Микропластик в водной среде

Дата публикации: 30 июня 2020

Отечественные  специалисты ведут исследования по распределению и содержанию микропластика и ищут эффективные методы по выделению и анализу полимерных частиц из водной среды. Это способствует точной оценке уровня загрязнения водных объектов и повышению эффективности природоохранной деятельности.

Одной из важных проблем XXI века стало загрязнение окружающей среды. Особые опасения вызывает распространение в природе микропластика – микрочастиц полимеров,   образующихся в ходе разрушения пластикового мусора  в результате механического истирания  и  частичного химического разложения в окружающей среде, и которые, в конечном счете, накапливаются в  Мировом океане. Находясь в водной среде  и  оставаясь практически незаметными,  они несут в себе угрозу для жизни водных организмов, птиц, млекопитающих.

Физико-химические свойства пластика сделали этот  материал популярным и востребованным в быту и на производстве. Одновременно с этим встал вопрос об утилизации и переработке пластиков, которые повсеместно накапливаются в окружающей среде.

Чтобы количественно оценить масштабы и уровень загрязнения территорий  и морских бассейнов, требуется разработка стандартизированных методик отбора, подготовки и анализа проб воды, донных и береговых отложений.

Ученые Карельского научного центра  (КарНЦ РАН, г. Петрозаводск)  и Атлантического отделения Института океанологии имени П. П. Ширшова (АО ИО РАН, г. Калининград) несколько лет занимаются комплексным изучением распространения микропластика в Балтийском море  и Онежском озере. Поиск новых подходов и научных инструментов идентификации этих «вредных» полимерных частиц позволил специалистам провести детальный анализ песка, воды и донных отложений. Результаты подтвердили повсеместное присутствие микропластика в этих водных объектах. Важной задачей  является изучение процессов образования, накопления этих частиц и  определения их индивидуальных свойств.

На фото Михаил Зобков производит отбор проб из водного столба (вертикальной сетью) на Онежском озере, осень 2019

Михаил Борисович Зобков – кандидат технических наук, заведующий лабораторией гидрохимии и гидрогеологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН (г. Петрозаводск) – рассказал в чем заключаются задачи ученых по изучению микропластика в водных объектах Карелии и поделился значимыми результатами проведенных исследований.

«Мелкие частицы пластика начали обнаруживать в процессе морских исследований еще в 70-х годах прошлого века, а в 80-х годах математическими моделями было предсказано появление скоплений плавучего мусора в Тихом океане. Однако наиболее широкий общественный резонанс эти исследования получили в начале 2000-х после обнаружения большого Тихоокеанского мусорного пятна океанологом и яхтсменом Чарльзом Муром. В области Тихоокеанского мусорного пятна, кроме крупного мусора, были также обнаружены скопления микроскопических частиц пластика, которые позже получили название  микропластик, – это частицы искусственных полимеров, размером менее 5 мм. В настоящее время эти частицы обнаруживаются везде – от глубин Мирового океана до высокогорных озер. Они присутствуют вокруг нас: в воде, почве, и даже атмосферном воздухе. Показано, что люди потребляют их с солью, бутилированной питьевой водой и пищей.

Откуда же они берутся? Различают, так называемые, первичный и вторичный микропластик. Первый изначально производится в виде микрочастиц. К ним относятся пеллеты (предпроизводственные гранулы), которые теряются при транспортировке с заводов по производству полимеров на другие предприятия, занимающиеся производством пластиковых изделий. Более мелкие полимерные гранулы используются в косметической промышленности в качестве скрабов. Также пластиковые гранулы используют в качестве абразивов при удалении лакокрасочных покрытий и в других сферах. Вторичный микропластик образуется из крупных изделий в процессе их разрушения, как правило, в окружающей среде под воздействием ультрафиолетового излучения, истирания на пляжах и каменистых берегах. Но также было показано, что при стирке только одного синтетического изделия образуется более 2000 синтетических волокон.

В чем вред микропластика? Пластики имеют относительно низкую удельную плотность и способны длительное время (до нескольких десятков лет) оставаться на поверхности воды или во взвешенном состоянии. Имея различные размеры, форму и цвет, они воспринимаются многими живыми организмами как источник пищи. Само по себе проглатывание таких частиц может причинять вред живым организмам: затруднять пищеварение, усложнять питание, препятствовать размножению, уменьшать запасы энергии и вести к летальному исходу.

Михаил Зобков рассказал о важном значении решения задач, связанных   с оценкой количества и динамики микропластика в водной среде для экологии и природопользования пресноводных объектов и Мирового океанав целом.

