«Грязьбург» под микроскопом. Уральские ученые рассказали, из чего состоит грязь

Через полмесяца, 9 марта, мэрия Екатеринбурга должна объявить победителя конкурса по подбору организации, которая проведет научное исследование причин образования грязи на улицах уральской столицы. Всего за два дня плюсовых температур Екатеринбург превратился в сплошную полосу препятствий, и это сильно актуализировало вопрос, почему каждое межсезонье горделивый мегаполис превращается в непроходимое болото. Год назад глава Екатеринбурга Евгений Ройзман примерно в схожих погодных (и дорожных) условиях обещал привлечь специалистов Уральского отделения РАН. Как оказалось, этой проблемой там занимаются уже почти 10 лет — в Институте промышленной экологии (ИПЭ) в прошлом году даже выиграли соответствующий грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). О ходе этой работы Znak.com поговорил с замдиректора ИПЭ по науке Ильей Ярмошенко и руководителем исследовательской группы, кандидатом наук Андрианом Селезневым.

Показательный цезий

— Что за грант РФФИ по исследованию городской грязи, который выполняет сейчас Андриан?

Ярмошенко: Придется начать несколько издалека. С Андрианом мы встретились 10 лет назад. Он был тогда студентом физтеха УПИ, специализация: физические основы промышленной экологии. Мы оба работали в радиационной лаборатории, поэтому и задачи ему тогда поставили соответствующие. Например, тогда стоял вопрос, почему в некоторых пробах, которые мы отбираем в городе, повышенное содержание цезия-137. Сразу же родилась гипотеза про накопление цезия в пониженных участках рельефа. Андриану поставили задачу исследовать этот вопрос.

— Пониженные участки рельефа — что вы имеете в виду?

Ярмошенко: Грубо говоря, лужи.

— Почему вообще возник интерес заглядывать в содержимое луж?

Ярмошенко: Существует ГОСТ инженерно-геологических изысканий при строительстве. В этом ГОСТе определено, что при градостроительном планировании на площадках, где собираются строить здания, необходимо провести исследования на предмет радиоактивности поверхностных почв. Мы брали эти почвы и анализировали. Честно говоря, мы делали это тогда ради денег. Чтобы молодые ребята, ученые, имели возможность хоть что-то получать.

— Это что-то вроде радона?

Ярмошенко: Присутствие радона тоже проверяется. Но мы столкнулись с тем, что цезия-137 в некоторых пробах очень много. Андриан начал разбираться.

— И к каким выводам вы пришли, проанализировав вопрос с цезием?

Селезнев: Цезия оказалось много. Выше фона. Максимум, который мы нашли в городе, был 560 беккерелей на килограмм. Точка находилась на ВИЗе в районе пересечения улиц Заводской — Татищева.

— Вы поняли, почему там такое превышение?

Ярмошенко: Это значит, что цезий когда-то массово попал в атмосферу и там были условия для его накопления. Цезий-137 — элемент, который хорошо сорбируется на слоистых отложениях, например в глинах. Грубо говоря, он прикрепляется к ним и начинает путешествовать. На колесах автомобилей, например. Сорбируется он в верхнем слое почвы, и, если каким-то образом собрать этот верхний слой почвы в одном месте, то там будет высокое присутствие этого элемента.

— Нам в Екатеринбурге пора уже всем забираться в свинцовые убежища?

Ярмошенко: Опасных концентраций нет. Но есть активности, которые мы можем измерить, и они могут быть трассерами каких-то процессов в окружающей среде. Вообще-то цезия-137 в окружающей среде не должно было быть до 1945 года: до Хиросимы и Нагасаки.

Селезнев: Пиковые показатели обнаружения цезия в окружающей среде Северного полушария планеты приходятся на 1963 год. Это год массового испытания ядерного оружия. А также 1986 год — год аварии на Чернобыльской АЭС.

— Сейчас количество цезия-137 в окружающей среде увеличивается?

