Гигиеническая оценка факторов, определяющих содержание взвешенных частиц в атмосферном воздухе городов

Введение

Современные исследования показывают, что жители крупных городов ежедневно вдыхают более 10 млрд частиц мелкодисперсной пыли. К приоритетным загрязнителям, по которым оценивают качество атмосферного воздуха (АВ) урбанизированных территорий, относятся взвешенные частицы (ВЧ) PM₁₀ и PM_2,5¹. Основные источники ВЧ – эксплуатация двигателей внутреннего сгорания, сжигание органических твёрдых видов топлива (ТВТ), деятельность промышленных предприятий, а также эрозия дорожного покрытия вследствие движения автотранспорта и истирание тормозных колодок и шин [1–4].

Изучению влияния ВЧ на здоровье населения посвящены работы многих отечественных [5–8] и зарубежных [9–11] исследователей. Так, в публикации Zhu C. и соавт. подробно описаны основные механизмы действия частиц PM_2,5 и PM₁₀: оксидативный стресс, перекисное окисление липидов, лёгочное и системное воспаление, повышение артериального давления, вазомоторная дисфункция и воспаление в центральной нервной системе [10].

Эпидемиологическими и клиническими исследованиями подтверждено, что высокая техногенная нагрузка PM₁₀ и PM_2,5 в АВ оказывает выраженное негативное влияние на взрослое и детское население, увеличивая риск развития болезней системы кровообращения, болезней дыхательной системы, аллергизации [9–14]. Данные литературы свидетельствуют о том, что краткосрочное воздействие высоких концентраций ВЧ ассоциировано с повышенным риском развития инфаркта миокарда, аритмии, ГБ и внезапной сердечной смерти [15, 16]. В настоящее время комбинация загрязнения воздуха и ВЧ включена МАИР в группу 1 перечня канцерогенных факторов [17]. Согласно оценкам проекта «Глобальное бремя болезни» Института показателей и оценки здоровья (IHME), загрязнение воздуха мелкодисперсными ВЧ является причиной более 4 млн преждевременных смертей в год в мире [18, 19]. На болезни системы кровообращения приходится 93% этой смертности, а на злокачественные новообразования трахеи, бронхов и лёгких – 7%. В связи с этим особенно актуальны разработка и обоснование мероприятий по снижению содержания PM-частиц в АВ населённых мест.

Цель исследования – гигиеническая оценка факторов, влияющих на содержание ВЧ PM₁₀ и PM_2,5 в АВ городов Российской Федерации (Архангельск, Краснодар, Красноярск, Санкт-Петербург) и обоснование комплекса профилактических мероприятий, направленных на снижение распространения этих частиц.

Материалы и методы

Проведена гигиеническая оценка содержания частиц PM₁₀ и PM_2,5 в АВ городов, расположенных в различных климатических районах Российской Федерации, согласно схеме климатического районирования²: в Красноярске (I климатический пояс) – на основании данных 77 автоматических станций системы мониторинга состояния АВ; в Архангельске (IIА климатический пояс) – на основании данных стационарного поста (СП) контроля загрязнения АВ; в Санкт-Петербурге (IIВ климатический пояс) – на основании данных 20 автоматических станций мониторинга загрязнения АВ; в Краснодаре (III климатический пояс) – на основании данных четырёх СП. Оценка погодно-климатических условий проведена по данным справочно-информационных порталов «Погода и климат» и «Гисметео», полученным с метеорологических станций Архангельска, Краснодара, Красноярска и Санкт-Петербурга за период с 2012 по 2023 г.

Качество АВ оценивали по среднесуточным концентрациям ВЧ. Для определения динамики содержания PM-частиц в течение года рассчитывали их среднемесячные и среднесезонные концентрации. Полученные данные (в мг/м³, мкг/м³) сравнивали с предельно допустимыми концентрациями (ПДК), установленными СанПиН 1.2.3685–21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».

