Разработка методического и технического обеспечения ре-гионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воз-духе Сафатов, Александр Сергеевич

Введение к работе

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 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. 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.

1. 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. 1. 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:

      4. 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.

         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.

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

         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.

         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:

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

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

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

         4. использованием современных методов и программ статистической обработки первичных результатов исследования;

         5. 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:

         6. при разработке и создании более совершенных систем мониторинга окружающей среды, включая выявление различных опасных компонентов атмосферного аэрозоля биогенного происхождения на основе разработанного методического и технического обеспечения мониторинга загрязнений атмосферы региона;

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

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

         9. при построении климатических моделей атмосферы;

         10. 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 YAK-AEROSIB; 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 биогенных 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.

         Похожие диссертации на Разработка методического и технического обеспечения ре-гионального мониторинга биоаэрозолей в атмосферном воз-духе

         Разработка информационного обеспечения и исследование фазовой компоненты электромагнитной волны для контроля и диагностирования свойств объектовНиконов, Василий Александрович

         Инфракрасные и световые средства теплового контроля: разработка, исследование, метрологическое обеспечение и внедрениеЗахаренко, Владимир Андреевич

         

         Разработка научно-методического обеспечения локальной системы экологического мониторинга атмосферы территориально-производственного комплексаАрутюнова Анаит Карленовна

         

         Разработка информационного и методического обеспечения мониторинга отходов нано- и микроэлектроникиЕгоркина Регина Юрьевна

         Разработка программно-алгоритмического обеспечения при измерении траекторных параметров объектовБелозёров, Вадим Анатольевич

         Разработка методического и алгоритмического обеспечения контроля напряженного состояния ободьев вагонных колес на основе электромагнитно-акустического методаБалобанов, Евгений Николаевич

         

         Развитие научно-методических основ проектирования кондуктометрических приборов контроля жидкостей и разработка технических средств их метрологического обеспечения.Первухин, Борис Семенович

         Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения установки для измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского "мгновенного" источника теплотыГуров, Андрей Викторович

         

         Разработка методического и программно-технического обеспечения для контроля содержания примесей в приземном слое атмосферы региона оз. Байкал и аридных территорий МонголииАюржанаев, Александр Андреевич

         

         Разработка технологии сахарного печенья функционального назначения Духу Тамара Асланбечевна