой ход концентраций этих микроорганизмов не выявлен ни для их отдельных родов, ни для больших морфогрупп; амплитуда изменения величины концентрации суммарного белка и его доли в общей массе аэрозоля на высотах 500 - 7000 м составляет ± 30 - 40 %, а концентрации жизнеспособных микроорганизмов примерно ±0,5 логарифма величины;

• уникальные высотные профили концентрации биоаэрозолей в атмосфере юга Западной Сибири: падение концентрации суммарного белка и полной концентрации жизнеспособных микроорганизмов с ростом высоты на-

блодения от 500 до 7000 м для каждого года из всего периода наблюдений составляет 2-3 раза, тогда как счетная концентрация аэрозольных частиц с диаметром более 0,4 мкм на тех же высотах спадает более чем на порядок величины;

• слабый рост доли суммарного белка в полной массе аэрозоля на тех же высотах;

• отсутствие внутригодовой динамики изменения этих профилей, что свидетельствует о слабости локальных источников биоаэрозолей в регионе даже в теплое время года по сравнению с их удаленными источниками.

• подобие закономерностей загрязнения снежного покрова биогенными компонентами атмосферного аэрозоля даже в том случае, если источники аэрозоля не являются биогенными и для зим с аномальными погодными условиями.

• возможность оценки мощности выбросов биоаэрозолей от локальных источников аэрозолей по маршрутным съемкам загрязнения снежного покрова биогенными веществами.

6. Статистический анализ данных мониторинга концентраций суммарного белка и жизнеспособных микроорганизмов в атмосфере на высотах 500 -7000 м свидетельствует о различной физической природе статистики концентрации суммарного белка и концентрации жизнеспособных микроорганизмов. Статистика концентрации жизнеспособных микроорганизмов описывается дискретным законом (распределением Пуассона), а статистика концентрации суммарного белка - законом континуальной статистики (модификацией логарифмически-нормального распределения). Максимальное число молекул суммарного белка находится во фракции частиц с аэродинамическими диаметрами 0,16 - 0,4 мкм, а массовая доля суммарного белка максимальна во фракции частиц 2,1-10 мкм.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ для публикации основных результатов диссертации

1. Анкилов А.Н., Бакланов A.M., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Малышкин

С.Б., Олькин С.Е., Пьянков О.В., Пьянкова О.Г., Сафатов А.С., Сергеев

А.Н. Оценка биологической компоненты атмосферного аэрозоля на юге

западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 6. С. 507511.

2. Топорков B.C., Бакиров Т.С., Генералов В.М., Сафатов A.C. Отбор биологических частиц в верхних слоях атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 6. С. 549-552.

3. Андреева И .С., Белан Б.Д., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Панченко М.В., Петрищенко В.А., Пьянков О.В., Резникова И.К., Сафатов A.C., Сергеев А.Н., Степанова Е.В. Изучение изменчивости биогенной компоненты атмосферного аэрозоля над лесными массивами Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13, № 6-7. С. 639-643.

4. Белан Б.Д., Бородулин А.И., Марченко Ю.В., Олькин С.Е., Панченко М.В., Пьянков О.В., Сафатов A.C., Буряк Г.А. Изучение изменчивости белковой компоненты атмосферного аэрозоля над лесными массивами юга Западной Сибири // Доклады академии наук. 2000. Т. 374, № 6. С. 827-829.

5. Андреева И.С., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Коковкин В.В., Олькин С.Е., Петрищенко В.А., Рапута В.Ф., Резникова И.К., Сафатов A.C., Степанова Е.В. Оценка биогенных загрязнений в снежном покрове в окрестности Новосибирска // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14, № 6-7. С. 547550.

6. Андреева И.С., Белан Б.Д., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Жуков В.А., Панченко М.В., Пененко В.В., Петрищенко В.А., Сафатов A.C. Изучение изменчивости содержания живых микроорганизмов в атмосферном аэрозоле на юге Западной Сибири //Доклады академии наук. 2001, Т. 381, № 2, С. 278-282.

7. Анкилов А.Н., Бакланов A.M., Белан Б.Д., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Жуков В.А., Панченко М.В., Пененко В.В., Петрищенко В.А., Сафатов

A.C. Годовое изменение концентрации суммарного белка в биогенной компоненте атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14, № 6-7. С. 520-525.

