Микрочастицы природного и антропогенного происхождения постоянно присутствуют в атмосферном воздухе и водоёмах. Их концентрация варьирует от нескольких тысяч микрочастиц на кубический сантиметр воздуха в природных ландшафтах до более чем 40 тысяч микрочастиц на кубический сантиметр воздуха в центрах некоторых городов.
Классификация микрочастиц по размеру окончательно не устоялась, чаще всего верхняя граница проводится в пределах 5-10 мкм, нижняя в пределах 0,1-1 мкм. Микрочастицы очень разнообразны по своему составу, форме и механизму образования. Природные микрочастицы образуются в результате ветровой эрозии, лесных пожаров, извержений вулканов, деятельности живых организмов, антропогенные микрочастицы – вследствие сжигания твердого и жидкого топлива, промышленных выбросов, строительных работ и т.п.
Микрочастицы являются одним из важных факторов загрязнения атмосферы и возникновения, при высоких концентрациях, ряда серьезных заболеваний.
Отмечается, что частицы различного состава и происхождения отличаются по своему воздействию на человека, наибольшую опасность представляют микрочастицы, образующиеся при сжигании жидкого топлива, угля и биомассы, а также содержащие тяжелые металлы. Широко распространены аллергические реакции, вызванные воздействием природных органических микрочастиц (пыльца растений, споры грибов и т.п.). Опасность минеральных микрочастиц, частиц морской соли и микропластика оценивается либо как малозначительная, либо как не имеющая уверенной доказательной базы.
Классификация Находящиеся в атмосфере и водной среде микрочастицы классифицируются по размеру, составу, происхождению.
Четкие верхние и нижние границы классификации микрочастиц по размеру не установлены. Стандартом ISO 14644-1:2015 рассматриваются находящиеся в воздухе микрочастицы размерами от 0,1 мкм до 5 мкм, при этом более мелкие частицы классифицируются как наночастицы, а более крупные – как макрочастицы. ВОЗ и Агентство по окружающей среде США акцентируют внимание на частицах 2,5 - 10 мкм (обозначаются как PM10) и менее 2,5 мкм (PM2,5) , в научных исследованиях встречаются и другие градации, в частности выделяются крупные микрочастицы PM2.5 – 10 , мелкие PM1 и интермодальные PM 1 – 2.5, также используется следующая градация - крупные частицы (PM10), мелкодисперсная пыль (PM2,5) и ультрадисперсная пыль (PM0,1). Исследователи микрочастиц в городской пыли выделяют фракции ˂20 мкм, 20–50 мкм, 50–100 мкм, 100–1000 мкмБудаева Ю.С., Таловская А.В. Минерально-вещественный состав микрочастиц уличной пыли на территории монопрофильного промышленного города // ГЕОЛОГИЯ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ Материалы XXV Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. — 2023. — 13–17 11 (т. IV). — ISBN 978-5-6051054-3-5 (PDF). В водной среде верхняя граница определяется способностью частиц находится во взвешенном состоянии, такой способностью обладают частицы размерами до нескольких миллиметров, нижняя граница определяется как 0,45 мкмМИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ и экологии РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ 52 .24 .468 - 2019 МАССОВАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ И СУХОГО ОСТАТКА В ВОДАХ Методика измерений гравиметрическим методом Ростов-на-Дону 2020 (PDF). Согласно другой классификации, выделяют суспензии с размером частиц более 1 мкм, коллоиды с размером частиц от 1 нм до 1 мкм и растворённые вещества с размером частиц меньше 1 нм.
По происхождению выделяют первичные микрочастицы, непосредственно выбрасываемые в атмосферу из природных или антропогенных источников, и вторичные микрочастицы, образующиеся в атмосфере из газообразных веществ (таких как окислы серы и азота, аммиак и летучие органические вещества)Воздействие взвешенных частиц на здоровье Значение для разработки политики в странах Восточной Европы, Кавказа. Всемирная организация здравоохранения Европейское региональное бюро. .
