Нановредители: чем опасны ультрадисперсные частицы

Наномир содержит не только возможности, но и специфические, в буквальном смысле невидимые глазу опасности. В статье рассказано о том, какими проблемами может грозить невнимание к качеству воздуха и что современные технологии могут предложить для их решения.

Прибалтийская станция. Фото: Stena.ee

Итак: рост числа заболевших раком лёгких в Китае в 4 раза, повышение на 40 тысяч смертей за месяц в России. Как же эти страшные показатели связаны с частицами PM 2.5?

Что такое частица PM 2.5?

Существует взаимосвязь между глобальным потеплением, загрязнением атмосферы и сокращением продолжительности жизни. На эти беды современного человечества влияют мелкие невидимые глазу твёрдые частицы, находящиеся в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии. Такие частицы называют PM (от англ. particulate matter – «твёрдые вещества»).

Классифицируют и обозначают их по величине диаметра. Первоначально обнаружили PM 10 – это мелкие частицы, диаметр которых не превышает 10 мкм.

Для справки, 1 микрон (мкм) = 0,000001 метра. С развитием технологий, учёные научились определять мелкодисперсные частицы PM 2.5 диаметром до 2,5 мкм. Из них выделяют ультрадисперсные, диаметр которых менее 0,1 мкм. Исследования показали, что доля РМ 2.5 в РМ 10 составляет 50-70%. Для наглядности, диаметр человеческого волоса равен 50-90 мкм, что как минимум в 20 раз больше диаметра частицы РМ 2.5.

В зависимости от места и условий образования, частицы состоят из смеси различных соединений, веществ и биологических компонентов: различные виды углерода, ионы калия, магния, кальция, натрия, хлорид-ионы, нитраты, аммиак, сульфаты, минералы, металлы, полициклические ароматические углеводороды, аллергены и микроорганизмы. Одни из самых опасных из них – это чёрный углерод и сажа, так как помимо вреда, наносимого здоровью человека, они провоцируют и глобальное потепление.

Где и как формируются мелкодисперсные частицы?

Мелкие твёрдые частицы попадают в воздух двумя способами:

• Прямым, когда происходят выбросы загрязняющих веществ в результате деятельности человека (промышленные отходы, выхлопы автомобилей, дизельных генераторов, пестициды в сельском хозяйстве и др.) или природы (например, лесные пожары, извержение вулканов).
• Вторичным, когда мелкодисперсные частицы образуются в атмосфере в результате взаимодействия двуокиси серы, образующейся в результате сжигания серосодержащего топлива, и продуктов окисления азота, которые выбрасываются автотранспортом и некоторыми промышленными предприятиями.

В 2005 году Всемирная организация здравоохранения установила рекомендации по уровню содержания мелкодисперсных частиц в окружающей среде. Так, среднегодовая концентрация PM 2.5 в воздухе не должна быть выше 10 мкг/м³, а среднесуточная – 25 мкг/м³. Превышение последнего допустимо не более 3-х дней в году.

Если в Европе уже давно контролируют уровень PM 2.5, то в нашей стране относительно недавно стали обращать внимание на проблему загрязнения воздуха мелкодисперсными частицами. В 2010 году Россия всё же ввела свои нормы на содержание PM 2.5 в окружающей среде. Согласно гигиеническим нормативам, установленным Минздравом РФ, среднегодовой порог составляет 25 мкг/м³, среднесуточный – 35 мкг/м³. При этом методика определения этих показателей не разработана.

Самая высокая концентрация загрязняющих веществ приходится на большие промышленные города, а также регионы возникновения крупных лесных пожаров, извержений вулканов, пылевых бурь. Мелкодисперсные и ультрадисперсные частицы способны находиться во взвешенном состоянии до нескольких недель. С движением воздушных масс они переносятся на значительные расстояния. 