8. Андреева И.С., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Жуков В.А., Зыков C.B., Марченко Ю.В., Марченко В.В., Олькин С.Е., Петрищенко В.А., Пьянков О.В., Резникова И.К., Репин В.Е., Сафатов A.C., Сергеев А.Н., Рапута

B.Ф., Пененко В.В., Цветова Е.А., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Панченко М.В., Анкилов А.Н., Бакланов A.M., Власенко А.Л., Куценогий К.П., Макаров В.И., Чуркина Т.В. Биогенная компонента атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития, 2002. Т. 10, №5. С. 547-561.

9. Андреева И.С., Бородулин А.И., Буряк Г.А. Олькин С.Е., Петрищенко В.А., Рапута В.Ф., Резникова И.К., Сафатов A.C. Изучение биогенной компоненты атмосферного аэрозоля, аккумулированного в снежном по-

крове вблизи некоторых источников аэрозолей // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 5-6. С. 471-474.

10. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Белан Б.Д., Панченко М.В. О статистике концентрации атмосферного биоаэрозоля // Доклады академии наук. 2002. Т. 385, № 1. С. 113-115.

11. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Марченко В.В., Шабанов А.Н., Белан Б.Д., Панченко М.В. Высотная и сезонная изменчивость концентрации тропосферного аэрозоля юга Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 5-6. С. 422-425.

12. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Белан Б.Д., Панченко М.В. О статистике концентрации тропосферного биоаэрозоля юга Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 5-6. С,- 519-522.

13. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Хуторова О.Г., Куценогий К.П., Макаров В.И. О структуре приземных полей концентрации аэрозолей суммарного атмосферного белка в окрестностях г. Новосибирска // Доклады Академии наук. 2003. Т. 392, № 2. С. 280-282.

14. Сафатов A.C., Андреева И.С., Анкилов А.Н., Бакланов A.M., Белан Б.Д., Бородулин А.И., Буряк Г.А., Иванова H.A., Куценогий К.П., Макаров

B.И., Марченко Ю.В., Марченко В.В., Олькин С.Е., Панченко М.В., Пет-рищенко В.А., Пьянков О.В., Резникова И.К., Сергеев А.Н. Доля биогенной компоненты в атмосферном аэрозоле на юге Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 5-6. С. 532-536.

15. Аграновский И.Е., Сергеев А.Н., Пьянков О.В., Петрищенко В.А., Агафонов А.П., Игнатьев Г.М., Бородулин А.И., Сафатов A.C. Тестирование нового персонального пробоотборника для обнаружения жизнеспособных вирусов в аэрозоле // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17, № 5-6.

C. 483-487.

16. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Хуторова О.Г., Куценогий К.П., Макаров В.И. Вейвлетная структура полей концентрации суммарного атмосферного белка в приземном слое атмосферы окрестностях Новосибирска // Метеорология и гидрология. 2004. № 2. С. 72-78.

17. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Хуторова О.Г., Белан Б.Д., Панченко М.В. О периодической структуре полей концентрации биоаэрозолей в тропосфере юга Западной Сибири // Доклады Академии наук. 2004. Т. 398, № 6. С. 800-802.

18. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Шабанов А.Н., Хуторова О.Г., Куценогий К.П., Макаров В.И. Периодическая структура приземных полей аэрозолей, содержащих атмосферный белок, в окрестностях г. Новосибирска // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17, № 5-6. С. 457-460.

19. Agranovski I.E., Safatov A.S., P'ankov O.V., Sergeev A.N., Agafonov A.P., Ignatiev G.M., Ryabchikova E.I., Borodulin A.I., Sergeev A.A., Doerr H.W., Rabenau H.F., Agranovski V. Monitoring of airborne SARS virus // Atmos. Environ. 2004. V. 38, N 23. P. 3879-3884.

20. Agranovski I.E., Safatov A.S., Borodulin A.I., Pyankov O.V., Petrishchenko V.A., Sergeev A.N., Agafonov A.P., Ignatiev G.M., Sergeev A.A., Agranovski V. Inactivation of viruses in bubbling processes utilized for personal bioaerosol monitoring// Appl. Environ. Microbiol. 2004. V. 70, N 12. P. 6963-6967.

21. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Хуторова О.Г., Белан Б.Д., Панченко М.В. Погрешности измерений концентрации тропосферных биоаэрозолей на юге Западной Сибири // Доклады академии наук. 2005. Т. 403, № 1.С. 135-137.

22. Borodulin A.I., Safatov A.S., Shabanov A.N., Yarygin A.A., Khutorova O.G., Belan B.D., Panchenko M.V. Physical characteristics of concentration fields of tropospheric bioaerosols in the South of Western Siberia // J Aerosol Sci. 2005. V. 36, N5-6. P. 785-800.

23. Agranovski I.E., Safatov A.S., Borodulin A.I., Pyankov O.V., Petrishchenko V.A., Sergeev A.N., Sergeev A.A., Agranovski V., Grinshpun S.A. New personal sampler for viable airborne viruses: feasibility study // J Aerosol Sci.

2005. V. 36, N5-6. P. 609-617.

24. Бородулин А.И., Сафатов A.C., Белан Б.Д., Панченко М.В., Пененко В.В., Цветова Е.А. Высотные профили концентрации биоаэрозолей в тропосфере юга западной Сибири // Доклады академии наук. 2005. Т. 404, № 2. С. 247-249.

25. Бородулин А.И., Сафатов А.С., Ярыгин А.А., Хуторова О.Г., Белан Б.Д., Панченко М.В. Анализ погрешностей измерений концентрации тропосферных биоаэрозолей на юге Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 5-6. С. 502-505.

26. Agranovski I.E., Safatov A.S., Pyankov O.V., Sergeev A.A., Sergeev A.N., Grinshpun S.A. Long-term sampling of viable airborne viruses // Aerosol Sci. Technol. 2005. V. 39, N 9. P. 912-918.

27. Agranovski I.E., Safatov A.S., Sergeev A.A., Pyankov O.V., Petrishchenko V.A., Mikheev M.V., Sergeev A.N. Rapid detection of airborne viruses by personal aerosol sampler combined with the PCR device // Atmos. Environ.

2006. V. 40, N 20. P. 3924-3929.

28. Pyankov O.V., Agranovski I.E., Pyankova O., Mokhonova E., Mokhonov V., Safatov A.S., Khromykh A.A. Using a bioaerosol personal sampler in combination with real-time PCR analysis for rapid detection of airborne viruses // Environ. Microbiol. 2007. V. 9, N 4. P. 992-1000.

29. Буряк Г.А., Сафатов A.C., Андреева И.С., Олькин С.Е., Резникова И.К., Пучкова Л.И., Афонина B.C., Винокурова А.В., Смоляков Б.С., Шинко-ренко М.П., Макаренко Т.Н., Шуваева О.В. Оценка содержания биогенных компонент в свежевыпавшем снеге // Оптика атмосферы и океана.

2007. Т. 20, № 10. С. 922-927.

30. Аграновский И.Е., Сафатов А.С., Пьянков О.В., Сергеев А.А., Сергеев А.Н. Долговременный пробоотбор аэрозолей жизнеспособных вирусов // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20, № 11. С 1033-1038.

31. Safatov A.S., Andreeva I.S., Belan B.D., Buryak G.A., Emel'yanova E.K., Jaenicke R., Panchenko M.V., Pechurkina N.I., Puchkova L.I., Repiri V.E., Sa-ranina I.V., Sergeev A.N. To what extent can viable bacteria in atmospheric aerosols be dangerous for humans? // Clean. 2008. V. 36, N 7. P. 564-571.

32. Agranovski I.E., Safatov A.S., Agafonov A.P., Pyankov O.V., Sergeev A.N. Monitoring of airborne mumps and measles viruses in a hospital // Clean. 2008. V. 36, N 10-11. P. 845 -849.

33. Сергеев A.H., Сафатов A.C., Агафонов А.П., Андреева И.С., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Буряк Г.А., Генералов В.М., Захарова Ю.Р., Лаптева Н.А., Олькин С.Е., Панченко М.В., Парфенова В.В., Резникова И.К., Си-моненков Д.В., Теплякова Т.В., Терновой В.А. Сравнение присутствия химических и биологических маркеров в поверхностном микрослое воды акваторий курортных зон озера Байкал и в атмосферном аэрозоле этого региона // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22, № 6. С. 585-594.

