МИКРОПЛАСТИК – ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА НОВОГО ФОРМАТА

MICROPLASTIC – A GLOBAL ENVIRONMENTAL PROBLEM OF A NEW FORMAT

Daniil Shoshin

student, Department of Biology and Soil Science, Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Elena Sizova

scientific adviser, Dr. Biol. Sciences, Assoc., Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В статье приводится обзор последствий, касающихся загрязнения мирового пространства синтетическими полимерами, их поведение в морской среде, описывается динамика контаминационного процесса, приводится перечень исследований, касающихся выявления микропластика в живых организмах и продуктах питания человека, факторы воздействия макро- и микропластмасс на биотические сообщества, включая механические (запутывание, заглатывание, порезы, приводящие к гибели), физиологические (закупорка сосудов, оседание микрочастиц в легких) и биохимические (последствия деградации пластмасс с выделением различного рода химических соединений, таких как бутадиен и бисфенол-A). Приводится вектор воздействия на экономику, полагающий замену синтетических полимеров иными, более безопасными материалами.

ABSTRACT

The article provides an overview of the consequences related to the pollution of the world space with synthetic polymers, their behavior in the marine environment, describes the dynamics of the contamination process, provides a list of studies related to the detection of microplastics in living organisms and human food products, factors of influence of macro- and microplastics on biotic communities, including mechanical (entanglement, swallowing, cuts leading to death), physiological (blockage of blood vessels, sedimentation of microparticles in the lungs) and biochemical (consequences of plastic degradation with the release of various kinds of chemical compounds, such as butadiene and bisphenol-A). The vector of impact on the economy is given, which suggests the replacement of synthetic polymers with other, safer materials.

Ключевые слова: макропластик, микропластик, полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, мусорный остров, бутадиен А, бифенилы.

Key words: macroplastic, microplastic, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, garbage island, butadiene A, biphenyls.

Экономика и экология, казалось бы, два термина близкой этимологии, на протяжении всей истории человечества, чаще всего оказывались по разные стороны баррикад, поскольку очередной промышленный прорыв в отсутствии учета долговременных перспектив, как правило оборачивался в новую угрозу для окружающей среды. Не стало исключением и последнее столетие, империя нефти и газа, заложенная в основу производства второй половины XX – начала XXI века, посулила новому поколению не только энергетический кризис, но и еще одну немаловажную угрозу нового формата.

Начиная с 1907 года, когда Лео Хендрик Бакеланд, усовершенствовав методы проведения реакции поликонденсации фенола с формальдегидом, изобрел бакелит – первый пластик, не содержащий молекул, встречающихся в природе [34], производство синтетических полимеров (Рисунок 1) из отходов нефтехимии к 2015 году достигло отметки в 300 млн тонн [27], из которых после истечения эксплуатационного срока, на переработку уходит лишь 9%, сжигается с целью извлечения энергии – 12%, складируется на свалках – 8%, все остальное – «просто выбрасывается» [26].

Рисунок 1. Объемы производства синтетических полимеров

Как итог, пластмассы различного происхождения, а чаще всего это полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат и поливинилхлорид, на долю которых приходится до 80% всего объема синтезируемых полимеров [16] – в виде различных изделий (упаковочных материалов, синтетических тканей, деталей оборудования, рыболовных сетей) оказываются либо в почве, либо в пресных водоемах, морях и океанах. Здесь, под действием микроорганизмов, ультрафиолетового спектра солнечных лучей, в процессе гидролиза и механической деструкции [29] они постепенно измельчаются, достигая размера в 5 мм и менее, формируя частицы, именуемые сегодня микропластиком. Этот термин впервые был предложен морским биологом, профессором университета города Плимут – Томпсоном [20].

Однако, иногда, микропластик попадает в биотоп уже в готовом «измельченном» виде, такую его разновидность называют первичным, поскольку он производится непосредственно в виде микрогранул, применяемых далее для литья, экструзии и выдувного формования, в качестве абразивов, а также в фармацевтических и косметологических целях как вектор для адресной доставки лекарств и «скрабирующее» средство [11]. Соответственно, в отличие от вторичного микропластика, путь образования которого описан выше, для него не требуется воздействие фактора времени, чтобы достичь соответствующих размеров.

