CC BY
203
УДК 282.247.212
В.А. Румянцев, Ш.Р. Поздняков,
Институт озероведения РАН, [email protected]
К ВОПРОСУ О ПРОБЛЕМЕ МИКРОПЛАСТИКА В КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДОЕМАХ
Одной из реалий настоящего времени является образование шести гигантских пятен-островов пластика в Мировом океане. Хотя гибель обитателей океана была, возможно, вызвана мега- и макропластиком в прессе была развернута широкая компания против микропластика и в ряде стран были приняты законодательные акты по запрещению его производства и использования в гигиене. При этом, поведение пластика в пресноводных объектах практически не изучалось. Высказанные в статье соображения говорят о том, что в России для континентальных водоемов пластик может представлять экологическую угрозу прежде всего на уровне частиц наномасштаб-ного размера. Определение его предложено включить одной из составляющих разрабатываемой подсистемы мониторинга наночастиц в крупных водоемах.
Ключевые слова: вода; микропластик; нанопластик; мониторинг; водоснабжение; безопасность; технология.
Л.Н. Крюков
Введение
Настоящий век - это век широкого внедрения в жизнь искусственных и синтетических полимеров. Низкая стоимость, малый вес, износостойкость, прочность и безопасность стимулировали бурное развитие промышленного производства этих материалов, которые в большинстве случаев заменили металлы, дерево, стекло и другие природные полупродукты. Общемировой рынок полимеров, включая искусственные продукты переработки шелка, вискозы, каучука и т.п., а также синтетические, полученные химическим путем из мономеров - полиэтилен, нейлон, капрон, лавсан и др., превышает 300 млн. т в год. Крупнотоннажное производство полимеров на сегодняшний день практически полностью сосредоточено в сфере синтетических органических макромоле-кулярных веществ (табл. 1).
Одним из парадоксов развития нового уклада в мировой экономике стало образование гор мусора в пригородах мегаполисов, пустынях Африки, гигантских пятен - островов мусора в Мировом океане. Практически весь обнаруженный в океане мусор оказался полимерами или, как принято называть в науках об окружающей среде, пластиком. Он состоял главным образом из полиэтилена, полипропилена, нейлона. СМИ переполнены видеороликами и фотографиями гибели обитающих в океанах и морях животных, птиц и рыбы, проглотивших крупные куски изделий полимерной промышленности или запутавшихся в остатках брошенных рыболовецких снастей и веревок. По имеющимся на сегодняшний день оценкам,
площадь распространения островов мусора только в Тихом океане составляет около 1.6 млн. км2, а что касается оценок по массе мусора, то здесь данные весьма противоречивы: называются объемы от десятков тысяч до нескольких миллионов тонн.
Было также установлено, что обнаруженные в Тихом океане острова мусора в основном состоят из мелко раздробленных кусочков пластика, основным механизмом появления которых считается распад более крупных пластиковых изделий, попадающих в акваторию океана по гидрографической сети со всего водосборного бассейна, а также сбрасываемых с многочисленных средств водного транспорта. Измельчение крупных кусков происходит за счет работы микроорганизмов и бактерий, термоокисления, гидролиза, деформации и механического разрушения под воздействием солнечных лучей, ветра и волн во время их перемещения в существующих в океане водоворотах мусора (Козловский, Блиновская, 2015). Позже обратили внимание на то, что значительную долю в этой массе полимеров занимают пластиковые гранулы и крошечные «микро-шарики», широко используемые в средствах гигиены. Было также показано, что такие «микро-шарики» не улавливаются стандартными системами очистки хозяйственно-бытовых сточных вод и из канализационных сетей напрямую попадают в водные объекты, становясь для них определенной экологической угрозой. Отсюда вполне понятно, почему в последние годы пристальное внимание общественности было обращено в сторону так