34. Сафатов А.С., Теплякова Т.В., Белан Б.Д., Буряк Г.А., Воробьева И.Г., Михайловская И.Н., Панченко М.В., Сергеев А.Н. Концентрация и изменчивость состава микромицетов в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22, № 9. С. 901 - 907.

35. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.С., Козлов B.C., Панченко М.В., Пеннер И.Э., Пестунов Д.А., Сафатов А.С., Симоненков Д.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В., Шаманаев B.C., Шмар-гунов В.П. Самолет-лаборатория АН-30 «Оптик-Э»: 20 лет исследований окружающей среды // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22, № 10. С. 950-957.

Работы, опубликованные в сборниках научных трудов, материалах конференций и других изданиях:

1. Александров B.C., Беркутов А.В., Бачинский А.Г., Бородулин А.И., Криницын JI.A., Мартынюк Р.А., Нетесов С.В., Попов А.С., Сандахчиев Л.С., Сафатов А.С., Ставский Е.А., Чернов В.И. Проблемы защиты населения Сибирского региона от природных и техногенных угроз биологического характера // Материалы научно-практ. конф. «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий - устойчивое развитие Сибирского региона». Новосибирск, 2004. С. 26-27.

2. Safatov A.S., Andreeva I.S., Buryak G.A., Marchenko V.V., Marchenko Yu.V., Olkin S.E., Reznikova I. K„ Repin V.E., Sergeev A.N., Penenko V.V., Tsvetova E.A., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Panchenko M.V., Tolmachev G.N., Baklanov A.M., Koutsenogii K.P., Makarov V.I., Popova S.A. The results of 7-year monitoring of the biogenic components of atmospheric aerosol in Southwestern Siberia// Chemical Engineering Transactions. 2006. V. 10. P. 401-406. .

3. Андреева И.С., Анкилов A.H., Бакланов A.M., Бондарчук E.H., Бородулин А.И., Бурдуков А.П., Буряк Г.А., Быков А.А., Виноградова А.А., Го-

лобокова Л.П., Головко В.В., Горшков А.Г., Дубровская О.А., Жуков В.А., Захаренко B.C., Зыков С.В., Иванов А.В., Иванов В.А., Иванов В.П., Иванова Г.А., Иванова Н.А., Истомин В.Л., Климович М.Ю., Коковкин В.В., Кочубей Д.И., Кривенцов В.В., Куценогий К.П., Куценогий П.К., Лисицын А.П., Лупян Е.А., Мазуров А.А., Макаров В.И., Макухин В.Л., Мальбахов В.М., Маринайте И.И., Марченко В.В., Марченко Ю.В., Мищенко П.А., Моложникова-Чипанина Е.В., Молородов Ю.И., Назиров P.P., Нецветаева О.Г., Оболкин В.А., Олькин С.Е., Онищук Н.А., Пармон В.Н., Полищук Ю.М., Пономарев Е.И., Попов В.И., Попова С.А., Потемкин В.Л,, Прошин А.А., Пушкин С.Г., Рапута В.Ф., Резникова И.К., Репин В.Е., Ромасько В.Ю., Самсонов Ю.Н., Сафатов А.С., Сергеев А.Н., Смирнов В.В., Смирнов Н.П., Смоляков Б.С., Сухинин А.И., Счастливцев Е.Л., Токарева О.С., Трубина Л.К., Трухан С.Н., Фалеев В.Л., Федотов

A.M., Флитман Е.В., Ходжер Т.В., Хуторова О.Г., Чернова Г.В., Швецов Е.Г., Шевченко В.П., Шлычков В.А., Штайн Р. Аэрозоли Сибири. / Под ред. К.П. Куценогого. Новосибирск: Наука, 2006. 548 с.

4. Safatov A., Buryak G., Andreeva I., Olkin S., Reznikova I., Sergeev A., Belan

B., Panchenko M., Simonenkov D., Tolmachev G. Altitude profiles of biogenic components of atmospheric aerosols in southwestern Siberia // Chemical Engineering Transactions. 2008. V. 16. P. 225-232.