Под действием ветров, морских течений, выталкивающей силы воды и гравитации микропластик быстро распространяется по всей толще Мирового океана, 88% поверхности которого уже загрязнено [14], однако наиболее контаминированными являются области рекреации в районе Бенгальского залива, Средиземного моря и Тихоокеанских пляжей [28]. При этом количество микропластика в поверхностных слоях воды превышает количество планктона в шесть раз. Следует также отметить, что содержание микропластика в почве в 4-23 раза выше, чем в море (Рисунок 2).

И если ранее, накопление синтетических полимеров в окружающей среде считалось проблемой исключительно эстетического характера, то сегодня множество исследований свидетельствует о целом спектре негативных последствий данного «происшествия».

Мусорные острова, сформированные большей частью из бутылок, пакетов, рыболовных сетей, встречаются сегодня в океанах все чаще. Самый большой из них уже достиг размеров Франции (1,5 млн. км2) и продолжает свой дрейф по тихоокеанским просторам [21], являясь причиной гибели сотен дельфинов и морских черепах, которые, попадая в пластиковую паутину, уже не могут ее покинуть и задыхаются. Всего в океанах насчитывается более 250 000 тонн пластика [16] (Рисунок 3).

Рисунок 2. Контаминация почвы микропластиком на примере сельскохозяйственных полей в Баварии, Германия

Рисунок 3. Пластиковые отходы в Мировом океане

Однако, подобное, чисто механическое воздействие, – это лишь один из рычагов, оказывающих давление на гидробионтов. На самом деле, все гораздо хуже, в результате многочисленных исследований, проведенных в акватории Черного, Азовского и Балтийского морей, в Арктике и в заливе Петра Великого, а также на Ладожском озере и в бассейне реки Обь, было обнаружено, что на всей территории, как в толще воды, так и в донных отложениях имеет место присутствие микропластиковых объектов (Рисунок 4). А это, уже совсем иной уровень, ведь подобные частицы воспринимаются большинством животных как часть планктона и бентоса, и, как следствие, употребляются в качестве пищи. Однако не имея энергетической ценности, они вызывают у организмов стресс, связанный с расходом дополнительной энергии на экскрецию, закупоривают пищеварительную систему и создают ощущение, так называемой «ложной сытости», в результате животное умирает от голода [25]. Например, тихоокеанский криль вместе с кормовыми водорослями поглощает и гранулы полиэтилена, причем явное предпочтение в выборе пищи отсутствует [24].

Рисунок 4. Содержание пластикового мусора в акватории Северного, Средиземного, Балтийского и Черного морей.

В ходе исследований содержимого желудков морских птиц, найденных мертвыми на восточном побережье Северной Америки, наличие микропластика констатировалось в 90% случаев [18]. В декабре 2018 года ученые из Морской лаборатории Плимута сообщили аналогичную информацию касательно содержимого пищеварительного тракта черепах и морских млекопитающих (дельфинов, тюленей, китов) [16]. В кишечнике балтийской песчанки и трехиглой колюшки также обнаружены полипропиленовые пленки и волокна [22, 5].

Национальный центр экологического анализа и синтеза Калифорнийского университета NCEAS сообщает, что крошечные частицы пластика серьезно ухудшают состояние здоровья и даже могут вызвать массовую гибель морских червей-пескожилов, пропускающих через свой кишечник до 16 тонн грунта в сутки, и являющихся частой добычей многих ракообразных и рыб [23]. Всего известно свыше 220 гидробионтов, в организме которых был обнаружен микропластик, причем, в большинстве своем, это промысловые рыбы [31].

В итоге, следуя по трофическим цепям, частицы микропластика рано или поздно оказываются на столе у человека, и это, не говоря уже о том, что в ходе ряда экспериментов было установлено, что они присутствуют в поваренной соли [30], растительном масле, [7] бутилированной воде [34] (Рисунок 5), и выделяются при заваривании чая, фасованного в пакетики из термопластика [6]. Попадая в организм, микропластик также воздействует на иммунную систему, повышая риск поражения токсинами и бактериями. Он накапливается в организме, оседает в легких (характерно, например, для полиэстера, активно используемого в текстильной промышленности [10]), закупоривает сосуды, и как следствие вызывает тромбозы, инфаркты и инсульты, что подтверждают опыты Марка Брауна из университета Нового Южного Уэльса [3, 19]. В результате трения и ударов частиц микропластика о стенки внутренних органов возникают серьезные физические повреждения и воспаления [12]. Доктор Герберт Тильг, президент Австрийского общества гастроэнтерологии, также считает, что микропластик может быть одним из факторов, способствующих воспалению кишечника и даже раку толстой кишки [4].

