Том 35, номер 06, статья № 9

Аннотация:

При анализе экологического воздействия эмиссий горения биомасс на региональном и глобальном уровнях приоритетное значение имеют исследования физико-химических и токсикологических характе­ристик дымов, данные о которых сильно ограничены для сибирских лесных пожаров. Состав дымовых аэрозолей, формирующихся при горении сибирских биомасс, изучается в ходе экспериментов, проводимых в Большой аэрозольной камере Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН (г. Томск). Методами ИК Фурье-спектроскопии, газовой хромато-масс-спектрометрии и жидкостной хроматографии ис­следован состав органических соединений, образующихся при сжигании сосны сибирской и лесного опада в режимах тления, открытого горения и в процессе старения дымов. Установлены маркеры, позволяющие определять условия сжигания и тип биомасс: характерные полосы поглощения, соотношения групп карбоксильных и алифатических соединений, диагностические соотношения полициклических ароматических угле­водородов (ПАУ). Проведены расчет факторов эмиссии ПАУ и оценка уровня канцерогенной опасности смеси ПАУ, содержащихся в составе дымовых аэрозолей.

Ключевые слова:

дымовые аэрозоли, сибирские лесные пожары, Большая аэрозольная камера, горение, тление, органические соединения, функциональные группы, полициклические ароматические углеводороды

Список литературы:

1. Tomshin O., Solovyev V. Spatio-temporal patterns of wildfires in Siberia during 2001–2020 // Geocarto Int. 2021. P. 1–19.
2. Lavoue D., Liousse C., Cachier H., Stocks B.J., Goldammer J.G. Modeling of carbonaceous particles emitted by boreal and temperate wildfires at northern latitudes // J. Geophys. Res.: Atmos. 2000. V. 105, N D22. P. 26871–26890.
3. Conard S.G., Ivanova G.A. Wildfire in Russian boreal forests – Potential impacts of fire regime characteristics on emissions and global carbon balance estimates // Environ. Pollut. 1997. V. 98, N. 3. P. 305–313.
4. Agarwal S., Aggarwal S.G., Okuzawa K., Kawamura K. Size distributions of dicarboxylic acids, ketoacids, a-dicarbonyls, sugars, WSOC, OC, EC and inorganic ions in atmospheric particles over Northern Japan: implication for long-range transport of Siberian biomass burning and East Asian polluted aerosols // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, N 13. P. 5839–5858.
5. Russell L.M., Bahadur R., Ziemann P.J. Identifying organic aerosol sources by comparing functional group composition in chamber and atmospheric particles // Proc. Nat. Acad. Sci. 2011. V. 108, N 9. P. 3516–3521.
6. Popovicheva O.B., Kireeva E.D., Shonija N.K., Vojtisek-Lom M., Schwarz J. FTIR analysis of surface functionalities on particulate matter produced by off-road diesel engines operating on diesel and biofuel // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. V. 22, N 6. P. 4534–4544.
7. Popovicheva O., Ivanov A., Vojtisek M. Functional factors of biomass burning contribution to spring aerosol composition in a megacity: Combined FTIR-PCA analyses // Atmos. 2020. V. 11, N 4. P. 319–339.
8. Lammers K., Arbuckle-Keil G., Dighton J. FT-IR study of the changes in carbohydrate chemistry of three New Jersey pine barrens leaf litters during simulated control burning // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41, N 2. P. 340–347.
9. Iinuma Y., Bruggemann E., Gnauk T., Muller K., Andreae M.O., Helas G., Parmar R., Herrmann H. Source characterization of biomass burning particles: The combustion of selected European conifers, African hardwood, savanna grass, and German and Indonesian peat // J. Geophys. Res.: Atmos. 2007. V. 112, N D08209.
10. Takahama S., Schwartz R.E., Russell L.M., Macdonald A.M., Sharma S., Leaitch W.R. Organic functional groups in aerosol particles from burning and non-burning forest emissions at a high-elevation mountain site // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, N 13. P. 6367–6386.
11. Поповичева О.Б., Кистлер М., Киреева Е.Д., Персианцева Н.М., Тимофеевa М.А., Шонияc Н.К., Копейкин В.М. Состав и микроструктура аэрозоля задымленной атмосферы г. Москвы в условиях экстремальных пожаров августа 2010 г. // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2017. Т. 53, № 1. С. 56–65.
12. Sengupta D., Samburova V., Bhattarai C., Watts A.C., Moosmüller H., Khlystov A.Y. Polar semivolatile organic compounds in biomass-burning emissions and their chemical transformations during aging in an oxidation flow reactor // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20, N 13. P. 8227–8250.
13. Сенашова В.А., Анискина А.А., Пляшечник М.А., Костякова Т.В. Компонентный состав летучих соединений хвойных в условиях Средней Сибири // Химия растительного сырья. 2014. № 1. С. 77–85.
14. Simoneit B.R.T. A review of biomarker compounds as source indicators and tracers for air pollution // Environ. Sci. Pollut. Res. 1999. V. 6, N 3. P. 159–169.
15. Oros D.R., Simoneit B.R.T. Identification and emission factors of molecular tracers in organic aerosols from biomass burning Part 1. Temperate climate conifers // Appl. Geochem. 2001. V. 16, N 13. P. 1513–1544.
16. Попова С.А., Макаров В.И. Химический состав продуктов тлеющего горения древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) и лиственницы сибирской (Larix sibirica), багульника болотного (Ledum palustre) и лишайника (Cladonia sp.) // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 6. С. 488–492.
17. Zangrando R., Barbaro E., Zennaro P., Rossi S., Kehrwald N.M., Gabrieli J., Gambaro A. Molecular markers of biomass burning in Arctic aerosols // Environ. Sci. Technol. 2013. V. 47, N 15. P. 8565–8574.
18. Rengarajan T., Rajendran P., Nandakumar N., Lokeshkumar B., Rajendran P., Nishigaki I. Exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons with special focus on cancer // Asian Pac. J. Trop. Biomed. 2015. V. 5, N 3. P. 182–189.
19. Wiriya W., Chantara S., Sillapapiromsuk S., Lin N.H. Emission profiles of PM10-bound polycyclic aromatic hydrocarbons from biomass burning determined in chamber for assessment of air pollutants from open burning // Aerosol Air Qual. Res. 2016. V. 16, N 11. P. 2716–2727.
20. Dvorska A., Lammel G., Klanova J. Use of diagnostic ratios for studying source apportionment and reactivity of ambient polycyclic aromatic hydrocarbons over Central Europe // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 2. P. 420–427.
21. Pies C., Hoffmann B., Petrowsky J., Yang Y., Ternes T.A., Hofmann T. Characterization and source identification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in river bank soils // Chemosphere. 2008. V. 72. P. 1594–1601.
22. Zhang W., Zhang S., Wan C., Yue D., Ye Y., Wang X. Source diagnostics of polycyclic aromatic hydrocarbons in urban road runoff, dust, rain and canopy throughfall // Environ. Pollut. 2008. V. 153. P. 594–601.
23. Рахимов Р.Ф., Макиенко Э.В. Некоторые методические дополнения к решению обратной задачи для восстановления параметров дисперсной структуры дымов смешанного состава // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 3. С. 183–189; Rakhimov R.F., Makienko E.V. Some methodic additions to the solution of the inverse problem for the reconstruction of the parameters of the disperse structure of mixed smokes // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 4. P. 259–265.
24. Рахимов Р.Ф., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. О временной динамике комплексного показателя преломления и микроструктуры частиц по данным спектронефелометрических измерений в смешанных дымах // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 10. С. 887–897; Rakhimov R.F., Kozlov V.S., Shmargunov V.P. Time dynamics of the complex refractive index and particle microstructure according to data of spectronephelometer measurements in mixed composition smokes // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 1. P. 51–61.
25. Popovicheva O.B., Kozlov V.S., Engling G., Diapouli E., Persiantseva N.M., Timofeev M.A., Fan T.-S., Saraga D., Eleftheriadis K. Small-scale study of Siberian biomass burning: I. Smoke microstructure // Aerosol Air Qual. Res. 2015. V. 15. P. 117–128.
26. Kalogridis A.C., Popovicheva O.B. Engling G., Diapouli E., Kawamura K., Tachibana E., Eleftheriadis K. Smoke aerosol chemistry and aging of Siberian biomass burning emissions in a large aerosol chamber // Atmos. Environ. 2018. V. 185. P. 15–28.
27. Поповичева О.Б., Козлов В.С., Рахимов Р.Ф., Шмаргунов В.П., Киреева Е.Д., Персианцева Н.М., Панченко М.В., Zimmermann R., Schnelle-Kreis J. Оптико-микрофизические и физико-химические характеристики дымов горения сибирских биомасс: эксперименты в аэрозольной камере // Оптика атмосф. и океана. 2016. T. 29, № 4. С. 323–331; Popovicheva O.B., Kozlov V.S., Rakhimov R.F., Shmargunov V.P., Kireeva E.D., Persiantseva N.M., Timofeev M.A., Engling G., Eleftheriadis K., Diapouli E., Panchenko M.V., Zimmermann R., Schnelle-Kreis J. Optical-microphysical and physical-chemical characteristics of Siberian biomass burning: Experiments in aerosol chamber // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 5. P. 492–500.
28. Cain J.P., Gassman P.L., Wang H., Laskin A. Micro-FTIR study of soot chemical composition–evidence of aliphatic hydrocarbons on nascent soot surfaces // Phys. Chem. 2010. V. 12, N 20. P. 5206–5218.
29. Thepnuan D., Chantara S., Lee C.T., Lin N.H., Tsai Y.I. Molecular markers for biomass burning associated with the characterization of PM2.5 and component sources during dry season haze episodes in Upper South East Asia // Sci. Total Environ. 2019. V. 658. P. 708–722.
30. Froehner S., Maceno M., Machado K.S., Grube M. Health risk assessment of inhabitants exposed to PAHs particulate matter in air // J. Environ. Sci. Health. A. 2011. V. 46, N 8. P. 817–823.
31. U.S. EPA. Development of a Relative Potency Factor (Rpf) Approach for Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) Mixtures (External Review Draft, Suspended). U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/635/R-08/012A, 2010. 622 p. URL: https:// cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NCEA&dirEntryId=194584 (last access: 6.11.2021).
32. Samburova V., Connolly J., Gyawali M., Yatavelli R.L., Watts A.C., Chakrabarty R.K., Khlystov A. Polycyclic aromatic hydrocarbons in biomass-burning emissions and their contribution to light absorption and aerosol toxicity // Sci. Total Environ. 2016. V. 568. P. 391–401.
33. Tobiszewski M., Namiesnik J. PAH diagnostic ratios for the identification of pollution emission sources // Environ. Pollut. 2012. V. 162. P. 110–119.