5. Исследование и разработка технологии оперативного контроля качества воздуха в приморских городах и курортных зонах // Заключительный отчет по Госконтракту № 02.515.11.5087 от 26 июня 2008 г. № Госрегистрации: 0120.0 852087. 554 с.

6. Agranovski I.E., Lushnikov А.А., Maisels A., Nasibulin A.G., Shasndakov S.D., Popovicheva O.B., Ogorodnikov B.I., Сzitrovszky A., Zagainov V.A., Sadovsky B.F., Kirsch V.A., Kirsch A.A., Ivlev L.S., Grinshpun S.A., Safatov

A.S., Buryak G.A., Andreeva I.S., Olkin S.E., Reznikova I.K., Sergeev A.N., Belan B.D., Panchenko M.V. Aerosols - Science and Technology. /Ed. I. Agranovski. Wienheim: Wiley - VCH, 2010. 492 p.

7. Safatov A.S., Arshinov M.Yu., Baklanov A.M., Buryak G.A., Generalov V.M.,Kiselev S.A., Kozlov A.S., Malyshkin S.B., Olkin S.E., Peznikova I.K., Sergeev A.N., Belan B.D., Simonenkov D.V. An estimation of sea aerosol part in seashore town Gelendzhik's air in the 2009 summer // Chemical Engineering Transactions. 2010. V. 22. P. 113-118.

Патент:

1. Способ построения постов мониторинга загрязнения атмосферы и определения характеристик источников ее загрязнения: пат. 2397514 Российская Федерация. / 20009121021/28 заяв: от 02.06.2009 г. опубл. 20.08.10. Бюл. № 23. / Сафатов А.С., Сергеев А.Н., Десятков Б.М., Генералов

B.М., Буряк Г.А., Лаптева Н.А., Белан Б.Д., Симоненков Д.В., Толмачёв Г.Н.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВИРУСОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ «ВЕКТОР» РОСПОТРЕБНАДЗОРА МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правам рукописи

05201151205

САФАТОВ Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА БИОАЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Д-р физ.-мат. наук, профессор Суторихин И.А.

Барнаул - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1 БИОАЭРОЗОЛИ В АТМОСФЕРЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 19

1.1 Методы изучения атмосферных биоаэрозолей 20

1.2 Методы изучения состава атмосферных биоаэрозолей 32

1.3 Пространственно-временная динамика концентрации биоаэрозо- 41 лей

1.4 Источники биоаэрозолей и оценка их положения 47

1.5 Перенос биоаэрозолей в атмосфере 51

1.6 Влияние биоаэрозолей на здоровье человека 54

1.7 Выводы по главе 1 55 ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМО- 59

СФЕРНЫХ БИОАЭРОЗОЛЕЙ

2.1 Пробоотбор атмосферных аэрозолей 59

2.2 Методы анализа химического состава атмосферных биоаэрозо- 68 лей и их морфологии

2.3 Методы выявления и характеризации микроорганизмов в соста- 72 ве атмосферных биоаэрозолей

2.4 Моделирование переноса аэрозолей в приземном слое атмосфе- 79 ры

2.5 Анализ временных рядов наблюдений концентраций компонен- 82 тов атмосферных биоаэрозолей

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНЫХ БИО- 84 АЭРОЗОЛЕЙ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Временная изменчивость концентраций и состава компонентов, 84 атмосферных биоаэрозолей

3.2 Пространственная изменчивость концентраций и состава компо- 126

нентов атмосферных биоаэрозолей

3.3 Возможные источники атмосферных биоаэрозолей и их перенос 134 в атмосфере

3.4 Использование проб снежного покрова при анализе атмосфер- 149 ных биоаэрозолей

3.5 Потенциальная опасность атмосферных биоаэрозолей для чело- 162 века и животных

3.6 Выводы по главе 3 175 ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМ- 179

ПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ РЕГИОНА В ПОСТОЯННО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЯХ

4.1 Обоснование выбора платформы аппаратурно-программного 180 комплекса для проведения оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона

4.2 Описание технического решения платформы системы оператив- 185 ного мониторинга загрязнений атмосферы региона

4.3 Оценка возможных ошибок и погрешности проводимых измере- 194 ний

4.4 Апробация платформы системы оперативного мониторинга за- 216 грязнений атмосферы региона в натурных условиях

4.5 Выводы по главе 4 245 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 246 ВЫВОДЫ 250 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 253

