Перенос твердых и жидких частиц в атмосфере: аэрозоли
Размещение осадочных частиц на дне рек и океанов препятствует тесным взаимодействиям между осевшим веществом и людьми. В то же время частицы, оказывающиеся в воздухе даже на короткое время, могут попадать к нам в легкие, вызывая серьезные проблемы. Так же как и частицы донных отложений, частицы, переносимые по воздуху, классифицируются в первую очередь по своим размерам, при этом размеры влияют на их общую токсичность.
Представьте себе пыль, поднимаемую автомобилем на грунтовой дороге. Частицы, взвешенные в воздухе, имеют диаметр менее 100 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 40 до 70 мкм) и все вместе составляют суммарное количество взвешенных твердых частиц. Самые крупные из них (от 100 до 10 мкм) обычно быстро оседают на землю и не перемещаются на большие расстояния.
Очевидно, что, становясь мельче, частицы также становятся легче, и поэтому могут оставаться в воздухе дольше и путешествовать дальше от своего источника. При вдыхании эти частицы продолжают свое движение по дыхательным путям, от носовой или ротовой полости – в альвеолы легких. Это непростой путь, так как в дыхательных путях человека много изгибов и поворотов. Грубые частицы, диаметром от 10 до 2,5 мкм, обычно сталкиваются с внутренними стенками респираторных путей, прилипая к слизистой выстилке и задерживаясь на пути к альвеолам. Но более мелкие частицы способны с потоком воздуха попадать прямо в легкие.
«Агентство по защите окружающей среды» США обращает наиболее пристальное внимание на два класса взвешенных в воздухе частиц: PM10 и PM2,5. Ситуация здесь не совсем такая, как с классификацией осадочных частиц в воде: РМ10 и РМ2,5 – это не конкретный, а максимальный размер частиц в данном классе. Иными словами, к РМ10 относятся все частицы, диаметр которых составляет 10 мкм и менее, в том числе и те, диаметр которых равен 2,5 мкм и меньше. Во многих скоплениях пыли, классифицируемых как РМ10, до половины может составлять мелкая фракция, диаметром до 2,5 мкм. Еще одно отличие осадочных частиц в воде и взвеси в воздухе касается значения отношения площади к объему. В воздухе частицы не склонны объединяться, поэтому удельная площадь поверхности и межпоровое пространство не дают нам практически ничего для выяснения их токсичности.
Различия между частицами РМ10 и РМ2,5 заключаются преимущественно в источнике и составе аэрозоля. Мелкие частицы класса РМ2,5 в основном являются продуктами реакций горения и окисления; их типичные источники – автомобильные выхлопы, а также продукты сгорания различных видов топлива – дерева, мазута, угля. Эти крошечные частицы могут проникать в легкие до уровня альвеол, где растворяются в покрывающей альвеолы водной пленке и всасываются через легочный эпителий в кровь. Они настолько малы, что начинают действовать не как мельчайшие частицы твердого вещества, а скорее как макромолекулы. Также они часто связываются с органическими молекулами, подверженными биотрансформации, и способны очень сильно влиять на их токсичность (подробнее в главе 10). Класс РМ10 – это в целом более грубые и крупные частицы, так называемая сдуваемая пыль. Она состоит из отдельных крупинок – например, частиц соли, образующихся при испарении морской воды, пыльцы и спор растений, частиц резины от стирающихся шин и почвы, летящей из-под колес. Как уже говорилось, при вдыхании более крупные частицы могут задерживаться в дыхательных путях на пути к легким. Однако, учитывая тот факт, что до 50 % массы сдуваемой пыли могут составлять частицы диаметром до 2,5 мкм, эта фракция все равно попадает в легкие, становясь причиной респираторных заболеваний и повреждений легочной ткани.
Аэрозоли, в отличие от осадочных частиц в воде, не создают благоприятную среду для микробов. Отчасти это объясняется тем, что между частицами в воздухе нет пригодного для обитания микроорганизмов «межпорового пространства». Другая причина состоит в том, что дым и пыль – это преимущественно сухая среда, куда менее подходящая для микроорганизмов, чем поверхность частиц, погруженных в воду. Это особенно верно для частиц класса РМ2,5, так как они часто представляют собой продукты горения, при котором микроорганизмы просто не выживают. Но, несмотря на все эти препятствия, колонизация аэрозолей иногда все же происходит, пример чего можно найти на сухих равнинах западного Техаса.
Прерии на западе Техаса известны своим сухим и ветреным климатом. Этот регион также знаменит своим скотом, и когда этот скот испражняется, навоз быстро высыхает и растаптывается коровьими копытами. Сочетание сухости и ветра приводит к очень быстрому иссушению этого субстрата, а механическое измельчение создает идеальные условия для образования сдуваемой пыли, которая повсюду разносится ветром с пастбищ. Кроме того, в этой пыли может содержаться достаточно много фекальных бактерий. Переносясь ветром на большие расстояния, потенциально токсичные вещества и болезнетворные бактерии могут стать источником загрязнения.
На чистой и упрощенной модели Земли загрязняющие вещества должны были бы оставаться в одной и той же форме, за исключением тех случаев, когда могли бы полностью перейти в другую. Переходы между твердой, жидкой и газообразной фазами сводились бы к относительно простым процессам замерзания, таяния, кипения и испарения. Однако в реальных экосистемах не все так просто и чисто. Твердые вещества могут путешествовать в виде частиц по воде или по воздуху под влиянием уникальных процессов, которые отличаются от тех, которые происходят при растворении веществ. Пыль и осадочные частицы работают как транспортное средство для токсичных веществ, которые благодаря им порой могут перемещаться с водой и ветром на огромные расстояния.