60
российски журнал ИМ! ЮМ
Таблица 1. Наиболее производимые синтетические органические полимеры
Название Код Молекулярная формула
Полиэтилен PE (-Ш2-Ш2-)х
Полипропилен PP [-CH2-CH(CH3)-]X
Поливинилхлорид PVC [-CH2CH(C1)-]X
Полиуретан PUR [-NHC(O)O-]X
Полистирол PS [54
Тефлон PTFE- (-CF2CF2-)X
Лавсан (полиэтилентерефталат) PET -О \=У о-/
Капрон и нейлон Nylon -NH[C(O)(CH2)5NH]xC(O)(CH2)5NHC(O)--NH[C(O)(CH2)4C(O)NH(CH2)6NH]XC(O)-
Полилактид PLA [-C(CH3)C(O)O-]X
Полилактидгликолид PLGA [-C(CH3)C(O)O-]X - [-CH2C(O)O-]Y
называемой «невидимой проблемы микропластика». Под ее воздействием в США был принят специальный законодательный акт, запрещающий применение микропластика в средствах гигиены. Вслед за американцами подобные акты приняли в Нидерландах и Швеции, а в Канаде производить микропластик перестали в 2017 г., запретили продавать в 2018 г. и использовать с 2019 г.
В континентальных водных объектах мусор с крупными кусками пластика встречается обычно на пляжах в местах рекреации большого числа людей и вблизи стоянок крупных судов. Крупный пластик легче подлежит уборке, в сравнении с мелким пластиком, и большой опасности для животных, птиц и рыб в континентальных водоемах не представляет. Иногда на крупных кусках пластика образуется биопленка за счет прилипания к ним цианобактерий, провоцирующих образование в этих местах очагов синезеленого «цветения» воды с возможным продуцированием опасных токсинов, представляющих угрозу для купающихся здесь людей. В целом, крупный пластик оказывает лишь локальное воздействие на континентальные водные системы.
В печати существует изрядная доля путаницы в терминах, наименованиях и понимании сути вещей под словом «микропластик», которая не всегда позволяет правильно оценивать его роль как фактора угрозы континентальным водным экосистемам. Принято считать, что термин «микропластик» впервые предложил английский биолог
R.Thompson в 2004 г. Однако, еще в 1965 г. японские ученые A. Fukami и K.Adachi (1965) стали использовать понятие «микропластик» в электронике. В подавляющем же числе научных дисциплин по-прежнему употребляется название «полимер» или «пластмасса». Достаточно сказать, что среди 26 млн. публикаций, аккумулированных в отечественной научной библиотеке eLIBRARY.RU, до последнего времени всего лишь несколько сотен статей среди огромного количества работ по полимерам содержали аббревиатуру «микропластик», причем основная часть работ относилась к области электротехники.
В некоторых исследовательских работах, касающихся водных сред частицы пластика подразделяют по размерам на нанопластик (<1 мкм), малый микропластик (<1 мм), крупный микропластик (1-5 мм), микропластик (<5 мм), мезопла-стик (<25 мм), макропластик (>25 мм) и мегапла-стик (>1 м). Эта ситуация во многом напоминает дискуссию периода становления исследований в сфере наномира и нанотехнологий по поводу дилемы «наночастица-нанообъект». В этой связи представляется целесообразным в соответствии с изложенными далее сведениями о частицах пластика рассматривать трансформацию в водной среде только микропластика (<5 мм) и ультрами-кропластика (<1 мкм). В этом варианте ультрами-кропластик правомерно относить к коллоидным или наноразмерным частицам (<1 мкм или 1-1000 нм), включая наночастицы (1-100 нм), основные
свойства которых продолжают всесторонне исследоваться с помощью современных средств наблюдений (табл. 2).
Надо сказать, что проблема пластика в водной среде, широко обсуждаемая за рубежом, в нашей стране изучалась мало. Лишь в последние годы было выполнено несколько работ по определению пластика в водах России: в сточных водах Санкт-Петербурга (Панкова и др., 2015), на берегах Балтийского моря у Куршской косы (Есюкова и др., 2017) и в близи г. Владивостока в Амурском и Уссурийском заливах Японского моря (Якименко и др., 2015).