По отдельности мелкие взвешенные частицы рассмотреть невозможно, однако при повышенной концентрации и особых условиях, таких как влажная и безветренная погода, они способны образовывать смог. 

Разумеется, это универсальная проблема — жители промышленных центров России прекрасно знакомы с картиной затянутого смогом города. Но пока у нас фото вроде таких служат разве что темой для стёба в соцсетях:

— китайские власти уже на протяжении нескольких лет бьют тревогу и открыто обсуждают эту проблему. Именно поэтому этот обзор выйдет немного с китайским акцентом, но нам с нашей промышленностью большей частью из той эпохи, когда об экологическом влиянии всерьёз не задумывались, есть чему поучиться у соседа.

С 2012 г. Пекинский муниципальный центр контроля следит за состоянием окружающей среды и на официальном сайте в открытом доступе ежечасно публикует концентрацию PM2.5 в воздухе в различных районах столицы. Следом возможность следить за уровнем загрязняющих веществ в окружающей среде появилась и у жителей других городов Китая. Граждане Поднебесной устанавливают специальные мобильные приложения для постоянного контроля за степенью чистоты атмосферного воздуха. Для измерения концентрации частиц PM2.5 в домах и квартирах жители используют специальные лазерные детекторы.

Китайцы крайне обеспокоены своим здоровьем, ведь в пиковые периоды смога концентрация PM 2.5 в воздухе превышает нормы Всемирной организации здравоохранения в 10-30 раз. Атмосферная видимость в такие моменты падает до 1 метра. Таковы печальные последствия высокой урбанизации населения и быстрого экономического роста без оглядки на повышенный риск экологических бедствий.

Ухудшение качества атмосферного воздуха – это не только китайская катастрофа, но и серьёзная общемировая проблема. Американские исследователи уверены, около 30% загрязнения Калифорнийского побережья вызвано сезонными ветрами – муссонами, приносящими взвешенные твёрдые частицы из Китая. И это при том условии, что расстояние между КНР и штатом Калифорния составляет около 9 тысяч километров. Что же тогда говорить о нас, когда от Пекина, одного из самых загрязнённых городов мира, до Владивостока всего 1340 км, а до Байкальского заповедника – 1500 км!

Текущие данные по уровню PM 2.5 в России можно посмотреть только для Москвы. Показатели транслируются на сайте ГПБУ«Мосэкомониторинг», но подача информации трудно читаемая. Поэтому можно использовать более наглядный крупнейший мировой агрегатор показателей загрязненности частиц PM 2.5, где собирается информация по всем странам, в том числе и данные ГПБУ «Мосэкомониторинг». К сожалению, на этом сайте можно посмотреть статистику только за три дня. Тем не менее видно, что типичные показатели по Москве – около 50 мкг/м3, зачастую гораздо выше. При этом норма, установленная ВОЗ, составляет 35 мкг/м3, а Минздравом РФ – 25 мкг/м3. Эта информация показывает, что ситуация с загрязнением воздуха частицами РМ 2.5 довольно печальная, хотя, несомненно, лучше, чем в Пекине. По другим городам России информации вообще нет.

Чем опасны мелкие взвешенные частицы?

Основные способы проникновения мелких дисперсных частиц в организм человека: в лёгкие – в процессе дыхания, в желудок – во время приема пищи и питья, в другие ткани – через поры кожи и слизистые оболочки.

Наша дыхательная система так устроена, что может очистить организм от крупной пыли, но не от мелких твёрдых частиц. Сначала РМ 2.5 оседают в лёгких, затем распространяются с кровью по внутренним органам.

Учёные многих стран мира установили связь роста уровня загрязнения с сокращением длительности жизни, увеличением процента больных респираторными и сердечно-сосудистыми заболеваниями, пульмонологической онкологии. В первую очередь, в зоне риска оказывается часть населения, склонная к заболеваниям сердца и лёгких, дети и пожилые люди. 