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АФА-ХА - аналитические фильтры аэрозольные для химического анализа БХЗ - Бердский химический завод ИЗ А - индекс загрязнения атмосферы

ИНХ - Институт неорганической химии им. А.В. Николаева ИХКиГ - Институт химической кинетики и горения КАА - крахмало-аммиачная среда КОЕ - колониеобразующие единицы

ЛИДАР - транслитерация LIDAR (Light Identification, Detection and Ranging) - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах

ЛПР - лицо, принимающее решения МА - молочный агар

МНТЦ - Международный научно-технический центр НЭЗ - Новосибирский электродный завод

ОТ-ПЦР - полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией ОУ - органический углерод

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды

ПДК - предельно допустимая концентрация

ПМС - поверхностных микрослой

ПЦР - полимеразная цепная реакция

ПЭГ - полиэтиленгликоль

РФФИ - Российский фонд фундаментальных исследований СО РАН — Сибирское отделение Российской академии наук среда LB - среда Luria-Bertani

ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» - Федеральное государственное учреждение науки Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор»

ЭДТА - этилендиаминтетрауксусная кислота

CBQCA - 3-4-карбоксибензоил хинолин-2-карбоксиальдегид

HYSPLIT - HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (гибридная

одночастичная Лагранжевая интегрированная траектория) MOUDI - microorifice uniform deposit impactor (импактор с микроорверстиями

лоя однородного осаждения частиц аэрозоля) NCEP - National Centers for Environmental Prediction (Национальный центр

предсказания изменений окружающей среды, США) NCAR - National Center for Atmospheric Research (Национальный центр атмосферных исследований, США) OA - органические аэрозоли океанского происхождения РМ - массовая концентрация аэрозольных частиц в атмосфере PMj - массовая концентрация аэрозольных частиц в атмосфере чей диаметр

не превосходит i мкм РОА - первичные органические аэрозоли SOA - вторичные органические аэрозоли

ВВЕДЕНИЕ

Согласно определению, данному в самом полном справочнике по биоаэрозолям [1], «биоаэрозоль — это аэрозоль, содержащий частицы биологического происхождения или несущие биологическую активность, которые могут воздействовать на живых существ через инфекционные, аллергические, токсические, фармакологические или другие процессы. Размеры частиц простираются от примерно 0,5 до 100 мкм по аэродинамическому диаметру». Данное определение исключает аэрозольные частицы меньших размеров, имеющие биологическое происхождение (например, нуклеационные аэрозоли из компонент биологического происхождения, такие как изопренолы [2,3], морские аэрозоли [4,5] и др.), а также те аэрозоли меньших размеров, которые несут биологическую активность (например, лекарственные или токсичные наноаэрозоли [6-10]). Вирусные частицы, имеющие, как правило, размеры менее 0,5 мкм, находятся в области размеров, указанной в определении, поскольку, являясь облигатными паразитами, вирусы попадают в атмосферу вместе с системой, в которой они реплицировались: клетка или ее фрагменты [11-13].

Для атмосферных биоаэрозолей, находящихся в диапазоне размеров от примерно 0,5 до 100 мкм по аэродинамическому диаметру, целесообразно разделять частицы небиогенного происхождения, которые несут биологическую активность, и частицы биогенного происхождения. Первая категория аэрозолей, куда относятся токсичные аэрозоли небиологического происхождения широкого диапазона размеров - от частиц в единицы и даже в доли нанометра до частиц диаметром в сотни микрометров, является предметом изучения аэрозольной токсикологии (включая аллергические проявления) и аэрозольной фармакологии, изучающей воздействие на живых существ лекарственных и лечебных аэрозолей. Вторая категория атмосферных биоаэрозолей является, с точки зрения автора, предметом изучения атмосферной аэробиологии. В настоящей работе основное внимание будет сосредоточено

именно на этой части атмосферных биоаэрозолей - тех, которые имеют биологическое происхождение.

Атмосферные биоаэрозоли, кроме «обычного» для атмосферных аэрозолей воздействия на климатические процессы (перераспределение радиационных потоков в атмосфере [14-17], образования ледяных ядер или капель воды на аэрозольных частицах в облаках [18-21] с последующем выпадением дождя и снега и др.), воздействия на здоровье населения путем увеличения частоты некоторых заболеваний, прежде всего, аллергий [22-26], могут вызывать и инфекционные заболевания человека, животных и растений [22,23,27-33].