Как отмечалось, кроме мезо- и макропластика в виде предметов одноразового пользования: полиэтиленовых бутылок, памперсов, упаковочных пакетов и других т.п. вещей в континентальные водные объекты поступают содержащие микропластик отходы от кремов, гелей, лосьонов, скрабов, пилингов, солнцезащитных и моющих средств и т.д. Количество таких средств, привозимых из-за рубежа и производимых в России, поражает воображение, и их перечень продолжает неконтролируемо пополняться. Очевидно, что используемые в этих продуктах высокомолекулярные соединения проверялись много раз с точки зрения их безопасности для человека и окружающей среды и вне сомнений в потребительскую сферу были внедрены только прошедшие испытания безвредные для экологии и людей пластики. Но, будучи полимером и самим по себе экологически безопасным продуктом, микропластик обладает свойственными полимеру особенностями, отражающимися на его взаимодействиях с другими химическими соединениями. Большинство микропластиков содержат в своей молекулярной структуре гидрофобные радикалы и способны образовывать с находящимися в природных водах другими гидрофобными веществами, в частности
с такими как стойкие органические загрязнители, полихлорированные бифенилы, пиретроиды и т.п., так называемые ассоциаты - продукты неопределенной структуры. При этом реакция сорбции-десорбции обратима и зависит от термических условий и особенностей структуры самих взаимодействующих веществ. Остальные микропластики типа полиактиломидов, полимеров молочной и гликолевой кислот и т.д. в своей молекулярной структуре кроме гидрофобных радикалов содержат и гидрофильные группы. Эти микропластики могут вступать в реакции не только с различными СОЗ, но и с тяжелыми металлами. В результате прямого и полного присоединения молекул в этом случае образуются аддукты - устойчивые продукты также неопределенной структуры. Как показали некоторые исследования, благодаря этим свойствам концентрация собранных на микропластике стойких органических соединений в морской воде может оказаться на несколько порядков выше, чем их естественный фон. При этом может создаться впечатление, что микропластик играет даже некую положительную роль в очистке морской воды. Надо, однако, помнить, что одновременно с этим представители морской фауны вместе с микропластиком могут получать летальные дозы СОЗ и гибнуть. Серьезные последствия могут ожидать и людей, пользующихся в пищевых целях рыбой, морскими животными и водоплавающей дичью.
В последние годы в зарубежных странах с развитой фармацевтической промышленностью в водных объектах неоднократно обнаруживались в достаточно высоких концентрациях лекарственные препараты, что породило широкие дискуссии о последствиях их влияния на водные экосистемы. В водные объекты они поступают из канализационных сетей, куда их либо выбрасывают как неиспользованные препараты с просро-
Состояние вещества Раздробленность вещества Размер, нм Средства наблюдения
Макроскопическое Грубодисперсная 105-107 Визуально
Микроскопическое Тонкодисперсная 103-105 Оптические микроскопы
Коллоидное Ультрадисперсная 1-103 Просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие зондовые микроскопы
Молекулярное, атомное, ионное Молекулярная, атомная, ионная 10-1-1 Микроскопы высокого разрешения (<0.1 нм), спектрофотометры и хрома-то-масс-спектрометры
Таблица 2. Состояние вещества по степени его дисперсности и используемые средства наблюдений
62
российский журннл приклндной экологии
Таблица 3. Лекарственные вещества на основе молочной PLA и сополимеров молочной и гликолевой
кислот PLGA
Применение Активное вещество Полимер - основа Торговая марка
Рак простаты Лейпрорелин PLA или PLGA Lupron® Trenantone®
Трипторелин PLA или PLGA Trelstar® Decapeptyl® SR
Болезнь Паркинсона Бромокриптин PLA - глюкоза Parlodel® LAR
Алкоголизм Налтрексон PLGA Vivitrol®
Шизофрения Рисперидон PLGA Risperidal® Consta®
