Metals and metalloids in PM10 Frection of the road dust of Eastern Moscow

Cover Page

Abstract


The aim of the study is to reveal the features of the accumulation of metals and metalloids (MM) in the PM10 fraction of road dust at different traffic levels in the eastern part of Moscow. Highlighted by elutriation PM10 particles were studied in the municipal areas of Sokolinaya Gora, Perovo, Ivanovo, Novogireevo, Veshnyaki, Novokosino and Kosino-Ukhtomsky of Eastern Administrative District of Moscow. The concentrations of MM in PM10 were determined by mass-spectral and atomic-emission methods. The geochemical specialization of PM10 fraction relative to the upper continental crust has the form Cd22Ag21Sb21Sn11Se10Cu9Bi9Pb8Zn8Mo7W4Te3S2P2, which indicates the technogenic sources of these MM. For the rest MM natural-technogenic and natural sources predominate. The enrichment of the PM10 with Zn increases with the growth of the transport load, the maximum contents of Cu, Mo, Cr, Fe, V, Mn, Ba, Al, Ti and K are typical for large roads, and Sr, Nb, Ga, S, W, Pb and Te for medium roads. The total enrichment of PM10 with MM is maximized on medium and large roads, where a very dangerous ecological situation is formed, on the Moscow Ring Road and small roads it decreases to a dangerous.


