Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 2, стр. 276-282

ВВЕДЕНИЕ

Биологические аэрозольные частицы (биоаэрозоли) играют решающую роль в системе взаимодействия биофизических элементов Земли (литосферы, гидросферы и атмосферы) [1–7]. Первичные биоаэрозоли (ПБА) представляют собой подмножество частиц биогенного происхождения, выбрасываемых непосредственно в атмосферу, и включают живые и мертвые организмы (водоросли, археи, бактерии и др.), дисперсионные единицы (грибковые споры, пыльца растений) и различные фрагменты или выделения. ПБА характеризуются разнообразной формой и структурой, а их размеры сильно изменчивы (от ультрадисперсной до грубодисперсной фракции аэрозолей) [2]. ПБА вносят значительный вклад в глобальную эмиссию всех типов аэрозолей. Выбросы первичных биогенных частиц составляют около 1000 Тг в год, в то время как выбросы морской соли оцениваются в 3300 Тг, а минеральной пыли – 2000 Тг [4]. Такие биогенные частицы, как микробные патогены, аллергены и микробные компоненты, например, эндотоксины, микотоксины и глюканы, оказывают инфекционное, аллергическое или токсическое воздействие на живые организмы, воздействуя на здоровье населения и сельское хозяйство в местном, региональном и глобальном масштабах. Многие патогены растений, животных и человека способны переноситься с воздушными массами на большие расстояния, распространяя болезни по континентам и между ними [2]. Первичные биоаэрозоли участвуют в глобальных круговоротах углерода, азота, серы и фосфора; в облакообразовании, формировании и выпадении осадков; в гетерогенных и многофазных физико-химических атмосферных процессах и потенциально оказывают влияние на изменение климата [1–7]. Специфику протекания атмосферных гетерогенных процессов и изменение химического состава, радиационных и оптических характеристик атмосферы обусловливает реакционная способность первичных биологических аэрозольных частиц. ПБА принципиально отличаются от неорганических аэрозолей, они более сложны, многообразны по размеру и форме, несут различные функциональные группы, по-разному реагируют на резкие изменения условий в атмосфере, таких как относительная влажность, температура и химическая активность малых газовых составляющих [4]. Установлено, что биоаэрозоли более эффективно и легко, чем большинство других типов аэрозольных частиц, вступают в реакции в качестве ядер конденсации облаков или ядер льда. Крупные ПБА (зёрна пыльцы, споры грибов) способны действовать как гигантские ядра конденсации облаков [1–5].

Реакционная способность ПБА, как и других аэрозольных частиц, связана с их морфологической структурой [4–6]. В последние годы, благодаря развитию аналитических методов и приборов, мировым научным сообществом стало уделяться большее внимание исследованию характеристик биоаэрозолей, в том числе морфологических [5–9]. Однако публикаций отечественных исследователей на эту тему немного (например, [10, 11]), а статьи, посвященные морфологии атмосферных ПБА, практически отсутствуют.

В настоящей работе предпринята попытка восполнения данного пробела. Рассмотрены обобщенные результаты морфологического анализа частиц ПБА в составе приземного аэрозоля Московского мегаполиса, описаны основные типы идентифицированных биогенных частиц и особенности их морфологической структуры.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ

Морфологию ПБА изучали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения с автоэмиссионным катодом JSM 7500F фирмы “JEOL” (Япония). Микроскопические методы анализа нашли широкое применение при исследовании аэрозольных частиц различного происхождения, включая биогенные частицы [12, 13]. СЭМ – один из самых распространенных микроскопических методов, который в сочетании с методом рентгеноспектрального микроанализа позволяет определять не только морфологическую структуру, но и элементный состав аэрозольных частиц [6–9].

Элементный состав определяли с использованием аналитической приставки к сканирующему электронному микроскопу – энергодисперсионного микроанализатора INCA Penta FET-x3 фирмы “OXFORD INSTRUMENTS” (Великобритания). В результате сканирования образца электронным пучком получали ЭДС-спектры отдельных частиц [13].