Рисунок 5. Число микропластиковых частиц на 1 л бутилированной воды различных брендов

Так же, следует помнить, что в результате фотолиза, некоторые пластмассы выделяют крайне опасные компоненты, например, полистирол расщепляется на собственно стирол и бутадиен, обладающий сильным канцерогенным и мутагенным эффектом [13, 36]. При деградации поликарбонатов и эпоксидной смолы образуется Бисфенол-A – синтетический аналог женского эстрогена, употребление которого ведет к нарушению гормонального фона, репродуктивной функции и работы мозга, особенно у мужчин [19а], как следствие возникают рак простаты, яичек и молочных желез, деформация ДНК в сперматозоидах, сахарный диабет, ожирение и сердечно-сосудистые заболевания (Рисунок 6) [39]. Более того, возникающие таким путем патологии могут передаваться по наследству. Особенно токсичны стабилизаторы, красители, биоциды, добавляемые в пластик для придания ему потребительских свойств [1].

Рисунок 6. Воздействие микропластика на организм человека

Четвертый механизм воздействия микрогранул пластика на живые организмы обусловлен высокой площадью активной поверхности таких частиц и их гидрофобностью, в результате чего они могут адсорбировать и переносить загрязнители самой разной структуры, например, полициклические ароматические углеводороды, хлорорганические пестициды [15], полихлорированные бифенилы [33] и тяжелые металлы [32]. Однако сорбирующие свойства полимеров прямо зависят от их структуры, так полиэтилен и полистирол способны концентрировать значительно больше поллютантов, чем полиэтилентерефталат и поливинилхлорид [35], но последние сами по себе уже содержат опасные мономеры – винилхлорид и стирол.

В ходе исследований в акватории Самбийского полуострова Балтийского моря, было выявлено, что микропластик наиболее активно накапливается в сообществах макроводорослей [8], постепенно угнетая их фотосинтетическую активность [37].

Таким образом, полимерный бум – это ни что иное как бомба замедленного действия, избежать взрыва которой можно лишь посредством разработки методов изъятия микропластика из среды, методов ускорения его деструкции и путем создания биоразлагаемых пластмасс.

Однако полностью изъять из почвы и океанов накопившийся там микроплатик невозможно, и последствия нерационального использования пластмасс будут еще десятки лет воздействовать на различные компоненты биоценозов. Неудивительно, что многие страны вводят запрет на производство пластмассовых упаковочных материалов, так в Кении за продажу и использование полиэтиленовых пакетов предусмотрен штраф в размере до 40 тысяч долларов и даже лишение свободы [2].

Главный вопрос, поставленный сегодня перед научным сообществом– чем заменить эти прекрасные материалы? Ряд экспериментов по получению синтетических биоразлагаемых пластмасс показал, что они таковы лишь до определенных размерностей и достигнув параметра «микро» начинают расщепляться как все обычные пластмассы [9]. Пожалуй, единственный выход из этого проклятого круга – создание веществ со сходными свойствами из природного сырья, как это сделала британская студентка Люси Хьюз, изготовив из рыбьей чешуи и красных водорослей материал намного прочнее обычного целофана, который не требует какой-либо специальной утилизации. Иными словами, мы должны прийти к замкнутому циклу, когда, поставляемые средой компоненты производства, будут в кратчайшие сроки возвращены в нее в виде структурных «чистых» элементов, то есть наша задача включиться в естественный биологический круговорот веществ в природе.

Список литературы:

1. Агабеков, А. Пластиковая экспансия / А. Агабеков, В. Тарасевич // Наука и инновации, 2019. №11(201). С. 17-22. ISSN: 1818-9857eISSN: 2412-9372.
2. Артемьев, А.С. Природа и человек: грани взаимодействия // А.С. Артемьев, Н.И. Павлова // Мир глазами молодых. Студенческие чтения: Сборник материалов II Международной студенческой научно-практической онлайн-конференции., 2019. С. 58-61.
3. Волобуев, В.С. Исследование качества воды из системы водоснабжения на основе полипропиленовых труб / В.С. Волобуев, В.В. Горжанов //Метрологическое обеспечение инновационных технологий: тезисы к международному форуму, 2019. С. 29-31.
4. Воронова, Е.Р. Современная гигиеническая диагностика загрязнения воды и организма человека микропластиком / Е.Р. Воронова // Известия Российской Военно-медицинской академии, 2019. Т. 1. №S1. С. 81-87.
5. Квитовская, В.А. Определение микропластика в трехиглой колюшке Gasterosteus aculeatus: разработка методики анализа тканей, фиксированных в формалине / В.А. Квитовская, М.В. Иванов, Д.Л. Лайус // К вопросу об изучении микропластика в морской среде: труды VIII Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2019)» –Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2020. Том II (III). 518 с.: ISBN 978-5-6042986-0-2.
6. Корнилов, К.Н. Определение выделения частиц микропластика чайными пакетиками при заваривании / К.Н. Корнилов, Е.А. Шишонкова, А.И. Кошелева // Конкурс лучших студенческих работ: сборник статей Всероссийского научно-исследовательского конкурса, 2020. С. 18-23.
7. Корнилов, К.Н. Обнаружение частиц микропластика в растительных маслах / К.Н. Корнилов, Ю.В. Викторова, Е.С. Зайкина // Научные достижения студентов и учащихся: сборник статей Всероссийского научно-исследовательского конкурса, 2020. С. 18-23.
8. Куприянова, А.Е. Методы и результаты анализа содержания микропластика в сообществах макроводорослей на подводном склоне Самбийского полуострова / А.Е. Куприянова, О.И. Лобчук, И.П. Чубаренко // Комплексные исследования мирового океана: материалы V Всероссийской научной конференции молодых ученых, 2020. С. 423-424.
9. Мальцева, О.Н. Пластмасса как беда / О.Н. Мальцева // Твердые бытовые отходы, 2016. №7(121). С. 55-56. ISSN: 2078-1040.
10. 5. Назарова, С.И. Быстрая мода и ее влияние на экологию / С.И. Назарова, И.В. Фомичева // Вести научных достижений. Экономика и право, 2020. №5. С. 215-218. eISSN: 2686-9837.
11. Никитин О.В. Загрязнение пресных вод микропластиком: необходимость мониторинга и контроля / О.В. Никитин, В.З. Латыпова, Л.М. Миннегулова // Химия и инженерная экология –XIX: сборник трудов международной научной конференции, посвященной 150-летию периодической таблицы химических элементов, 2019. С. 154-160.
12. Омельченко, Е.В. Микропластик в нашей жизни / Е.В. Омельченко, А.П. Киселева // Научные основы создания и реализации современных технологий здоровьесбережения: материалы VI межрегиональной научно-практической конференции, 2019. С. 317-321.
13. Пластиковый мусор разлагается в океане до ядовитых соединений: [Электронный ресурс] // Информационное агентство «ХимОнлайн». – 2010. Режим доступа: http://www.himonline.ru/news/?cat_id=1&id=171273 (дата обращения: 22.11.2017).
14. Потапова, Е.В. Проблема утилизации пластиковых отходов / Е.В. Потапова // Известия Байкальского Государственного университета, 2018. Т.28. №4. С. 535-544. ISSN: 2500-2759.
15. Саванина, Я.В.  Загрязнение водной среды микропластиком: воздействие на биологические объекты, очистка / Я.В. Саванина, Е.Л. Барский, И.А. Фомина // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении, 2019. №2(12). С. 54-58. ISSN: 2587-6309.
16. Садыкова, М.Э. Связь типа питания рыб с количественным содержанием микропластика в кишечнике / М.Э. Садыкова, А.И. Уколов // Образование, наука и молодежь – 2020: сборник трудов по материалам II научно-практической конференции студентов и курсантов, 2020. С. 481-484.
17. Соколова, Е.А. Загрязнение океанов пластиком как глобальная экологическая проблема / Е.А. Соколова // Наука через призму времени. №9(30). С. 6-7. ISSN: 2541-9250.