В современных условиях актуальность исследования именно атмосферных биоаэрозолей существенно выросла. Это обусловлено следующими обстоятельствами.

• Во-первых, глобальные климатические процессы (наблюдающееся потепление) могут привести к изменению мощности источников биоаэрозолей и их трансформации, что проявится в изменении концентрации, химического и биологического состава атмосферных биоаэрозолей в различных регионах Земли и, в свою очередь, изменит протекание атмосферных процессов в этих регионах. Зафиксировав изменения концентрации, химического и биологического состава биоаэрозолей в регионе, можно обоснованно выявить происходящие в природе изменения и получить данные для уточнения прогнозов климатических изменений.

• Во-вторых, климатические изменения приводят к сдвигу ареалов распространения растений, животных и микрофлоры, являющимися источниками различных патогенов, путей переносов последних в атмосфере и, следовательно, появлению новых регионов, куда ранее эти патогены не проникали [34,35]. В связи с этим, изменяются эпидемическая и эпизоотическая ситуации в регионе. Для прогноза их развития необходимы данные по изменению концентраций и разнообразия микроорганизмов, находящихся в атмосферном аэрозоле региона.

• В третьих, в современном мире существует угроза выброса в атмосферу опасных биоаэрозолей на основе патогенных микроорганизмов и их токсинов, которая может быть создана при осуществлении актов биотерроризма [36,37], а также в процессе техногенных и природных катастроф. Здесь возникают две очень важные проблемы: экспресс детекции и идентификации малых концентраций таких аэрозолей [38,39] и учета «биоаэрозольного фона» региона, присутствие которого, с одной стороны, маскирует опасные аэрозоли и, с другой стороны, создает проблему ложного сигнала детекции опасных биоаэрозолей. Поэтому знание концентрации и разнообразия микроорганизмов, обычно встречающихся в атмосферном аэрозоле региона, позволит более надежно обнаруживать опасные биоаэрозоли.

• В четвертых, постоянно присутствующие в атмосфере аэрозоли (включая биоаэрозоли) оказывают определенное влияние на различные компоненты экологических систем и, в частности, на здоровье человека. Для многих токсичных соединений, входящих в состав аэрозольных частиц, разработаны гигиенические нормативы, регламентирующие предельно допустимые концентрации этих веществ в атмосфере [40-42]. Такие нормативы установлены и для некоторых биогенных компонентов атмосферных аэрозолей [43]. Вместе с тем, до настоящего времени не было разработано подходов к комплексной оценке опасности, которую представляют микроорганизмы, находящиеся в атмосферном аэрозоле для населения региона.

Известно, что атмосферный аэрозоль является динамичной системой, в нем постоянно проходят следующие процессы: образование новых частиц за счет нуклеации паров находящихся в воздухе веществ (в том числе и биогенных [2,3,44]); уменьшение концентрации частиц за счет коагуляции и различных механизмов осаждения частиц [44,45]; изменение состава частиц за счет разнообразных химических реакций, проходящих в объеме и на поверхности частиц, в том числе в адсорбционных слоях [46-49]. Кроме того, находящиеся в биоаэрозоле жизнеспособные микроорганизмы в изменяющихся внешних условиях подвергаются действию различных стрессов, кото-

рые вызывают их инактивацию [1,50-53]. Поэтому мониторинг концентрации биоаэрозоля и его химического состава необходимо проводить в реальном времени. Однако, как будет показано в главе 1, в настоящее время нет ни методического, ни технического обеспечения мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воздухе. Для того чтобы отследить изменения характеристик биоаэрозолей в пространстве, нужно проводить измерения и, при необходимости, пробоотбор, в нескольких точках одновременно. Следовательно, необходимо разработать методическое и техническое обеспечения мониторинга широкого спектра характеристик аэрозоля (и, в том числе, биоаэрозоля) одновременно в нескольких точках контролируемого региона в режиме, близком к реальному времени.

Все это позволяет сформулировать следующую цель работы: разработка методического и технического обеспечения регионального мониторинга характеристик аэрозоля (и, в том числе, биоаэрозоля) одновременно в нескольких точках контролируемого региона в режиме, близком к реальному времени.