Отбор аэрозольных проб на морфологический анализ осуществляли в 2019‒2022 гг. в рамках комплексного натурного эксперимента по исследованию изменчивости физико-химических характеристик приземного аэрозоля, проводимого в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН) и описанного в [14, 15]. Пункт отбора проб находился во дворе ИФА РАН, расположенного в административно-деловом и культурном центре столицы (Москва, Пыжевский пер., д. 3). Территория данного района сложена урбанозёмами с искусственной интродуцированной растительностью. Значительные площади запечатаны дорожным покрытием и городской застройкой, незапечатанные участки составляют от 3 до 5%. Район характеризуется наличием густой сети дорог с малым и средним автотранспортным трафиком, проложенных вдоль улиц и переулков. В непосредственной близости от места отбора проб произрастает небольшое количество старых деревьев, двор ИФА РАН запечатан асфальтовым покрытием.

За весь период наблюдений в разные сезоны было отобрано 189 проб аэрозоля на гидрофобные мембранные фильтры из политетрафторэтилена или волокнистые фильтры из ткани Петрянова с помощью малообъемного пробоотборника воздуха на высоте 2 м от подстилающей поверхности. Время отбора проб составляло от 12 до 24 ч в разные дни в зависимости от сезона, синоптической обстановки и метеорологических условий.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование морфологической структуры и состава частиц приземного аэрозоля позволило определить их природу. Наряду с твердыми минеральными частицами, а также частицами антропогенного происхождения, содержащими металлы, серу и углерод, в пробах, преимущественно в теплое время года (апрель–октябрь), были выявлены биогенные частицы разных типов. Они относятся к группе органических аэрозолей и состоят в основном из углерода и кислорода. В следовом количестве в некоторых частицах биоаэрозолей присутствовали минеральные элементы (Na, Mg, Ca, K, Al, Fe, Si) и элементы преимущественно антропогенной природы (S, P, Pb и Cu) [14, 15].

Споры и конидии грибов. Споры и конидии грибов – наиболее распространенный из типов частиц ПБА, выявленных в разные годы в летних пробах (рис. 1), в период основной активности их размножения в Московском регионе. Споры и конидии выбрасываются грибами в струях жидкости или каплями (эффекты осмотического давления и поверхностного натяжения), но возможно отделение сухих спор ветром или под действием другим внешних сил [3, 8, 16]. Концентрация спор, выделяемых сухим способом, как правило, возрастает в теплую, сухую погоду, в то время как количество спор, выделяемых влажным способом, увеличивается во влажных условиях, в ночные и ранние утренние часы. Поэтому возможно наличие взаимосвязи между процессами эмиссии/рассеивания спор и различными метеорологическими параметрами [3].

Рис. 1.

СЭМ-изображения спор различных видов грибов. На микрофотографиях (д) и (е) показаны цепочки из пар конидий.

Диаметр спор грибов может варьировать в диапазоне 1‒50 мкм в зависимости от биологического вида, возраста и условий окружающей среды [2, 3]. Идентифицированные в пробах приземного аэрозоля в Москве споры и конидии грибов характеризовались средним размером 4‒7 мкм. Кроме того, были обнаружены конидии, объединенные в пары (рис. 1 д, е). Способность спор грибов объединяться в длинные цепочки определяет их аэродинамический диаметр. Данный параметр обусловливает время жизни этих биогенных частиц в атмосфере и способность их осаждения в дыхательных путях и в легких человека [3].

Счетная и массовая концентрация грибковых спор в воздухе континентального пограничного слоя оцениваются соответственно в ≈10⁴ м^–3 и 1 мкг/м³. На их долю приходится до 10% органического углерода и 5% аэрозольных частиц PM₁₀ в городах и пригородах [3].