База данных (более 160 000 единиц информации) сформирована с использованием программы Microsoft Excel. Результаты обработаны с помощью методов параметрической статистики: расчёт средних величин и показателей изменчивости (М ± σ) и доверительного интервала, регрессионный анализ (уравнение линейной регрессии, метод наименьших квадратов) с применением программного обеспечения Microsoft Excel. Распределение показателей в выборочных совокупностях близко к нормальному закону (критерии Колмогорова – Смирнова, Шапиро – Уилка), их сравнение выполняли по двухвыборочному t-критерию Стьюдента. Критический уровень значимости (p) при всех статистических сравнениях принимали равным 0,05.

Результаты

Гигиеническая оценка содержания ВЧ PM₁₀ и PM_2,5 в АВ Архангельска, Краснодара и Санкт-Петербурга за пятилетний период наблюдений не выявила превышений гигиенических нормативов, в то время как в Красноярске зафиксированы систематические превышения среднесуточных ПДК PM_2,5 в зимний сезон на протяжении всего наблюдаемого периода (рис. 1).

Показатели, характеризующие погодно-климатические условия изучаемых городов, представлены в табл. 1.

Оценка распределения среднесезонных концентраций ВЧ в АВ Санкт-Петербурга в динамике 7 лет (2017–2023 гг.) показала увеличение содержания частиц весной и летом (рис. 2). Изменения могут быть обусловлены погодно-климатическими условиями региона.

Зимой загрязняющие вещества, поступающие в АВ в результате эксплуатации дорожно-автомобильного комплекса (ДАК), промышленных выбросов и длительного применения нерастворимых противогололёдных материалов, накапливаются в снежном покрове. В период таяния снега, который в Санкт-Петербурге по многолетним наблюдениям отмечается в конце марта – начале апреля, ВЧ осаждаются на придорожной полосе, однако при установлении положительных температур и усилении ветра происходит их ресуспензия с последующей миграцией в приземный слой атмосферы, что формирует сезонный максимум концентраций PM₁₀ и PM_2,5 в АВ весной.

Подтверждением значительного вклада автомобильного трафика как одного из приоритетных источников поступления ВЧ служат данные за время пандемии COVID-19: в апреле и мае 2020 г. в Санкт-Петербурге было зафиксировано резкое снижение концентраций PM₁₀ (в апреле – 0,00689 ± 0,000428 мг/м³; в мае – 0,00714 ± 0,000436 мг/м³) и PM_2,5 (в апреле – 0,00516 ± 0,00184 мг/м³; в мае – 0,00565 ± 0,00412 мг/м³), обусловленное ограничительными мероприятиями. В этот период значительно уменьшился поток городского автомобильного транспорта. В июне, после ослабления ограничений, содержание частиц в АВ значительно возросло (РМ₁₀ – 0,0162 ± 0,00869 мг/м³; РМ_2,5 – 0,1094 ± 0,0068 мг/м³) (рис. 3).

В 2021 и 2022 гг. среднесезонное содержание ВЧ в АВ летом было выше, чем весной. Среднемесячная концентрация ВЧ РМ₁₀ в июне 2021 г., максимальная за весь исследуемый пятилетний период, составила 0,0162 ± 0,0006 мг/м³. Анализ погодно-климатических условий показал, что средняя температура воздуха в июне 2021 г. (плюс 21,4 ± 0,78 °C при климатической норме плюс 16,5 °C) была максимальной для аналогичных исследуемых периодов. В 2022 г. наибольшие среднемесячные концентрации ВЧ РМ₁₀ и РМ_2,5 отмечены в августе: 0,014098 ± 0,009 и 0,011189 ± 0,006 мг/м³ соответственно. По результатам проведённого исследования установлено, что средняя температура воздуха в августе 2022 г. значительно превысила многолетние значения: плюс 20,6 ± 1,04 °C при климатической норме плюс 17,5 °C. Это объясняет различия в содержании взвешенных частиц в атмосферном воздухе (рис. 4).