Исходя из сформулированной цели работы, можно определить основные задачи исследования.

1. Проведение долговременного мониторинга концентрации и представительства различных компонентов биоаэрозолей в атмосферном аэрозоле юга Западной Сибири в различных условиях с целью выявления основных характеристик контролируемого объекта. Мониторинг должен дать информацию о:

• временной (суточной, сезонной, долговременной) изменчивости концентраций и состава компонентов атмосферных биоаэрозолей;

• пространственном изменении концентраций и состава компонентов атмосферных биоаэрозолей;

• возможных источниках атмосферных биоаэрозолей и их переносе в атмосфере.

2. Разработка системы для оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях и аппара-турно-программного комплекса этой системы.

Объект исследования - атмосферный биоаэрозоль.

Методы проведения исследований.

Для оценки изменчивости объекта исследования мониторинг атмосферного биоаэрозоля юга Западной Сибири проводился в двух наземных точках и при самолетном зондировании атмосферы. При апробации разработанной системы оперативного мониторинга загрязнений атмосферы региона измерения проводились на озере Байкал и в районе г. Геленджика. Измерения основывались как на определении ряда характеристик аэрозоля в реальном времени, которые дополнялись гидрометеорологическими величинами, отражающими условия проведения измерений, так и на анализе химического и биологического состава отобранных проб аэрозоля. Среди определяемых характеристик аэрозоля в реальном времени - концентрации и дисперсный состав аэрозоля. Отобранные пробы аэрозоля исследовались по химическому составу (элементный, ионный состав, концентрации некоторых химических и биологических соединений) и по присутствию в аэрозоле жизнеспособных микроорганизмов (их концентрации и некоторым морфологическим и биохимических характеристикам). Для описания процессов распространения биоаэрозолей в атмосфере использовались различные математические модели как локального, так и полусферного масштаба. Более детально все использовавшиеся в работе методы описаны в Главе 2.

Научная новизна работы

1. Разработано организационно-методическое и программно-техническое обеспечение мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях.

2. Создана система мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях на основе мобильных постов мониторинга, количество и положение которых определяется расчетным путем исходя из развертывания оптимальной сети постов этого мониторинга в существующих на момент проведения измерений гидрометеорологической обстановки в контролируемом регионе.

3. Разработан метод оценки потенциальной опасности всего комплекса жизнеспособных бактерий в атмосферном аэрозоле для человека.

4. На основании данных мониторинга

• впервые в мире получены долгосрочные (свыше 10 лет) пространственно-временные динамики изменения концентрации биогенных компонентов атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири и представительства входящих в их состав жизнеспособных микроорганизмов;

• выявлены уникальные высотные профили изменения концентрации биоаэрозолей в атмосфере юга Западной Сибири.

• проведена оценка величин выбросов от локальных источников аэрозолей (как биогенных, так и небиогенных) по загрязнению снежного покрова биогенными компонентами атмосферного аэрозоля с учетом фоновых биогенных загрязнений свежевыпавшего снега.

• показано, что для юга Западной Сибири основной вклад в наблюдаемые концентрации биоаэрозолей дают удаленные источники биоаэрозолей; для которых возможно определить их тип по химическим и или биологическим маркерам, а точная географическая привязка в настоящее время не возможна.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Организационно-методическое и программно-техническое обеспечение мониторинга загрязнений атмосферы региона в постоянно изменяющихся внешних условиях. Разработанная система мониторинга позволяет:

• проводить оперативный мониторинг загрязнений атмосферы региона, как для газовых, так и для широкого спектра загрязнителей, входящих в состав аэрозольных частиц в диапазоне размеров 3 нм - 32 мкм;

• вычислять величины индекса загрязнения атмосферы по формуле (1) и их аналоги, определенные для временных интервалов менее чем в 24 часа;

• строить поля этого индекса и поля концентраций отдельных загрязнителей атмосферы для всего контролируемого региона.

2. Биогенные компоненты атмосферного аэрозоля, аккумулированные в снежном покрове, дают, с учетом фоновых загрязнений свежевыпавшего снега, информацию о суммарных выбросах от локальных источников аэрозолей, состоящих из как биогенных, так и небиогенных веществ