Введение Аэрозоли - одни из главных источников поступления металлов и металлоидов в организмы наряду с пищей и водой. В настоящее время основное внимание уделяется экологически опасным частицам РМ10 (диаметром менее 10 мкм), накапливающимся в верхних дыхательных путях [1]. Одним из источников поступления первичного аэрозоля в атмосферу городов является дорожная пыль: движение автотранспорта приводит к выдуванию пыли с дорожного полотна, что обусловливает поступление более половины массы частиц РМ10 в атмосфере [2]. При отсутствии снежного покрова химический состав дорожной пыли является информативным объектом геохимического мониторинга городов, что позволяет выявить основные источники поступления ММ в городскую окружающую среду. В элементном плане лучше изучено распределение Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Cr, Mn, Fe, меньше - Sb, Bi, Mo, Ag, As и других ММ. Содержание ММ в гранулометрических фракциях пыли исследовано недостаточно. В большинстве работ анализируются фракции < 63, 63-250, 250-500, 500-1000 мкм, хотя наиболее экологически опасны менее изученные тонкие фракции пыли и ила (РМ10, РМ1). В Москве в 2016 г. среднегодовые концентрации РМ10 в воздухе составили 0,028 мг/м3 или 0,71 ПДК [3]. По оценкам НИИ автомобильного транспорта, в период с 2011 по 2016 гг. несмотря на сильное увеличение территории города (расширение Москвы в 2012 г.) и рост количества транспортных средств, выбросы твердых частиц от транспорта сократились в 1,3 раза [3]. Вероятно, это произошло из-за использования более чистых марок бензина и повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания: в 2002 г. на легковые автомобили класса Евро0 приходилось около 74%, Евро-1 - 11%, Евро-2 - 8%, Евро-3 - 7% от всех автомобилей города, в то время как в 2012 г. основную массу составляли уже легковые автомобили класса Евро-3 (35%), Евро-4 (33%) и Евро-5 (10%) [4]. Выбросы твердых частиц от легковых автомобилей с дизельным двигателем, работающих на топливе Евро-5 и Евро-6, в 28-36 раз меньше по сравнению с Евро-1 и в 5 раз - по сравнению с Евро-4 [5]. Накопление ММ дорожной пылью изучалось лишь в нескольких городах России [6-9]. Поэтому цель работы - выявить особенности накопления ММ во фракции РМ10 дорожной пыли на разных по интенсивности движения дорогах восточной части Москвы. Для этого решались следующие задачи: · определение геохимической специализации РМ10 дорожной пыли и установление степени обогащенности этих частиц ММ; · выявление различий в составе РМ10 на разных по интенсивности движения дорогах ВМ; · эколого-геохимическая оценка опасности обогащения РМ10 ММ. Материалы и методы Изучалась ВМ, включающая муниципальные районы Соколиная гора, Перово, Ивановское, Новогиреево, Вешняки, Новокосино и Косино-Ухтомский. Основные источники загрязнения здесь - ряд крупных промышленных зон, автомагистралей, ТЭЦ-11, районная тепловая станция «Перово» [10]. Дорожная пыль (n = 16) отбиралась в июле 2013 г. с поверхности дорожного полотна пластиковыми щеткой и совком в трех повторностях на расстоянии 5-10 м в каждой точке после пятидневного сухого периода на дорогах с различной интенсивностью движения (рис. 1): МКАД (около 250 тыс. автомобилей в сутки; точки 3, 5, 8); крупных улицах (80-100 тыс. автомобилей в сутки) - ш. Энтузиастов (т. 2, 16), Носовихинское ш. (т. 4); средних