Уравнение регрессии показывает умеренную положительную связь (y = 624,79x + 14,313; r = 0,47) между содержанием ВЧ в атмосферном воздухе Санкт-Петербурга и средней температурой воздуха (рис. 5).

Аналогичная сезонная динамика (увеличение концентраций ВЧ весной и летом) выявлена в Краснодаре, где весной отмечаются минимальное количество осадков и высокая скорость ветра, способствующие миграции пыли, а летом – высокая среднесуточная температура. Увеличение концентраций PM₁₀ и PM_2,5 в АВ Краснодара начинается в середине марта с пиком превышений среднесуточных ПДК в апреле – мае и снижением в сентябре, среднесезонные различия статистически значимы (p < 0,05) (табл. 1; рис. 6).

В отличие от Санкт-Петербурга и Краснодара оценка динамики распространения ВЧ в АВ Красноярска (2018–2023 гг. для PM₁₀ и 2019–2023 гг. для PM_2,5) и Архангельска выявила тенденцию к увеличению содержания частиц в зимний период, что может быть обусловлено сходством факторов, влияющих на миграцию PM₁₀ и PM_2,5 в АВ, в том числе из-за особенностей систем теплоснабжения и климатических условий. Зимой в Красноярске и Архангельске фиксируются максимальные скорости ветра и минимальное количество осадков, что способствует миграции частиц PM₁₀ и PM_2,5 от источников, в том числе объектов топливно-энергетического комплекса. Летом же скорости ветра минимальны, а суммы осадков максимальны (см. табл. 1; рис. 7, 8).

Важнейший антропогенный фактор, определяющий сезонный рост концентраций ВЧ в АВ, – работа объектов теплоснабжения. Приоритетом развития внутреннего рынка газа остаётся газификация регионов нашей страны. В настоящее время природным газом газифицированы 78 субъектов Российской Федерации, в том числе Краснодар и Санкт-Петербург, использующие на предприятиях ТЭЦ и в котельных только природный газ. В Красноярске основным топливом для трёх ТЭЦ и 35 котельных служит низкокалорийный бурый уголь с высокой зольностью, воздействию выбросов этих котельных подвергаются более 1 млн жителей [20]. В Архангельске теплоснабжение обеспечивается одной ТЭЦ, работающей на природном газе, и 42 котельными, в 31 из которых используется в качестве приоритетного топлива каменный уголь. Основные компоненты выбросов объектов топливно-энергетического комплекса – твёрдые вещества, в составе которых доминируют ВЧ респирабельных фракций.

Согласно ретроспективным данным, отопительный сезон в Красноярске и Архангельске начинается в середине сентября, а пиковая нагрузка на систему теплоснабжения, синхронная с периодом минимальных среднесуточных температур, приходится на середину января. Этот период соответствует сезонному максимуму загрязнения АВ в Красноярске и Архангельске.

Для оценки вклада объектов теплоснабжения в загрязнение атмосферного воздуха проведён ретроспективный анализ выбросов твёрдых веществ в результате сжигания топлива в четырёх исследуемых городах, различающихся по типу используемого топлива (табл. 2). Анализ характеризует период 2019–2023 гг. на основе данных формы федерального статистического наблюдения № 2-ТП (отходы) (приказ Росстата от 06.11.2025 г. № 614 «Об утверждении формы федерального статистического наблюдения № 2-ТП (отходы) «Сведения об образовании, обработке, утилизации, обезвреживании, размещении отходов производства и потребления» и указаний по её заполнению»).

В Красноярске, регионе с максимальным выбросом твёрдых веществ, за исследуемый пятилетний период прослеживается отчётливая тенденция снижения объёма выброса твёрдых веществ в атмосферный воздух от сжигания топлива и среднегодовых концентраций ВЧ РМ₁₀ и РМ_2,5. Валовый объём выбросов твёрдых веществ сократился с 12 677,6 т в 2019 г. до 8120,5 т в 2023 г., что в относительном выражении составляет 35,9%. На этом фоне зафиксировано снижение среднегодовых концентраций ВЧ РМ₁₀ с 0,0322 до 0,0209 мг/м³, то есть на 35,1%. Также отмечено снижение содержания фракции РМ_2,5: с 0,0196 мг/м³ в 2019 г. до 0,0182 мг/м³ в 2023 г. Меньшее снижение концентраций РМ_2,5 может свидетельствовать об особенностях состава выброса ТЭЦ – преобладании ВЧ РМ₁₀ (рис. 9).