Селезнев: Показатели практически до нуля ушли. В сумме с 1945 года выпадения составили 5-6 килобеккерелей на метр квадратный. В Екатеринбурге абсолютно нетронутые почвы должны быть с показателями от 50 до 120 беккерелей на килограмм.

Ярмошенко: На самом деле цезий стал для нас индикатором процессов во внешней среде. По нему мы, в частности, датируем содержание других элементов. И после цезия Андриан делал кандидатскую диссертацию, в рамках которой изучался уже стандартный набор элементов: свинец, цинк, медь и так далее. Их содержание в отложениях, формируемых на пониженных участках рельефа.

— Имеется в виду, в той же уличной грязи?

Ярмошенко: Вообще-то такого научного понятия, как «грязь», не существует. При дословном переводе с английского получается такое определение грязи — «размякшая от воды почва». Мы изучаем немного другое. Размякшая от воды почва мигрирует, скапливается в пониженных участках, идет накопление элементов. Нам интересен этот процесс.

Селезнев: Грубо говоря, ищем, где во дворе лужи. Они хорошо маркируют локальное понижение микрорельефа. Одна из наших статей, кстати, вышедшая на английском, так и называлась — «Отложения луж» — «Рuddles sedimentations».

— Это в рамках кандидатской публиковалось?

Ярмошенко: Да, еще по цезию-137. Мы фактически по нему научились проводить датировку остальных элементов в отложениях. Грубо говоря, торф, который пролежал 10 лет, будет чуть загрязнен цезием, а торф, который пролежал 50 лет, будет очень и очень грязным. Чтобы знать, какой возраст почвы, которую мы отбираем в городе, мы делаем это, изучая степень загрязненности проб цезием.

— Какие результаты вы получили в рамках кандидатской Андриана?

Ярмошенко: Суммарно мы в рамках отобрали со всей территории города 200 проб. Нам удалось установить примерные скорости загрязнения Екатеринбурга свинцом, цинком, медью и другими тяжелыми металлами. Было четко показано, что высокие загрязнения цинком были лет 50 назад, свинцом — в 90-е годы. Есть загрязнение медью, а вот по железу ситуация не такая. Количество железа, встречаемого в пробах, примерно одинаковое. Это означает, что загрязнения железом окружающей среды практически не происходит.

— Что послужило источником загрязнения Екатеринбурга цинком и свинцом?

Селезнев: Свинец — это в основном автомобильные выбросы. В 1997 году был принят новый ГОСТ для топлива, потом запретили производство и использование этилированного бензина. Качество топлива улучшилось, и выбросы свинца резко пошли на убыль. Цинк сильно падает с 60-х годов. Было предположение, что его выбросы в городе связаны с использованием угля при печном отоплении. Раньше в городе едва ли не каждый дом зимой отапливался углем. Ситуация с загрязнением медью нам пока непонятна.

— Выбросы с заводов?

Ярмошенко: Скорее, тут мультифакторный процесс. Хотя мы отбирали пробы рядом с Карабашом (город с медеплавильным производством в Челябинской области — прим. ред.), где огромное количество Cu. Начало процесса, по нашим данным, приходится на 30-е годы, и он продолжался на протяжении всего ХХ века.

— Есть районы Екатеринбурга, где содержание цезия или тяжелых металлов выше?

Селезнев: Есть зависимость от года постройки. Больше всего цезия в кварталах со сталинской застройкой. Меньше всего цезия там, где самые молодые здания, постройки конца 80-х, 90-х годов и еще моложе.

— Вывод простой — надо переселяться туда, где жилье новее?

Ярмошенко: Грубо говоря, да.

— Концентрации цезия, свинца, меди, цинка, которые вы фиксируете, отражаются на здоровье человека?