улицах (40-55 тыс.) - Б. Косинская ул. (т. 6), ул. Вешняковская (т. 9, 11), Свободный пр-т (т. 13), перекресток Зеленого пр-та, улиц Перовской и Плеханова (т. 15); малых улицах (20-25 тыс.) - Новогиреевская ул. (т. 1), ул. Дмитриевского (т. 7), перекресток улиц Молдагуловой и Снайперской (т. 10), Союзный пр-т (т. 12), перекресток улиц Металлургов и Мартеновская (т. 14). Затем в Эколого-геохимическом центре МГУ методом отмучивания выделена фракция РМ10, химический состав которой определялся во ВНИИ минерального сырья имени Н.М. Федоровского масс-спектральным (ICP-MS) и атомноэмиссионным (ICP-AES) методами с индуктивно связанной плазмой на массспектрометре “Elan-6100” и атомно-эмиссионном спектрометре “Optima-4300” (“Perkin Elmer”, США) соответственно аналитиками лаборатории. Рис. 1. Точки отбора проб дорожной пыли в ВМ Fig. 1. Road dust sampling sites in the EM. EAO - Eastern Administrative Okrug При обработке полученных данных использовались следующие показатели: коэффициент обогащения Кe = (C / Cнорм)проба / (C / Cнорм)земн.кора, где C и Cнорм - содержание исследуемого и нормирующего элементов соответственно в пробе и в верхней части континентальной земной коры (сравнение производится с земной корой из-за отсутствия фонового аналога дорожной пыли), мг/кг; суммарное обогащение Ze дорожной пыли поллютантами: Ze = åКe - (n - 1) при Ke > 1,5, где n - число элементов с Кe > 1,5 [9]. В качестве градаций экологической опасности для величины Ze приняты уровни суммарного показателя загрязнения, разработанные для пылевой составляющей снега: < 32 - неопасный, 32-64 - умеренно опасный, 64-128 - опасный, 128-256 - очень опасный, > 256 - чрезвычайно опасный [10]. В качестве нормирующего элемента была принята сумма концентраций редкоземельных элементов TR (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Результаты и обсуждение Концентрации Ag, Cd и Sb в частицах РМ10 дорожной пыли ВМ примерно в 20 раз, Sn, Se, Cu, Bi, Pb, Zn и Mo в 6-10 раз, а W, S и P в 2-4 раза больше кларков верхней части континентальной коры. Близкие концентрации установлены для дорожной пыли других городов, в Цюрихе и испанской Жироне содержание некоторых ММ в РМ10 в несколько раз больше, чем в ВМ [11]. Содержание ММ в частицах РМ10 дорожной пыли ВМ (С, мг/кг), кларки элементов (К, мг/кг) и интенсивность обогащения РМ10 ММ Таблица Metals and metalloids (ММ) content in PM10 particles of the road dust in the Eastern Moscow (С, mg/kg), abundances of MM in the upper continental crust (К, mg/kg) and enrichment factor Ке (reference elements - rare-earth elements TR) MM С К Источник кларка (References) Ке MM С К Источник кларка (References) Ке Li 25 33 [15] 0,8 Rb 48 110 [12] 0,5 Be 0,910 2,3 [15] 0,4 Sr 40 270 [15] 0,2 B 25 34 [15] 0,8 Zr 48 193 [13] 0,3 Al 18532 76100 [15] 0,3 Nb 1,4 12 [15] 0,1 P 1399 690 [15] 2,2 Mo 6,8 1,1 [13] 6,8 S 2138 953 [12] 2,5 Ag 1,0 0,053 [13] 21 K 4508 23240 [13] 0,2 Cd 1,8 0,09 [13] 22 Ti 806 3900 [15] 0,2 Sn 25 2,5 [12] 11 V 67 106 [14] 0,7 Sb 16 0,81 [15] 21 Cr 77 92 [15] 0,9 Te 0,062 0,027 [14] 2,5 Mn 432 770 [15] 0,6 Cs 3,2 4,9 [14] 0,7 Fe 28034 40600 [15] 0,8 Ba 178 628 [13] 0,3 Co 17 15 [14] 1,3 Hf 1,6 4,5 [15] 0,4 Ni 56 50 [15] 1,2 W 7,5 2,03 [15] 4,1 Cu 229 27 [14] 9,3 Tl 0,416 0,75 [12] 0,6 Zn 546 75 [15] 8,0 Pb 130 17 [15] 8,4 Окончание таблицы MM С К Источник кларка (References) Ке MM С К Источник кларка (References) Ке Ga 10 14 [12] 0,8 Bi 1,8 0,23 [14] 8,9 Ge 0,548 1,3 [15] 0,5 Th 9,1 10,5 [13] 0,96 As 8,2 5,6 [15] 1,6 U 2,6 2,5 [15] 1,1 Se 0,802 0,09 [13] 9,8 TR 171 189 [12-15] - Примечание. TR - сумма концентраций редкоземельных элементов, для которых использовались следующие оценки кларков верхней части континентальной земной коры: Y [12], Pr, Eu, Gd, Dy [13], Sc, Tm [14], La, Ce, Nd, Sm, Tb, Ho, Er, Yb, Lu [15]. Note. TR - the sum of the concentrations of rare-earth elements for which the following estimates of abundances in the upper continental crust were used: Y [12], Pr, Eu, Gd, Dy [13], Sc, Tm [14], La, Ce, Nd, Sm, Tb, Ho, Er, Yb, Lu [15]. Частицы РМ10 обогащены Cd, Ag, Sb, Sn, Se, Cu, Bi, Pb, Zn, Mo, W, Te, S и P (Кe > 2), что указывает на поступление этих ММ преимущественно от техногенных источников (рис. 2), среди которых выделяют эмиссию частиц машинного масла и атмосферных выбросов сжигания топлива (Sb, Zn, Cu, Pb, Mo), абразию дорожного покрытия и разметки (Ag, Zn, As, W, Cr, V, Co), истирание шин (Sb, Cd, Zn, Pb, Cu, Co, Ni, Cr), износ тормозных колодок и легированных поверхностей (Sb, Ag, Zn, Cu, Pb, Ni, W, Cr) [16-18]. Для As, Co, Ni, U, Th, Cr, Li, B, Ga, Fe, Cs, V, Mn, Tl, Rb, Ge, Be, Hf, Ba, Zr, Al, Ti, K, Sr и Nb (Кe < 2) преобладают природно-техногенные и природные источники поступления - почвообразующие породы, почвы, природные строительные материалы для создания дорожного полотна и др. В среднем частицы РМ10 обогащены (цифра - значение Кe) элементами Cd22, Ag21, Sb21, Sn11, Se10, Cu9, Bi9, Pb8, Zn8, Mo7, W4, Te3, S2, P2. Ke 100 Техногенныеисточники Technohenic sources 10 Природнотехногенные источники Naturaltechnogenic sources Природныеисточники Natural sources 1 Cd Ag Sb Sn Se Cu Bi Pb Zn Mo W Te S P As Co Ni U Th Cr Li B Ga Fe Cs V Mn Tl Rb Ge Be Hf Ba Zr Al Ti K Sr Nb 0,1 Рис. 2. Источники ММ во фракции РМ10 дорожной пыли ВМ [Fig. 2. Sources of MM in PM10 particles of the road dust in the Eastern Moscow] Количество и химический состав дорожной пыли зависит от режима движения, включая тип, скорость и количество маневров, связанных с остановкой [19; 20]. Обычно, с усилением интенсивности движения концентрации Cd, Cu, Pb, Zn, Ni, Ti, Mo, Fe, Zr, K и Ca в дорожной пыли увеличиваются [21]. В РМ10 дорожной пыли ВМ в зависимости от характера связи с интенсивностью транспортной нагрузки элементы делятся на 4 группы: 1 - с усилением транспортной нагрузки Кe увеличивается у Zn; 2 - максимум Кe характерен для Cu, Mo, Cr, Fe, V, Mn, Ba, Al, Ti, K в РМ10 на крупных дорогах; 3 - максимум Кe установлен для Sr, Nb, Ga, S, W, Pb, Te в РМ10 на средних дорогах; 4 - Кe слабо отличается на разных дорогах у Sn, As, Sb, Se, Ge, Bi, Ni, Cd, Be, Ag, P, B, U, Hf, Rb, Cs, Li, Tl, Zr, Th и Co (рис. 3). R 3,0 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6 Ga W Te S Cr Fe Sr Ba Al Pb Nb Mn Cu K V Ti Mo Zn Sn As Sb Se Ge Bi Ni Cd Be Ag P B U Hf Rb Cs Li Tl Zr Th Co 0,2 МКАД/М МКАД/С МКАД/К К/М К/С С/М Рис. 3. Отношения Ке ММ в пыли разных дорог (R, раз): М - малых; С - средних; К - крупных и МКАД [Fig. 3. Relations of enrichment factors Ке of MM in PM10 particles of the road dust on different roads of Eastern Moscow (R, times): M - small roads; C - medium roads; K - large roads; МКАД - Moscow Ring Road] Обогащенность