К эффективным мероприятиям, направленным на снижение концентрации ВЧ в АВ урбанизированных территорий, следует отнести своевременные уборочные работы на городских автомобильных дорогах. Анализ периодов уборочных мероприятий в Красноярске и Архангельске показывает сходство с регламентом, принятым в Санкт-Петербурге: летний сезон – с 16 апреля по 15 октября, зимний – с 16 октября по 15 апреля. В Архангельске эти периоды смещены: с 22 апреля по 19 октября – летний, с 20 октября по 21 апреля – зимний. В то же время мониторинг АВ в указанных городах выявил устойчивую тенденцию значительного повышения концентраций ВЧ с октября в Архангельске и с ноября в Красноярске. Такая динамика указывает на необходимость изменения регламентов дорожно-эксплуатационных мероприятий зимой для снижения концентрации ВЧ, поступающих из различных источников.

Обсуждение

Анализ многолетней динамики сезонного распределения содержания ВЧ фракций PM₁₀ и PM_2,5 в АВ урбанизированных территорий выявил зависимость уровня загрязнения от региональных климатических условий и приоритетных источников эмиссии. На основании установленных закономерностей обоснован комплекс профилактических мероприятий, направленных на снижение концентраций изучаемых загрязнителей.

Ключевой аспект предлагаемых мероприятий – дифференцированный подход к регулированию сроков проведения дорожно-эксплуатационных работ. Для Санкт-Петербурга, где увеличение содержания ВЧ регистрируется с середины марта вследствие процессов вторичного пылеобразования при снеготаянии, предложена корректировка технологического регламента: перенос начала летнего периода обслуживания дорог с 16 апреля на 16 марта. Для Краснодара, где соответствующие сроки не регламентированы, установлен период летней уборки дорог и прилегающих территорий с 1 марта по 10 октября, что соответствует выявленной динамике сезонных колебаний концентраций PM₁₀ и PM_2,5.

Следует отметить, что в тёплый период года содержание ВЧ в АВ Санкт-Петербурга, Краснодара, Красноярска и Архангельска не имеет статистически значимых различий. Это указывает на универсальность источников загрязнения ДАК и подтверждает необходимость реализации единого комплекса профилактических мероприятий в тёплый сезон для всех исследуемых городов. К таким мероприятиям относятся градостроительные и транспортные решения, направленные на сокращение интенсивности автомобильного движения (например, летом в Санкт-Петербурге расширение зон пешеходной доступности в исторической части города), а также озеленение придорожных территорий для барьерного пылеподавления (создание многоярусной структуры кустарникового подлеска на расстоянии 70 см от проезжей части с высотой насаждений от 70 см до 1,5 м и др.) [21, 22].

В отличие от универсальных мер для тёплого периода подход к снижению зимних концентраций требует учёта региональной специфики источников эмиссии. В городах с преобладанием газового топлива в системе теплоснабжения (99,7% в Санкт-Петербурге и Краснодаре) пик загрязнения АВ ВЧ приходится на тёплый период года. В то же время в городах с длительным отопительным сезоном и использованием ТВТ (Красноярск, Архангельск) зафиксирован зимний максимум концентраций PM₁₀ и PM_2,5, обусловленный сочетанным воздействием выбросов от объектов теплоэнергетики и неблагоприятных для рассеивания метеорологических условий.