Ярмошенко: Это, скорее, вопрос к Роспотребнадзору, но понятно, что неблагоприятные эффекты для здоровья есть. Загрязнение окружающей среды в городе постоянно растет, и этот процесс надо контролировать. К слову, в 1950 году основным фактором риска для человека на планете была плохая санитария, а преимущественной причиной смерти служили инфекционные заболевания. От них погибало 51% населения. Это тянулось еще со средних веков. В 1980-х годах основной фактор риска в масштабах Земли — недоедание детей в Африке. Сейчас основные факторы риска — это курение, алкоголизм, избыточный вес и, на четвертом месте, концентрация вредных веществ в атмосфере, так называемые PM2,5 — ультрадисперсные частицы. Эти фракции сами по себе могут быть и невредными. Но именно они абсорбируют на себе вредные вещества: тот же свинец, цинк, медь и вирусы.

— То есть условный цинк, содержащийся в уличной грязи, становится вреден только тогда, когда эта грязь высохнет и в виде взвеси попадет в атмосферу?

Ярмошенко: Да. Пока цинк не трогать, он так и останется в почве.

В основном это кварц

— Вернемся к гранту РФФИ, что это за грант?

Селезнев: Это молодежная программа РФФИ. Конкурс был объявлен в 2015 году, работать по нему мы начали в 2016-м. Предполагается трехлетняя программа исследований. Тема: «Современные антропогенные отложения на урбанизированных территориях: закономерности образования, миграции загрязнений и экологическая роль». Речь идет об отложениях в локальных понижениях микрорельефа.

— География исследования какая?

Селезнев: Это города: Екатеринбург, Нижний Тагил, Челябинск, Тюмень. Был еще Оренбург, но потом мы его решили поменять на Магнитогорск. Нас интересует процесс образования отложений в пониженных участках рельефа, природная миграция частиц геологических отложений, минеральный, химический и экологический анализ. Наш объект исследования, отмечу, до сих пор не классифицирован. При том, что есть классификация грунтов и классификация геологических отложений.

Ярмошенко: Еще одна цель — разработка метода исследований урбанизированных территорий. Методики, как отбирать и исследовать образцы из жилых кварталов, по сути, нет. Методы отбора почв, которые существуют, например, в системе Росгидромета, не подходят. Они предполагают, что почвы надо отбирать на непотревоженных территориях: окраинах парков и на лесных территориях. Понятно, что центральная часть этой методики состоит в том, что надо найти пониженные участки рельефа и в этих пониженных участках рельефа отобрать образцы отложений.

— Что уже сделано в рамках полученного гранта?

Селезнев: На данный момент отобрано около 70 проб в Нижнем Тагиле, по 60 проб в Тюмени и в Челябинске. По Магнитогорску будем отбирать в этом году. Сейчас проводится анализ отобранных проб. О результатах пока говорить рано, нам надо еще четыре месяца. Может, чуть меньше.

Ярмошенко: Можно уже сейчас говорить, что образцы от города к городу несколько различаются. Так, в Екатеринбурге преобладают глинистые почвы, Тюмень — это песчаные грунты.

Селезнев: В Нижнем Тагиле встречаются частицы шлаков. Это отходы металлургического производства, которые, видимо, здесь используются вместо щебня. В Челябинске примерно такая же ситуация.

Ярмошенко: За 2016 год также практически создана и освоена методика разделения образцов на фракции.

— Что имеется в виду?

Селезнев: Мы производим отмучивание и фильтрование под вакуумом.

Ярмошенко: Потом каждая фракция отдельно анализируется. Мы предполагаем, что в разных фракциях процесс абсорбции идет несколько иначе. Давайте покажу (открывает макроснимки на компьютере). Вот размер 500 микрон, около 0,5 мм. Это то, что отобрано прямо на улицах Екатеринбурга и в быту называется грязью. В основном это кварц. Видите эти прозрачные кусочки? Он от пробы к пробе отличается только степенью окатанности. В данном случае мы зафиксировали, скорее всего, то, что стекало с детской площадки. Вот желто-серые кусочки — это глинистые фракции. Встречается еще слюда. Интересно, что мы совсем не видим других примесей, вроде частиц истертых шин или автомобильных тормозных колодок.