Акромегалия Октреотид PLGA - глюкоза Sandostatin® LAR
Дефекты развития Соматропин PLGA Nutropin®
Эндометриозы Бусериин PLGA Suprecur®
Акромегалия Ланреотид PLGA Somatuline® LA
Периодонтиты Миноциклин PLGA Arestin®
ченным сроком действия, либо они оказываются частицами ультрадисперсного размера, выведенными из организма больного человека путем почечного клиренса. При этом лекарственные вещества практически не разлагаются активным илом очистных сооружений и попадают в природные водные объекты в достаточно дееспособном состоянии. В этом плане особую опасность для водной биоты и людей представляют остатки антибиотиков, антидепрессантов и противоопухолевых наномедикаментов. При их регулярных поступлениях в водные объекты со сточными водами с большой долей вероятности возможен новый виток в развитии резистентности патогенных микроорганизмов и повышения множественной лекарственной устойчивости раковых клеток. По этой причине работы по выявлению наноформ лекарственных веществ в окружающей среде и выработке высокочувствительных аналитических методик и определения их наноформ ведутся возрастающими темпами с конца 90-х годов в США, Канаде, Израиле и странах ЕС. В РФ подобные исследования начаты недавно и носят эпизодический характер (Румянцев и др., 2014, 2016; Супот-ницкий, 2014).
Здесь надо отметить, что проблема наличия лекарственных препаратов в водной среде напрямую связана с рассматриваемым нами вопросом микропластика. Дело в том, что несущей основой при получении современных наносомальных лекарственных препаратов направленного и проло-гнированного (длительного) действия в терапии онкологических и других заболеваний человека широко используются синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот,
чаще всего молочной (PLA, полилактоза), глико-лиевой (PDA, полигликолид) и сополимеров молочной и гликолиевой кислот PLGA (табл. 3).
Достоинство используемых в медицине современных таргетных (target - мишень, цель) полимеров заключается в том, что они, во-первых, обеспечивают адресную доставку лекарственного вещества в охваченное болезнью место в организме, и, во-вторых, являются биодеградируе-мыми материалами, самопроизвольно разлагающимися в результате естественных химических и микробиологических процессов. Последние могут осуществляться с помощью как аэробных, так и анаэробных бактерий, хотя во втором случае скорость разложения биодеградируемого несущего полимера происходит медленнее. На скорость разложения влияет также температура-распад полимера тем больше, чем температура выше. Находясь в воде биодеградируемые полимеры подвергаются процессу гидролиза, при котором гидролитическая деструкция происходит тем сильнее, чем меньше молекулярная масса полимера и степень его кристалличности. В последнем случае вода быстрее проникает в полимер.
Отмечая позитивные свойства используемых в клинической практике биоразлагаемых полимеров, надо все же иметь в виду, что сам процесс деградации материала до полного его распада в природных водных объектах может занимать достаточно длительное время, исчисляющееся, возможно, годами. За это время они в соответствии с присущими им гидрофобными и гидрофильными свойствами способны накапливать стойкие органические загрязнители, тяжелые металлы и другие опасные химические соединения.
Заключение
Выше было отмечено, что используемый в разных видах хозяйственной деятельности микропластик сам в большинстве случаев по себе является экологически нейтральным. Попадая в континентальные пресноводные водоемы, микропластик начинает представлять угрозу для экосистемы из-за наличия у него гидрофобных и гидрофильных свойств, способствующих накапливанию на нем различных загрязняющих веществ. В этом плане наибольшую опасность представляет микропластик наноразмерного диапазона в силу наличия у него большой удельной поверхности с возможностью образования связей с многочисленными химическими соединениями.