Кроме того, в недавних исследованиях было показано, что пластики способны адсорбировать на свои поверхности стойкие органические загрязняющие вещества и тяжелые металлы, являющиеся канцерогенами. При этом сорбционная способность пластиков повышается по мере их старения и разрушения. Таким образом, частицы микропластика становятся проводниками загрязняющих веществ в тела водных организмов. При этом сами частицы и ассоциированные с ними загрязнители способны к передаче и накоплению вверх по пищевым цепям, верхним звеном которых является человек. Как известно, для разложения большинства искусственных полимеров требуются десятки, а то и сотни лет, однако они разрушаются с образованием микропластика гораздо быстрее (от нескольких месяцев до нескольких лет). Это означает, что микропластик может существовать в окружающей среде десятки и сотни лет, и при этом он не может быть удален из нее известными на настоящий момент способами. Поэтому первоочередной задачей является определить, как и с какой скоростью образуется микропластик. Откуда он поступает, как переносится, где накапливается, как потребляется различными организмами, какие негативные эффекты для них несет. Как и какие загрязняющие вещества сорбируются/десорбируются/переносятся с частицами пластика. Все это  необходимо для оценки рисков, которые он несет для окружающей среды и человека».

Какие на сегодняшний день существуют действенные методы или стандартизированные процедуры для идентификации и реальной оценки концентраций микропластика в морской среде?

«Микропластик за счет своей разнородности, то есть широкого спектра полимеров различного химического состава, размеров, цветов оказался довольно сложной для количественного анализа субстанцией. Зачастую методики анализа сводятся к подсчету количества частиц в единице объема воды, массы осадка или на единицу площади. Однако в связи с одновременным присутствием в окружающей среде частиц совершенно разных размерных диапазонов (от нанометров до нескольких мм), подсчет всех из них практически невозможен. Поэтому применяются различные сита/сетки для выделения определенного размерного диапазона частиц. К сожалению, на настоящий момент не существует стандартизованных методик анализа микропластика, и даже не существует стандартизованных размеров сеток. Зачастую, методики разрабатываются под конкретные исследования, зависящие от их целей. Важным этапом является изолирование частиц искусственных полимеров от других частиц естественного и искусственного происхождения. Обычно для этого применяют окисление, чтобы растворить органическое вещество, и плотностное разделение в плотных растворах для отделения более тяжелых минеральных фракций. Однако зачастую финальное решение – является или нет частица именно частицей искусственного полимера - принимается оператором. В этом ему помогают современные высокотехнологичные приборы – ИК-Фурье микроскоп или Рамановский спектрометр. В любом случае, данный анализ является очень трудоемким, –объяснил Михаил Зобков.

Одной из первых методик, претендующих на универсальность, была методика анализа микропластика в морской среде, разработанная Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США. Она также оказалась не идеальной, однако послужила отправной точкой для разработки многих родственных методов, в том числе предложенных и нашей группой в рамках работ по исследованию микропластика в Балтийском море в АО ИО РАН в 2015-2017 гг., поддержанных РНФ (грант №15-17-10020)».

Отбора проб микропластика  и анализ  его содержания в морских водах и водоемах, как уже подчеркнул ученый, довольно трудоемкий процесс. Михаилом Зобковым  совместно с коллегами из АО ИО РАН был разработан новый инструмент PLEX (PLastic EXplorer). Он был применен для отбора проб из толщи  воды Балтийского моря.

Что позволяет обнаружить такой способ анализа и на основе каких параметров? Насколько эффективно он работает?

На фото Михаил Зобков у ручья - отбор проб микропластика с помощью сетей на притоках Петрозаводской губы (р. Сельгская, дренирующей территорию свалки ТБО г. Петрозаводска, осень 2019)

Как поясняет Михаил Зобков: «Данный прибор был разработан для оценки содержания микропластика в водном столбе. Это новое направление, поскольку в основном содержание микропластика измеряется на поверхности воды, с помощью плавучих сетей различной конструкции. Этот прибор позволил нам оценить содержание микропластика на различных глубинах с довольно точным вертикальным позиционированием около 1 м. С его помощью было установлено, что микропластик задерживается на градиентах температуры и солености. Аналогичные процессы вероятнее всего имеют место и в Мировом океане, где микропластик должен задерживаться и транспортироваться на большие расстояния непосредственно в водной толще. Прибор позволяет выполнять отбор нескольких кубометров воды с глубины до 100 м и осаждать взвесь всего на один небольшой фильтр, диаметром 5 см, который затем анализируется в лаборатории».

Кроме того, карельскими учеными  в сотрудничестве с коллегами из Калининграда была предложена модификация методов анализа для количественной оценки микропластика, включая мелкие волокна, продуктивность которого была подтверждена при изучении донных отложений Балтики. По словам Зобкова: «Метод оказался довольно простым и эффективным, не требующим дорогостоящего оборудования и реактивов. Было показано, что с применением этого метода из донных осадков извлекается в среднем 92% даже относительно тяжелых пластиков (ПЭТ). Ко мне уже обращались наши коллеги из различных стран для внедрения этого метода в их лабораториях, с просьбой прояснить некоторые подробности».

В итоге, анализ проб воды и донных осадков подтвердил наличие проблемы загрязнения. Как отмечает ученый, «исследования показали, что микропластик в Балтийском море распространен повсеместно. Частицы полимеров были обнаружены во всех отобранных пробах. Основной сложностью оказалось то, что распределение пластика в воде и осадках моря очень пятнисто и неравномерно. Довольно трудно было работать с такими данными, однако мои коллеги из Калининграда продолжают исследовать этот вопрос и уже близки к объяснению такого распределения».