При повышенной концентрации РМ 2.5 происходит обострение хронических кардиопульмональных заболеваний (астмы, ишемической болезни сердца, цереброваскулярных недугов и других), а содержащиеся в дисперсных частицах аллергены и микроорганизмы вдобавок провоцируют аллергические реакции.

Уязвимыми становятся и дети. Постоянная повышенная концентрация мелких дисперсных частиц РМ 2.5 может привести к таким патологиям, как замедление развития роста лёгких, нарушение и недостаточность лёгочной функции.

Одними из составляющих частиц РМ 2.5 являются полициклические ароматические углеводороды, которые оказывают сильное канцерогенное и токсическое воздействие на клетки организма, в следствие чего возникают онкологические заболевания, в частности, рак лёгких.

Согласно данным ВОЗ , в 2012 году каждая восьмая смерть в мире произошла в результате загрязнения атмосферного воздуха. Из них 70% связаны с сердечно-сосудистми заболеваниями, остальные – с болезнями легких.

В Китае за последние 30 лет уровень заболеваемости раком лёгких вырос в четыре раза. Этот страшный диагноз был поставлен даже восьмилетней девочке из китайской провинции Цзянсу, а ведь карцинома лёгких крайне редко встречается у лиц, моложе 20 лет. Лечащий врач ребёнка уверен, что причиной заболевания являются повышенная концентрация частиц РМ 2.5 в загрязнённом воздухе. 

Летом 2010 года в России массово горели леса и торфяники. По данным Росстата смертность в августе 2010 г. по стране превысила этот показатель августа 2009-го на 40 тысяч человек. Доля роста в большей степени приходится на Центральный и Приволжский округа, как раз где и бушевала огненная стихия.

Помимо прямой угрозы здоровью, мелкодисперсные частицы способны довольно сильно снизить атмосферную видимость, увеличивая вероятность транспортных аварий, а, следовательно, случаев травм и смертей.

Еще одним вредным компонентом мелких дисперсных частиц является сажа (углерод), которая представляет собой природный адсорбент, удерживая на себе различные токсины. Попадая в кровь вместе с сажей, токсины десорбируются и отравляют наш организм.

Как сократить вредное влияние частиц РМ 2.5?

В марте 2013 г. в журнале Environmental Pollution были опубликованы исследования, которые провели американские ученые в 10-ти крупных городах в различных частях США: Атланта, Балтимор, Бостон, Чикаго, Лос-Анджелес, Миннеаполис, Нью-Йорк, Филадельфия, Сан-Франциско и Сиракьюс. Согласно их результатам, лесопарковые насаждения способны снижать уровень содержания дисперсных частиц в воздухе, в том числе и РМ 2.5. Имея большую площадь поверхности кроны и шероховатую структуру коры ствола, деревья и кустарники улавливают пыль, включающую мелкие взвешенные частицы, тем самым снижая концентрацию PM 2.5. К сожалению, эффективность этого свойства растений далеко не так высока, чтобы лесопарковые зоны смогли решить проблему загрязнения окружающей среды. Ветер также снижает концентрацию взвешенных частиц в загрязнённой местности, но при этом переносит их в другие регионы.

Самый эффективный способ борьбы с загрязнением мелкими взвешенными частицами на глобальном уровне – это устранение источников их первичных выбросов. Например, внедрение более совершенных технологий, переход от угольных ТЭЦ к более безопасным способам центрального отопления, замена дизельных двигателей и установок на менее вредные, массовый переход на использование биологического топлива и других мер. Однако это сложный процесс, требующий значительных затрат и экономических потерь. А главное, что он далеко не быстрый. 

В экстренных случаях от промышленного смога китайские власти кратковременно справляются следующим образом: приостанавливают работу ряда загрязняющих атмосферу предприятий, вводят запрет на использование личного транспорта. По средствам массовой информации передают рекомендации каждому жителю Поднебесной: ограничить передвижение на личном транспорте, прекратить занятия спортом, стараться не выходить на улицу, не открывать двери и окна, не запускать фейерверки. К счастью, природа быстро даёт положительный отклик и в течение нескольких дней смог рассеивается. Но это временное улучшение.