РМ10 ММ на дорогах с разным по интенсивности транспортным потоком объясняется двумя причинами. Первая - «механическая»: из-за выдувания мелких частиц с дорожного полотна при росте скоростей движения транспорта и большей продуваемости крупных магистралей по сравнению с малыми в дорожной пыли постепенно увеличивается доля крупных частиц. На малых и средних улицах выбросы транспорта содержат большее количество мелких частиц за счет истирания тормозных колодок, шин и дорожного покрытия в результате частых прерываний движения из-за большого количества светофоров, остановок общественного транспорта, дорожных пробок и др. Так, заторы, уменьшающие скорость транспортного потока до 20 км/ч, приводят к увеличению выбросов на 30% [22]. Вторая - «химическая»: различия в химической специализации выбросов разных типов транспорта. Так, на малых и средних внутриквартальных дорогах велика доля пассажирского транспорта (автобусов, троллейбусов, микроавтобусов и др.), а на крупных магистралях и МКАД их доля уменьшается одновременно с увеличением количества грузовых и легковых автомобилей. Согласно работе [3], в Москве концентрации СО и NO2 в воздухе рядом с автотрассами в пределах третьего транспортного кольца почти в 2 раза выше, чем на удалении от центра города (в пределах от третьего транспортного кольца до МКАД). При этом, 56% всех твердых частиц поставляют грузовые автомобили массой более 3,5 т, 29% - автобусы, 10% - легковые автомобили и 5% - грузовые массой менее 3,5 т [3]. Наиболее сильно концентрируют ММ частицы РМ10 на средних и крупных дорогах, где Ze составляет 135, что соответствует очень высокому уровню с очень опасной экологической ситуацией. Этот коэффициент уменьшается как с ростом интенсивности движения, равняясь на МКАД 125 единицам, так и с его снижением - в РМ10 на малых дорогах он опускается на 33 единицы до 102, что в обоих случаях формирует сильное загрязнение с опасной экологической ситуацией. Это, вероятно, связано с различиями в химическом составе выбросов и структуре автопарка на разных типах дорог. Выводы 1. Геохимическая специализация частиц РМ10 дорожной пыли ВМ имеет вид (в единицах Ke) Cd22Ag21Sb21Sn11Se10Cu9Bi9Pb8Zn8Mo7W4Te3S2P2, что указывает на поступление этих ММ преимущественно от техногенных источников. Для As, Co, Ni, U, Th, Cr, Li, B, Ga, Fe, Cs, V, Mn, Tl, Rb, Ge, Be, Hf, Ba, Zr, Al, Ti, K, Sr и Nb преобладают природно-техногенные и природные источники. 2. Интенсивность обогащения РМ10 ММ зависит от типа дороги. Обогащенность РМ10 Zn увеличивается с ростом транспортной нагрузки, максимумы содержания Cu, Mo, Cr, Fe, V, Mn, Ba, Al, Ti и K в РМ10 характерны для крупных дорог, а Sr, Nb, Ga, S, W, Pb и Te - средних дорог, что связано с выдуванием частиц и различием в химической специализации выбросов разных типов транспорта. Концентрации Sn, As, Sb, Se, Ge, Bi, Ni, Cd, Be, Ag, P, B, U, Hf, Rb, Cs, Li, Tl, Zr, Th и Co в РМ10 слабо зависят от величины транспортного потока. 3. В частицах РМ10 дорожной пыли ВМ формируются контрастные техногенные геохимические аномалии Cd, Ag, Sb, Sn, Se, Cu, Bi, Pb, Zn и Mo на средних и крупных дорогах, на которых, вероятно, из-за небольших скоростей ветра накапливаются эти частицы, что усиливает загрязнение воздуха и формируется очень опасная экологическая ситуация. На МКАД и малых дорогах она снижается до опасной.