18. Сысова, А.В. Анализ направлений утилизации пластиковых отходов / А.В. Сысова, А.А. Черенцова // Современные технологии воспроизводства экологической среды на урбанизированных территориях: сборник докладов V международной научно-практической студенческой конференции, 2020. С. 29-33.
19. Тихий убийца: как микропластик вызывает болезни и останавливает репродукцию живых организмов. Дарья Гернер: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://hightech.fm/2018/09/24/microplastic (дата обращения: 11.04.2020).
20. Толкач, Г.В. Изучение и визуализация содержания частиц микропластика в водоемах города Бреста с использованием ГИС-технологий / Г.В. Толкач, А.Л. Жук, С.М. Токарчук // Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 2019. №3. С. 32-40. ISSN: 2521-683X.
21. Шеванов, Е.И. Пластик и его влияние на планету / Е.И. Шеванов, И.Е. Пономарев, Т.И. Тихомирова // Безопасность, защита и охрана окружающей природной среды: фундаментальные и прикладные исследования: Сборник докладов Всероссийской научной конференции, 2019. С. 110-113
22. Якименко, А.Л. Некоторые методы изучения микропластика в прибрежно-морской среде / А.Л. Якименко, В.А. Иванова, Я.Ю. Блиновская // Современные тенденции развития науки и технологий, 2015. №8. С. 91-94. ISSN: 2413-0869.
23. Якименко, А.Л. К вопросу об изучении микропластика в морской среде / А.Л. Якименко, Я.Ю. Блиновская // Теоретические и прикладные аспекты современной науки, 2015. № 7(2). С. 139-141.
24. Andrady A.L., 1994. Assessment of environmental biodegradation of synthetic polymers: a review. J. Macromol. Sci. R. M. C 34 (1), 25-75.
25. Costa J.P., Duarte A.C., Rocha-Santos T.A.P. Microplastics – occurrence, fate and behaviour in the environment // Characterization and Analysis of Microplastics. - Amsterdam: Elsevier, 2017. - P. 1-24.
26. Enfrin M., Dumée L.F. and Lee J. Nano/microplastics in water and wastewater treatment processes – Origin, impact and potential solutions // Water Research. 2019. Vol. 161. P. 621-638.
27. 13. Foerster K.H. Plastics – the Facts 2017, Association of Plastic Manufacturers, Brussels, 2018.
28. GESAMP. 2016. Sources, fate and effects of microplastics in the marine environment: part 2 of a global assessment // Rept. Stud. GESAMP № 93 / Eds. Kershaw P.J., Rochman C.M. IMO/FAO/UNESCO-IOC/UNIDO/WMO/ IAEA/UN/UNEP/UNDP Joint GESAMP. 220 p.
29. Gewert B., Plassmann M.M. and Macleod M. Pathways for degradation of plastic polymers floating in the marine environment // Environmental Science: Processes & Impacts. 2015. Vol. 17. P. 1513-1521.
30. Hongwei Luo, Yaoyao Zhao, Yu Li, Yahui Xiang, Dongqin He, Xiangliang Pan. Aging of microplastics affects their surface properties, thermal decomposition, additives leaching and interactions in simulated fluids. Science of The Total Environment 2020, 714, 136862. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.136862.
31. Lusher A.L., Welden N.A., Sobral P., Cole M. 2017. Sampling, isolating and identifying microplastics ingested by fish and invertebrates // Analyt. Methods. V. 9. P. 1346-1360.
32. Massos A. and Turner A. Cadmium, lead and bromine in beached microplastics // Environmental Pollution. 2017. Vol. 227. P. 139-145.
33. Ogata Y., Takada H., and Thompson R.C. International Pellet Watch: Global monitoring of persistent organic pollutants (POPs) in coastal waters. 1. Initial phase data on PCBs, DDTs, and HCHs // Marine Pollution Bulletin. 2009. Vol. 58. P. 1437-1446.
34. Clar A. Plastic Atlass Second edition, 2019. P. 52. ISBN 978-3-86928-211-4
35. Rochman C.M., Parnis J.M., Browne M.A., Serrato S., Reiner E.J., Robson M., Young T., Diamond M.L. and Teh S.J. Direct and indirect effects of different types of microplastics on freshwater prey (Corbicula fluminea) and their predator (Acipenser transmontanus) // PLOS ONE. 2017. Vol. 12. P. e0187664.
36. Shah A.A., Hasan F., Hameed A., Ahmed S. Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol. Adv. 2008. № 26 (3). – Р. 246-265.
37. Yu J., Wang P., Ni F., Cizdziel J., Wu D., Zhao Q. and Zhou Y. Characterization of microplastics in environment by thermal gravimetric analysis coupled with Fourier transform infrared spectroscopy // Marine Pollution Bulletin. 2019. Vol. 145. P. 153-160.