Проблема микропластика в континентальных водоемах, включая его возможные концентрации, взаимодействие с опасными химическими соединениями и воздействия на биоту, в РФ, можно сказать, только начинает исследоваться. В этой связи правомерно предложить включить микропластик одной из составляющих в разрабатываемую сегодня для крупных водоемов России систему мониторинга частиц микронных и субмикронных размеров независимо от их происхождения.
Список литературы
1. Есюкова Е.Е., Багаев А.В., Мизюк А.И., Чубаренко И.П. Плавучий мусор на пляжах юго-восточной Балтики: наблюдения и численное моделирование // Региональная экология. 2017. №1. С. 47-57.
2. Козловский Н.В., Блиновская Я.Ю. Микропластик -макропроблема мирового океана // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. №101. С. 159-162.
3. Панкова Г.А., Рублевская О.Н., Леонов Л.В. Оценка качественного состава хозяйственно-бытового стока на примере Санкт-Петербурга // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2015. №12. С. 46-53.
4. Румянцев В.А., Поздняков Ш.Р., Крюков Л.Н. Трансформация наноразмерных частиц и проблема их удаления при водоподготовке // Доклады Академии наук. 2014. Т. 458, №3. С. 349-353.
5. Румянцев В.А., Поздняков Ш.Р., Крюков Л.Н. Влияние золь-гель процессов в бассейне Ладоги на медико-экологическую обстановку на территориях водосбора озера // Вестник Российской Академии наук. 2016. Т. 86, №1. С. 43-47.
6. Супотницкий М.В. Нанообъекты как новая биологическая угроза // Новости медицины и фармации. 2014. №6. С. 20-25.
7. Якименко А.Л., Иванова В.А., Сергеева В.С., Блиновская Я.Ю. Некоторые методы изучения микропластика в прибрежно-морской среде // Современные тенденции развития науки и технологий. 2015. №8-1. С. 91-94.
8. Fukami A., Adachi K. A new method of preparation of a self-perforated microplastic grid and its application // Journal of Electron Microscopy. 1965. V. 14, №2. P. 112.
V.A. Rumjantsev, Sh.R. Pozdnyakov, L.N. Kryu-kov. To the issue based on the problem of micro-plastic in inland waters.
One of the realities of the present time is the formation of six giant plastic spots-islands in the World Ocean. Although the death of ocean dwellers was probably caused by mega- and macroplastic, the press has launched a broad campaign against microplastic and in a number of countries legislation was enacted to ban its production and use in hygiene. At the same time, the behavior of plastic in freshwater objects has practically not been studied. The considerations expressed in the article suggest that in Russia, for continental water bodies, plastic may pose an environmental threat primarily at the level of particles of nanoscale size. Its definition is proposed to include as one of the components of the developed subsystem of monitoring nanoparticles in large reservoirs.
Keywords: water; microplastic; nanoplastic; monitoring; water supply; safety, technology.
Информация об авторах
Румянцев Владислав Александрович, доктор географических наук, профессор, академик РАН, научный руководитель, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9, E-mail: [email protected].
Поздняков Шамиль Рауфович, доктор географических наук, директор, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9, E-mail: [email protected]
Крюков Леонид Николаевич, доктор химических наук главный научный сотрудник, Институт озероведения РАН, 196105, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9.
Information about the authors
Vladislav A. Rumyantsev, D.Sci. in Geography, Professor, academician of RAS, Scientific Director, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanova st., St. Petersburg, Russia, 196105, E-mail: [email protected].
Shamil R. Pozdnyakov, D.Sci. in Geography, Director, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanova st., St. Petersburg, Russia, 196105, E-mail: [email protected].
Leonid N. Kryukov, D.Sci. in Geography, Chief Researcher, Institute of Limnology, Russian Academy of Sciences, 9, Sevast'yanova st., St. Petersburg, Russia, 196105.
РОССИЙСКИЙ журннл им! экологии