По сведениям информационного агентства Bloomberg, такие компании как Apple, Toyota, Honda и JPMorgan Chase & Co занимаются озеленением территории своих предприятий, расположенных в Китае, проводят просветительные мероприятия для сотрудников с участием специалистов в области здравоохранения.

Острая экологическая обстановка в Китае спровоцировала рост целой индустрии по производству средств защиты от воздействия частиц PM 2.5: 

В общественных местах создают чистые зоны. Инженеры придумывают различные инновационные решения по защите населения от вредного воздействия частиц РМ 2.5. Одни разрабатывают специальные коридоры, по которым загрязненный воздух сможет выходить за пределы города, используя потоки ветра. Другие проектируют огромные купола-пузыри, в которых будет создаваться здоровый микроклимат. Еще одно оригинальное изобретение – небольшие шатры, в которых установлены особые велотренажеры. Во время тренировки механическая энергия преобразуется в электрическую, которая, в свою очередь, питает очистители воздуха, размещенные в данном сооружении. Находчивые студенты проводят свои эксперименты из подручных средств. Ребята прикрепили специальный фильтр к цилиндрическому вентилятору и зафиксировали, что в результате этих нехитрых манипуляций воздух в помещении становится чище. На этом принципе базируется работа современных воздухоочистителей.

В Гонконге в рамках недели моды прошел необычный показ, где под дизайнерским руководством Нины Гриффи модели продемонстрировали коллекцию защитных масок, ведь подобные аксессуары стали неотъемлемыми спутниками в жизни китайцев. Эта тема стала очень популярной. Дизайнеры создают оригинальные повязки, маски, наносники и респираторы:

Крупный китайский бизнесмен организовал продажу чистого воздуха, упакованного в жестяные банки. Как утверждает предприниматель, его главная цель – призвать людей задуматься над состоянием окружающей среды и напомнить, насколько важно беречь экологию. 

Чтобы защитить себя от воздействия загрязняющих веществ при их повышенной концентрации, во многих странах при выходе на улицу используют медицинские повязки на лицо. К сожалению, ношение таких повязок защищает от попадания в лёгкие только крупных взвешенных частиц. От мелких дисперсных загрязнителей PM 2.5 на улице эффективны только респираторы c фильтрами высокого класса. 

Если смог покрывает населенный пункт в результате крупных пожаров, то рекомендуется сократить до минимума выходы на улицу, не открывать окна при передвижении на автомобилях, а лучше всего уехать на время из опасного региона. 

Дома мы тоже нуждаемся в защите. Ведь частицы PM 2.5 проникают в наше жильё вместе со «свежим воздухом» через открытые дверные и оконные проёмы. Хочется отметить, что соблюдение норм, установленных для РМ 2.5, не гарантирует отсутствие негативного влияния взвешенных частиц на здоровье. Учёные не вывели такого предела показателя загрязнения РМ 2.5, ниже которого воздействие этих веществ безопасно. Это значит, что даже самое минимальное содержание мелкодисперсных частиц в воздухе, которым дышим, вызывает ухудшение состояния организма. Если мы не в состоянии решить проблему на государственном уровне, то можем хотя бы позаботиться о здоровье своей семьи в собственном доме.

Проблему может решить использование воздухоочистителей с применением специальных фильтров. Но и здесь есть свой минус. Очистители пропускают через фильтры один и тот же воздух, находящийся в помещении. Чтобы снизить уровень углекислого газа, придется периодически открывать окна, а вместе с ним новую порцию частиц PM 2.5. Поэтому лучше выходить из комнаты во время проветривания и сразу после него, пока очиститель будет выполнять свою работу.