— Очень странно. Кажется, они должны быть в образцах. По крайней мере, об этом часто говорят, когда рассказывают о предполагаемом составе екатеринбургской грязи.

Селезнев: Возможно, мы их просто не научились выделять в образцах. В рамках исследования по гранту мы планирует создать каталог таких частиц и научиться их классифицировать.

Прошу показать, как анализируются образцы. Идем на первый этаж института. Под лестницей сворачиваем к батарее, на которой стоят десятилитровые ведра с мутной субстанцией. «Это прямо сегодня отобрали с улицы Смазчиков. В одном ведре с проезжей части. Подождали, пока машины проедут, и прошли с совковой лопатой. Здесь собраны отложения с одного квадратного метра. Здесь, в другом ведре, образец с внутридворовых проездов. В третьем ведре — с газона. Видно, кстати, что снег куда более чистый, и он, кстати, не тает почти», — поясняет Ярмошенко.

После того, как смесь из снега и грязи растает, ее делят на фракции. «Потом это все разливается по стаканам, идет отмучивание дистиллированной водой. Дальше полученная суспензия поступает в систему. Это вон та батарея из колб Бунзена, — показывает Селезнев на стол, заставленный стеклянными склянками. — Представления об этой системе взяты из идеи каскадов при разделении изотопов. Пять лет обучения на физтехе даром не прошли. Вакуумный насос отсасывает все лишнее из образцов, и мы получаем нужную фракцию».

Оказывается, что фракция — это что-то вроде серой пыли на круглых бумажках. После того как эта субстанция высыхает, ее счищают и получают так называемую «навеску» — кучку порошка серого цвета. Часть его идет на минералогический анализ, часть — на химический. Последний делают буквально напротив, в специальной лаборатории. Для этого используется масс-спектрометр. Осмотрев это, возвращаемся назад в кабинет Ярмошенко.

Поребрик — не панацея

— Вы сейчас показали пробу, отобранную в Екатеринбурге. Эта работа выполняется в рамках гранта или для конкурса, который объявила мэрия по исследованию грязи?

Ярмошенко: Мы еще не знаем, выиграем ли конкурс. Это все проходит по закону о госзакупках. По условиям конкурса нужно обеспечение заявки — порядка 95 тыс. рублей и обеспечение договора. Это еще 30% от суммы договора в 1 млн 890 тыс. рублей. Мы — научное бюджетное госучреждение, и никакие банки нам гарантии под этот проект не дадут.

Селезнев: На данный момент отобрано 30 образцов пока. Всего планируется взять за год 100 проб.

Ярмошенко: Мы пока все-таки идем в рамках предполагаемого техзадания конкурса. Планируется обследовать шесть площадок. Для Екатеринбурга мы несколько изменили методику отбора проб.

— Можете объяснить?

Ярмошенко: По каждой из площадок мы в обязательном порядке отбираем пробу с дороги, с придорожного газона, с внутридворового проезда рядом, с парковки во дворе и с детской площадки. Причем в одних и тех же местах сделано это будет четыре раза: летом, осенью, зимой и весной.

— Зачем?

Ярмошенко: Представьте, что есть некая поверхность. У нее есть набор определенных физических и химических свойств. На эту поверхность оказывают влияние антропогенные и естественные факторы. В зависимости от своих физических и химических свойств в результате этого воздействия происходит реакция: эрозия, выветривание и другие разрушения. Дальше есть процессы, обуславливающие миграцию различных фракций и элементов, они также естественные и антропогенные. В результате всего этого частицы с поверхности выносит и они накапливаются в понижениях рельефа. Мы пытаемся при помощи научного аппарата описать происходящие процессы.