Пыльца. Зёрна пыльцы являются вторым по распространенности и одним из самых крупных по размеру (до 100 мкм) типов ПБА. В приземном слое атмосферы Московского мегаполиса наибольшее количество зёрен пыльцы было обнаружено в весенних пробах (рис. 2), что связано со спецификой вегетационного периода растительности. Зёрна пыльцы могут иметь различную форму и твердую оболочку и существовать как ПБА в виде целых единиц или фрагментов. При высокой влажности они способны разрываться на фрагменты размером 30 нм – 5 мкм. Особенности рассеивания пыльцевых зёрен в атмосфере зависят от метеорологических условий (влажность, температура, ветер, осадки). Присутствие пыльцы в воздухе четко соответствует сезонному циклу, связанному с сезонами цветения растительных источников. Кроме того, для пыльцы, как и для спор грибов, характерен определенный суточный ход. Пыльцевые зёрна, как ПБА крупных размеров, обычно имеют короткое время жизни. Однако при определенных условиях они способны подниматься на большие высоты, достигать значений концентрации, соизмеримых с величиной концентрации ледяных ядер, и участвовать в процессах зарождения льда [3].

Рис. 2.

СЭМ-изображения различных форм пыльцевых зёрен.

Фрагменты и выделения живых организмов. В теплые сезоны в пробах приземного аэрозоля в Москве были обнаружены и другие типы ПБА. Самыми крупными из них по размерам (20–40 мкм) оказались плоские чешуйки насекомых (рис. 3 а), выявленные в приземном слое атмосферы Московского мегаполиса весной 2021 г. Чешуйки насекомых являются довольно распространенными первичными биогенными частицами в атмосфере городов [8, 16]. Летом 2021 г. в составе приземных аэрозольных частиц в Москве был идентифицирован достаточно редкий для данного исследования тип ПБА – эпикутикулярный воск растения (рис. 3 б). Это восковое покрытие на внешней поверхности кутикулы растений, предназначенное для формирования ультрагидрофобной и самоочищающейся поверхности. Эпикутикулярный воск преимущественно состоит из алифатических углеводородов, содержащих различные функциональные группы и образует двух- и трехмерные структуры. Наиболее распространенными морфологическими типами эпикутикулярного воска являются тонкие пленки и несколько трехмерных структур: массивные корки, гранулы, пластинки, нити, стержни и полые трубочки. Размеры этих морфологических структур обычно изменяются в диапазоне 0.2–100 мкм [17]. В рамках настоящей работы идентифицирован эпикутикулярный воск в форме, напоминающей макаронные изделия (рис. 3 б). Такую же морфологическую структуру наблюдали и авторы [16].

Рис. 3.

СЭМ-изображения некоторых других видов ПБА: (а) – плоская чешуйка насекомого, (б) – эпикутикулярный воск растения, (в) – растительное волокно.

В биосфере существует и много других биогенных частиц, из которых один из самых больших вкладов в общую массовую концентрацию ПБА вносят фрагменты растений, в том числе растительные волокна (рис. 3 в). Зачастую достоверно определить такие ПБА и другие органические вещества затруднительно, поскольку растительные материалы в конечном итоге могут быть расщеплены на гуминоподобные вещества путем окислительной модификации и деградации биополимеров [17].