По своему агрегатному состоянию, выделяются твёрдые и жидкие микрочастицы.
Состав и форма Микрочастицы чрезвычайно разнообразны по своему составу, поскольку являются производными от многих природных и техногенных объектов.
Природные минеральные микрочастицы, образующиеся в процессах выветривания почвогрунтов, состоят из различных минералов – кварца, полевых шпатов, кальцита, магнетита, гематита, мусковита и т.п.. Исследование образцов пыли в Астрахани показало, что в основном она состоит из кварца, единично встречались полевые шпаты и органические остатки.
Сильное влияние на состав микрочастиц оказывает характер деятельности расположенных вблизи промышленных предприятий и других объектов. Так, в местах добычи и транспортировки угля могут преобладать частицы угольной пыли. Исследование пылевых частиц в г.Юрге (где расположено производство ферросплавова) показало, что природные микрочастицы составляют 65%, а антропогенные – 35%. В числе последних алюмосиликатные микросферы составляли 4%, угольные частицы 14%, металлические микросферы 6%, шлаковые частицы 8% и микропластик 1%. Исследование микрочастиц вблизи предприятия по производству алюминия показало, что 85% из них состоят из оксида алюминия. Строительная пыль в основном состоит из микрочастиц цемента. Исследование атмосферных микрочастиц в Астрахани и Ростове-на-Дону показало содержание тяжёлых металлов (свинца и цинка), превышающие ПДК, что связывается с влиянием автотранспорта.
Исследование частиц в атмосферной пыли и осадках, собранных в 2017 - 2019 годах в одиннадцати отдалённых национальных парках западной части США, показало, что около 96 % из них приходится на минеральную пыль и органические включения (пыльца, фрагменты насекомых и другие природные частицы), а 4% - на микропластик. В пробах воды, взятых в Индийском океане, доля пластика от всех микрочастиц составила 2,6 %, остальные были идентифицированы как частицы целлюлозы, угля, хитина и т. п..
Форма микрочастиц чрезвычайно разнообразна и связана с механизмом их образования. В частности, угольные микрочастицы имеют вытянутую форму , металлические микрочастицы, образующиеся в результате деятельности металлургического производства, имеют сферическую форму, микрочастицы асбеста представляют собой волокна. Микрочастицы цемента, лёсса, вулканического пепла, пустынного песка имеют неправильную форму .
В воде микрочастицы представлены глинистыми и илистыми материалами, соединениями марганца и железа, органическими веществамиWATER QUALITY AND HEALTH - REVIEW OF TURBIDITY: Information for regulators and water suppliers. World Health Organization 2017.
Источники Источники микрочастиц разделяются на природные и антропогенные. К природным источникам относятся:
Пыльные бури; Природные лесные пожары; Пыльца растений и споры грибов; Бактерии, мелкие частицы растений, насекомых и других живых организмовPolymenakou PN, Mandalakis M, Stephanou EG, Tselepides A. Particle size distribution of airborne microorganisms and pathogens during an Intense African dust event in the eastern Mediterranean. Environ Health Perspect. 2008 Mar;116(3):292-6. doi: 10.1289/ehp.10684. PMID: 18335093; PMCID: PMC2265054.; Морские брызги (и образующиеся при их высыхании микрочастицы соли)Aerosols: Tiny Particles, Big Impact. NASA Earth Observatory; Извержения вулканов. Антропогенными источниками микрочастиц являются:
Выбросы, образующиеся при сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания (особенно дизельных), в электростанциях и котельных, в бытовом секторе (например, в системах печного отопления и очагах для приготовления пищи) и промышленности, в факелах для дожигания попутного газа, при сжигании отходов и выжигании полей в сельском хозяйстве. В частности, в 2015 году более 60% выбросов частиц PM2,5 в Северной Европе было вызвано сжиганием древесины в жилых домах; Различные отрасли промышленности, в частности металлургия, производство цемента и строительных материалов; Строительство и снос зданий; Истирание шин автомобильного транспорта; Добыча и транспортировка угля; Антропогенные лесные пожары. Источниками образования микрочастиц являются как механические, так и химические процессы. В ходе механических процессов происходит отделение микрочастиц от более крупных объектов, примерами таких процессов являются пыльные бури, износ шин, образование микрочастиц при строительстве и т.п. Химический состав микрочастиц при этом соответствует таковому у исходного материала. При химических процессах выделение микрочастиц происходит в ходе реакции горения, а также в ходе различных реакций в воздухе (так, окислы азота и серы реагируют с кислородом и водяным паром, образуя частицы нитратов и сульфатов).