Dmitrij Valentinovich Vlasov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: vlasgeo@yandex.ru
Leninskie Gory, 1, Moscow, Russia, 119991

candidate of geographical science, research assistant, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University

  • Tager I.B. Health effects of aerosols: Mechanisms and epidemiology. In: Ruzer L.S., Harley N.H., editors. Aerosols Handbook: Measurement, dosimetry, and health effects. Boca Raton: CRC Press; 2005. P. 619—696.
  • epa.gov [Internet]. United States Environmental Protection Agency. National Emissions Inventory [cited 2017 October 21]. Available from: https://www.epa.gov/air-emissions-inventories/2014national-emissions-inventory-nei-data
  • Kul’bachevskii A.O., editor. Report on the state of the environment in the city of Moscow in 2016. Moscow: DPiOOS; NIiPI IGSP, 2017 (In Russ).
  • Donchenko V., Kunin J., Ruzsky A., Vizhensky V. Methods for estimating emissions from vehicles and their application. Zhurnal avtomobil’nykh inzhenerov. 2014; (3): 44—51 (In Russ).
  • dieselnet.com [Internet]. DieselNet. Emission standards. EU: cars and light trucks [cited 2017 October 21]. Available from: https://www.dieselnet.com/standards/eu/ld.php
  • Kaygorodov R.V., Tiunova M.I., Druzshinina A.A. Polluting substances in a dust of travellers of parts and in wood vegetation of roadside strips of a city zone. Vestnik Permskogo Universiteta, Seriya: Biologiya. 2009; 10(36): 141—146 (In Russ).
  • Ladonin D.V., Plyaskina O.V. Isotopic composition of lead in soils and street dust in the Southeastern administrative district of Moscow. Eurasian Soil Science. 2009; 42(1): 93—104. doi: 10.1134/S1064229309010128.
  • Prokof’eva T.V., Shishkov V.A., Kiryushin A.V., Kalushin I.Yu. Properties of atmospheric solid fallouts in roadside areas of Moscow. Izvestiaya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya. 2015; (3): 107—120 (In Russ).
  • Vlasov D.V., Kasimov N.S., Kosheleva N.E. Geochemistry of the road dust in the Eastern district of Moscow. Vestnik Moskovskogo Universiteta, seria Geografiya. 2015; (1): 23—33 (In Russ).
  • Kasimov N.S., Vlasov D.V., Kosheleva N.E., Nikiforova E.M. Landscape geochemistry of Eastern Moscow. Moscow: APR, 2016 (In Russ).
  • Amato F., Pandolfi M., Moreno T., Furger M., Pey J., Alastuey A., Bukowiecki N., Prevot A.S.H., Baltensperger U., Querol X. Sources and variability of inhalable road dust particles in three European cities. Atmospheric Environment. 2011; 45: 6777—6787. doi: 10.1016/j. atmosenv.2011.06.003.
  • Wedepohl K.H. The composition of the continental crust. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995; 59(7): 1217—1232. doi: 10.1016/0016-7037(95)00038-2.
  • Rudnick R.L., Gao S. Composition of the continental crust. In: Rudnick RL, editor. Treatise on geochemistry. Vol. 3: The Crust. Elsevier Science; 2003. P. 1—64. doi: 10.1016/B0-08-0437516/03016-4.
  • Hu Z., Gao S. Upper crustal abundances of trace elements: A revision and update. Chemical Geology. 2008; 253(3–4): 205—221. doi: 10.1016/j.chemgeo.2008.05.010.
  • Grigor’ev N.A. Distribution of chemical elements in the upper continental crust. Yekaterinburg: UrO RAN, 2009 (In Russ).
  • Adachi K., Tainosho Y. Characterization of heavy metal particles embedded in tire dust. Environment International. 2004; 30: 1009—1017. doi: 10.1016/j.envint.2004.04.004.
  • Charlesworth S.M., De Miguel E., Ordoñez A. A review of the distribution of particulate trace elements in urban terrestrial environments and its application to considerations of risk. Environmental Geochemistry and Health. 2011; 33(2): 103—123. doi: 10.1007/s10653-010-9325-7.
  • Limbeck A., Puls C. Particulate emissions from on-road vehicles. In: Zereini F., Wiseman C.L.S., editors. Urban airborne particulate matter: origin, chemistry, fate and health impacts. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin; 2011. P. 63—79. doi: 10.1007/978-3-642-12278-1_4.
  • Irvine K.N., Perrelli M.F., Ngoen-klan R., Droppo I.G. Metal levels in street sediment from an industrial city: spatial trends, chemical fractionation, and management implications. Journal of Soils and Sediments. 2009; 9: 328—341. doi: 10.1007/s11368-009-0098-5.
  • Nazzal Y., Rosen M.A., Al-Rawabden A.M. Assessment of metal pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronto Area in Canada. Environmental Monitoring and Assessment. 2013; 185: 1847—1858. doi: 10.1007/s10661-012-2672-3.
  • Duong T.T.T., Lee B.K. Determining contamination level of heavy metals in road dust from busy traffic areas with different characteristics. Journal of Environmental Management. 2011; 92: 554— 562. doi: 10.1016/j.jenvman.2010.09.010.
  • Kasimov N.S., Bityukova V.R., Malkhazova S.M., Kosheleva N.E., Nikiforova E.M., Shartova N.V., Vlasov D.V., Timonin S.A., Krainov V.N. Regions and cities of Russia: the integrated assessment of the environment. Moscow: IP Filimonov M.V., 2014 (In Russ).

Views

Abstract - 66

PDF (Russian) - 37


Copyright (c) 2017 Vlasov D.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.