Брохосомы. Это самый примечательный тип ПБА, обнаруженных в составе приземного аэрозоля в Московском мегаполисе. И, хотя они относятся к выделениям живых организмов, в данной работе рассмотрены отдельно. Брохосомы представляют собой квазисферические полые пористые образования размером 200–700 нм, выделяемые полужесткокрылыми насекомыми семейства цикадок (Cicadellidae) из белков и жиров [18]. Подобно растениям, вырабатывающим эпикутикулярный воск с целью защитных функций, выделяемые цикадками брохосомы являются супергидрофобными и служат для защиты от воды и загрязнений поверхностей крыльев, тела и отложенных яиц насекомых, а также препятствием для отражения света при маскировке их от хищников. Замечательность брохосом заключается в том, что большинство из них [20] имеют форму, подобную молекулярной структуре фуллерена С₆₀ [19], представляющей собой полуправильный многогранник (усеченный икосаэдр) (рис. 4 а). Размеры геометрически подобных структур брохосом и фуллерена С₆₀ значительно отличаются, однако в литературе брохосомы называют “биологическими фуллеренами”. Брохосомы, обнаруженные в аэрозольных пробах в Москве летом 2021 г. (рис. 4 б‒д), характеризуются размерами около 200–400 нм, в то время как размер молекулы фуллерена С₆₀ значительно (более, чем на 2 порядка) меньше. Согласно экспериментальным и расчетным данным [19], длина двойной связи в углеродном каркасе молекулы С₆₀ составляет 0.139 нм, а одинарной – 0.145 нм (рис. 4 а). Следует отметить специфическую особенность идентифицированных брохосом: в атмосфере они распространяются в виде больших агломератов (замысловатых цепочек и рыхлых агрегатов подобно фрактальным кластерам частиц сажи). Кроме того, в аэрозольных пробах они обнаружены на поверхности или при непосредственном соприкосновении с более крупными минеральными частицами или их агломератами, как видно из рис. 5. Благодаря широкому распространению и обитанию сотни различных видов цикадок на кустарниках и деревьях (сирень, роза, липа, берёза, тополь и др.), в теплое время года в приземном слое атмосферы в составе аэрозольных частиц находится огромное количество выделяемых насекомыми брохосом и их агломератов, в том числе в городских условиях. Однако в публикациях зарубежных ученых, экспериментально изучающих морфологию приземных аэрозолей, сведения о брохосомах немногочисленны (например, в [8, 10, 17]). И нами брохосомы были обнаружены только в июне-июле 2021 г. в четырех из двадцати одной пробы, отобранной в этом сезоне. Других отечественных работ на эту тему авторами данной статьи не найдено. В этом смысле настоящее исследование является пионерским.

Рис. 4.

Брохосомы: (а) – сравнение молекулярной структуры фуллерена С₆₀ с брохосомой (справа), (б)‒(д) – СЭМ-изображения агломератов брохосом в аэрозольных пробах, полученных во время наблюдений в Москве в июне–июле 2021 г.

Рис. 5.

Сравнение форм и размеров разных видов ПБА: 1 – конидии грибов, 2 – пыльцевые зёрна, 3 – агломерат брохосом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом СЭМ по данным многолетних наблюдений (2019–2022 гг.) исследована морфология частиц первичных биологических аэрозолей, содержащихся в приземном слое атмосферы Московского мегаполиса, и выявлены основные типы ПБА, их формы и размеры. В весенний период наибольшее количество обнаруженных частиц ПБА составляют пыльцевые зерна, в летний период – споры и конидии грибов. Кроме того, в аэрозольных пробах в теплое время года установлено наличие фрагментов и выделений живых организмов. Новым результатом в исследованиях отечественных ученых является идентификация в составе приземного аэрозоля в Москве агломератов “биологического фуллерена” – брохосом.

Частицы ПБА характеризуются сезонной и суточной цикличностью, а специфика их эмиссии, переноса и трансформации во многом зависит от метеорологических параметров. Климатические изменения могут привести к смещению или изменению длительности сезонной активности ПБА, что может повлиять на активность и вклад биогенных частиц в различные атмосферные процессы. Кроме того, такие ПБА, как пыльца и грибные споры, могут оказывать негативное воздействие на здоровье и жизнедеятельность человека. В частности, аллергенный потенциал этих биоаэрозолей может быть усилен при их активном участии в гетерогенных реакциях с газовыми примесями атмосферы. Частицы ПБА охватывают чрезвычайно широкий спектр размеров, очень сложны и разнообразны по морфологической структуре, сведений о которой в литературных источниках все еще недостаточно. Результаты, полученные в данной работе, призваны отчасти восполнить данный пробел и будут полезны при исследовании физико-химических свойств ПБА и изучении их роли в развитии, эволюции и динамике экосистем.