Источником большинства микрочастиц в атмосфере является горение органического топлива и биомассы (включая лесные пожары, выжигание полей и т.п.). В некоторых районах важным, а иногда и основным источником микрочастиц в атмосфере являются пыльные бури. По другим источникам, 90% (по массе) всех микрочастиц в атмосфере имеют естественное происхождение, но антропогенные частицы могут доминировать в городских и промышленных районах.
Отмечается, что источниками частицы размером 2,5-10 мкм в основном являются пыльца растений, а также пыль от разных источников (морские брызги, ветровая эрозия, строительство и т.п.), образование частиц размером менее 2,5 мкм связано с сжиганием топлива и вторичными реакциями в атмосфере.
Распространение в воздушной среде Микрочастицы, образующиеся естественным путём, широко распространены в природе. Над океанами постоянно присутствует завеса микрочастиц из кристаллов соли, образующихся из морских брызг, а также сульфатов, источником которых являются микроскопические водоросли. В местах с повышенной вероятностью штормов (такие как «ревущие сороковые») концентрация микрочастиц соли существенно выше. Над пустынями присутствует большое количество минеральных микрочастиц, поднимаемых ветром.
Повышенные концентрации антропогенных микрочастиц фиксируются вблизи городов, промышленных районов, сельскохозяйственных регионов (особенно расположенных в засушливых зонах, а также там, где практикуется выжигание растительности), а также в местах с масштабными лесными пожарами. В некоторых районах, в частности на территории Индо-Гангской равнины, наблюдается смешанный характер загрязнения микрочастицами — от переносимой из пустыни пыли и от антропогенных источников. Высокие концентрации микрочастиц регулярно отмечаются в крупных городах Китая, в частности в Пекине.
Регулярно фиксируется загрязнение атмосферы микрочастицами в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации. Так, по данным Росгидромета измерения содержания частиц PM10 показывают превышения ПДК в Москве, Сочи, Красноярске, Иркутске, Улан-Удэ, Чите и многих других городах. В г. Байкальске в 2021 году была зафиксирована концентрация PM10, составляющая 23,3 ПДК.
Большинство микрочастиц задерживается в атмосфере на короткие сроки (от четырёх дней до недели), но за это время они могут переноситься ветром на тысячи километров. Так, частицы пыли из Сахары неоднократно преодолевали Атлантический океан и достигали Карибских островов, а поднятые пыльными бурями в пустыне Гоби микрочастицы долетают до Японии. Отмечается, что за последние десятилетия выбросы микрочастиц в Северной Америке и Европе значительно сократились, а в Азии существенно выросли, что объясняется переносом промышленности в развивающиеся страны и реализацией в развитых странах комплекса мер по борьбе с загрязнением воздуха.
По состоянию на 2023 год, только в семи странах мира среднегодовые концентрации частиц PM2,5 соответствовали нормативам ВОЗ. Наибольшие уровни загрязнения воздуха частицами PM2,5 наблюдаются на Ближнем Востоке, в Африке, Центральной и Южной Азии. В частности, а Бангладеш загрязнение этими частицами превышает рекомендации ВОЗ в 15 раз, в Пакистане — в 14 раз, в Индии — в 10 раз.
Распространение в водной среде