Для снижения зимних пиков концентраций PM₁₀ и PM_2,5 в Красноярске и Архангельске необходимо внести корректировку в соответствующие регламенты содержания дорог («Правила благоустройства территории города Красноярска», «Технологический регламент производства работ по уборке автомобильных дорог общего пользования местного значения в городе Архангельске»). Целесообразно установить начало мероприятий по пылеподавлению с использованием нефрикционных, жидких противогололёдных материалов, обладающих связывающей способностью, в ноябре для Красноярска и октябре для Архангельска, что соответствует началу устойчивого роста уровня загрязнения АВ ВЧ PM₁₀ и PM_2,5. Особое внимание следует уделить применению в холодный период обеспыливающих жидкостей на основе хлоридов, исключающих образование гололёда и снижающих солезацию ВЧ.

Наиболее сложной задачей является снижение выбросов от стационарных источников теплоэнергетики. Даже модернизация газоочистного оборудования в 2021 г. на Красноярской ТЭЦ-1 в рамках федерального проекта «Чистый воздух» (замена циклонных золоуловителей на электрофильтры) не привела к полному соответствию санитарно-гигиеническим нормативам содержания PM₁₀ и PM_2,5 в АВ. Это указывает на необходимость реализации дополнительных мер, таких как предварительное обогащение угля для снижения зольности, применение химических присадок для коагуляции мелкодисперсных частиц и, в долгосрочной перспективе, переход на более экологичные виды топлива (природный газ) [23, 24].

Таким образом, разработка профилактических мероприятий требует комплексного подхода, учитывающего специфику источников загрязнения и климатические особенности каждого региона. Ключевым принципом является превентивное проведение мероприятий – до наступления сезонного максимума концентраций PM₁₀ и PM_2,5 в АВ.

Заключение

Выполненные исследования позволили установить, что динамика содержания ВЧ PM₁₀ и PM_2,5 в АВ Архангельска, Краснодара, Красноярска и Санкт-Петербурга имеет выраженную сезонность, определяемую комплексом факторов, среди которых ключевыми являются климатические условия региона, особенности эксплуатации ДАК и специ-фика системы теплоснабжения.

Определено, что для Санкт-Петербурга и Краснодара характерен весенне-летний максимум концентраций ВЧ, связанный с процессами вторичного пылеобразования (солезации) в период снеготаяния и устойчивых положительных температур и автомобильным трафиком. В Красноярске и Архангельске максимальные уровни загрязнения АВ PM-частицами регистрируются в зимний период, что обусловлено значительной долей ТВТ в системе теплоснабжения и благоприятными для рассеивания метеоусловиями.

Для минимизации риска воздействия ВЧ на здоровье городского населения в тёплое время года необходимы меры, направленные на снижение интенсивности автомобильного движения и обоснованное озеленение придорожной территории. В регионах, использующих ТВТ для теплоснабжения, приоритетными являются техническая модернизация теплоэнергетических объектов, внедрение высокоэффективных методов газоочистки, разработка и применение наилучших доступных технологий, а также переход на альтернативные виды топлива, в том числе природный газ.

Эффективность комплекса профилактических мероприятий по снижению загрязнения АВ исследуемых городов может быть повышена за счёт оптимизации и превентивного проведения уборочных работ на автомобильных дорогах до наступления сезонных пиков концентраций ВЧ. В существующие регламенты обслуживания автомобильных дорог целесообразно внести дополнения и изменения, предусматривающие проведение мероприятий по обеспыливанию, в том числе с применением средств пылеподавления, а также использование жидких противогололёдных материалов для предотвращения смерзаемости в периоды перехода температур через 0 °C и при отрицательных температурах, что позволит снизить вклад солезации в общее загрязнение АВ.

¹ Письмо Департамента Госсанэпиднадзора Минздрава РФ № 11/109-111 «О списке приоритетных веществ, содержащихся в окружающей среде, и их влиянии на здоровье населения»; 1997.

² СП 131.13330.2025. Свод правил. Строительная климатология. СНиП 23–01–99» (утверждён и введён в действие приказом Минстроя России от 08.08.2025 г. № 470/пр).