Надо учесть при этом, что поверхности могут различаться по степени устойчивости к антропогенным и естественным факторам. Так, асфальт достаточно устойчив к естественным факторам и частично устойчив к антропогенным. К последним мы, например, относим воздействие автотранспорта и техники, деятельность строителей, коммунальщиков и служб благоустройства, которые роют канавы, прокладывают кабели, водопроводы, строят заборы и так далее. Торф обладает совершенно другой степенью устойчивости ко всем этим факторам. Травяной газон также имеет свои свойства. Он более устойчив, чем торф, к воздействию естественных факторов.

— То есть по шести точкам города вы в конечном счете должны понять, как эти различные факторы действуют в Екатеринбурге на различные по типу поверхности?

Ярмошенко: Примерно так. Очевидно, что мэрия хочет бороться с грязью, но они считают, что на это у них не хватает денег. Например, они приводят сравнение с Москвой и считают, что у Екатеринбурга на эти цели в пять раз меньше средств. При этом наши погодные условия жестче, чем московские, и естественные факторы здесь сказываются сильнее. Это четко озвучивалось, когда мы встречались с Евгением Липовичем (Евгением Липовичем, ушедший недавно в отставку заместитель главы администрации Екатеринбурга по вопросам благоустройства — прим. ред.). Его желание было, чтобы эти деньги расходовались эффективнее.

— Экс-депутат [свердловского Заксобрания Владимир] Коньков, например, считает, что есть простое решение всех проблем — просто ставить более высокие поребрики, которые будут препятствовать переносу почвы на асфальт.

Ярмошенко: Это, безусловно, поможет. Но не все пути переноса будут блокированы высоким поребриком.

— Например?

Ярмошенко: Автомобиль. Если машина этот поребрик переехала и встала на газон, то она все равно потом разнесет грязь, выезжая оттуда. С другой стороны, если мы начнем везде переустанавливать поребрики, то разведем в город еще большую грязь. Проблема в том, что в описании технологии рытья канав и установки поребриков нет обязательного требования поддержании чистоты при производстве работ.

— Озвучивалось и другое предложение — закатать все придорожные газоны в асфальт, превратив их в парковки.

Ярмошенко: Это уже к вопросу о том, для чего у нас существует город. Город существует только для автомобилистов или для того, чтобы ходили целоваться в парки и гуляли по аллеям? Если только для автомобилистов, то останется лишь решить вопрос, какие кварталы сносим для увеличения пропускной способности транспорта. Если серьезно, то город, конечно же, существует не только для автомобилистов. Но я как ученый тут вообще ничего говорить уже не должен. Это должны решать сами горожане.

— Все-таки, есть какой-то научно выверенный рецепт, как бороться с грязью в Екатеринбурге?

Ярмошенко: До завершения наших работ не хотелось бы ничего говорить по этому поводу. И я все-таки не специалист по коммунальному хозяйству и вопросам благоустройства. Могу только сказать свое мнение, как горожанин. На мой взгляд, нужен локальный ландшафтный дизайн. В идеале для каждого двора надо составить архитектурно-планировочное решение. То есть необходимо правильно распланировать территорию. Чтобы в пониженных участках рельефа не накапливались отложения, чтобы на повышенных участках не стояли на газонах машины, а для этого нужно, чтобы количество парковок соответствовало нуждам. Еще одно важное условие — все городские поверхности, не покрытые асфальтом, должны иметь другое покрытие, устойчивое к воздействию внешних факторов. То, что сейчас производится укладка торфа на газоны без какого-то верхнего скрепляющего покрытия, — неправильно. Газон там вырастет только через 2-3 года, но до этого слой голого торфа просто не доживает. Надо делать так, как это делается в условном Карасьеозерске, где сразу сверху стелется рулонный газон. И еще раз — на газонах автомобили стоять не должны.

— Как насчет более тщательной уборки снега и обустройства ливневой канализации?

Ярмошенко: Насчет уборки снега, честно говоря, надо обращаться к другим специалистам. По ливневой канализации я тоже не специалист, но интуитивно понятно, что она должна быть, чтобы пропускать излишние паводковые и дождевые воды.