На фото сеть с поплавками (нейстонная сеть) около борта судна - отбор на Онежском озере с поверхности воды, весна 2019

Новое исследование, которое проводится при поддержке Российского научного фонда, проект №19-17-00035 «Распространение микрочастиц антропогенных полимеров (микропластика) и ассоциированных с ними тяжелых металлов и их соединений в крупных водных объектах суши (на примере Онежского озера)», сроком выполнения  с 2019 по 2021 год, возглавил Михаил Зобков, а в  его реализации принимает участие  18 человек – научных сотрудников и инженерно-технических работников КарНЦ РАН и коллега из Морского гидрофизического института (МГИ) г. Севастополя со своей рабочей группой.

По словам Зобкова: «Проект посвящен проблеме поступления микропластика в водные объекты суши (на примере Онежского озера) с речным стоком, промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами, а также определении содержания ионов тяжелых металлов, связанных с частицами полимеров. Запланированы эксперименты по оценке возможности перехода ионов тяжелых металлов от частиц полимеров в тела водных организмов в процессе питания. Будет проведена оценка степени загрязнения Онежского озера, второго по величине озера Европы, и его основных притоков микропластиком и определены концентрации тяжелых металлов, как в воде, так и ассоциированных с этим новым типом загрязнения».

Карельские ученые в рамках проекта определяют уровень загрязнения донных отложений Онежского озера частицами микропластика и проводят сравнение с наблюдаемыми величинами в Балтийском море.

Что показал предварительный сравнительный анализ данных о содержании микропластика?

«Первым и очевидным отличием оказалась довольно предсказуемая картина распределения микропластика в донных осадках озера. Нам удалось продемонстрировать, что накопление пластиков связано с гидродинамическими условиями и параметрами донного осадка. Другим важным моментом было как минимум в 2 раза большее содержание частиц микропластика в отложениях Онежского озера по сравнению с Балтийским морем. Единообразные методики позволили нам впервые сравнить содержание микропластика в донных отложениях моря и пресноводного водоема. Мы предполагаем, что такое отличие связано со спецификой гидрохимического и седиментационного режима озера», – сообщил Михаил Зобков.

Влияние микропластика на видовое разнообразие и состояние экосистем до конца не изучено. Но природные объекты флоры и фауны уже подвергаются экологической опасности.

Почему у современного человека так сложно сформировать культуру обращения с пластиковыми отходами и осознание причиняемого вреда для природы/экологической угрозы? Экологическое образование/воспитание и государственная политика   решат эту проблему?

«Тут вопрос не в современном человеке. Удалось ведь сформировать такую культуру в Европе, где в настоящий момент более 70% мусора отправляется на переработку, тогда как в России – 4%. Разве в России люди менее «современные»?  Вопрос в том, сколько времени и усилий это заняло «там». Сколько информационных ресурсов посвящено «там» этой проблеме. Взять хотя бы ежегодный бюллетень Plastics Europe, где публикуется актуальная информация по производству и переработке пластиков. У нас не найти такой информации, потому что её просто нет. И не будет. Потому что гордиться нечем. Сколько заводов построено «там» и сколько «здесь»? Как можно говорить о раздельном сборе, если его нужно везти за 500+ км?

Многие люди готовы к раздельному сбору отходов, но нет инфраструктуры. Есть местные частные инициативы, но они не покрывают и 1% потребностей. Да что говорить об инфраструктуре раздельного сбора! Во многих районах просто невозможно даже вывезти мусор на полигон, даже заплатив за это! Вокруг полигона бытовых отходов города Петрозаводска также образуются стихийные свалки. Вероятнее всего от того, что на полигоне отказались их принять. После этого про раздельный сбор даже мыслей не возникает, – выразил мнение Михаил Зобков и высказал аргументированные предложения по решению этой проблемы, – По сути вопроса. Сперва необходимо сформировать цивилизованную инфраструктуру сбора отходов, пусть не раздельного, но обязательного. Это обязанность государства. Обязательного как для того, кто сдает, так и для того, кто забирает. Ответственность передается вместе с мусором и оплатой. Полигоны должны быть обязаны принимать мусор! Иначе полигоны у нас – это как черная дыра, никто не знает, что и сколько туда попадает и куда оно девается, и сколько это стоит. Необходимо экологическое образование, чтобы каждый индивидуум понимал, что мусор, который он произвел – его собственность и ответственность. Но при этом он также должен на 100% понимать, что, заплатив за вывоз/переработку своего мусора, этот мусор действительно будет вывезен и переработан, а не попадет в окружающую среду другими путями. То есть деньги пойдут на переработку отходов, а не в карман к недобросовестному оператору. Параллельно с развитием инфраструктуры информировать население, проводить воспитательную работу в детских садах, школах. Дети быстрее научат родителей соблюдать правила, чем государство и «палочная» система. В России и других развивающихся странах – эта проблема не только в головах, она системная».

Вероятно, что надежный способ идентификации микропластика и новые  программы мониторинга позволят предотвратить природную катастрофу в будущем, но это не умаляет негативного и  безответственного  отношения человека к окружающему миру, который нужно любить и беречь.

Поделиться: