Загрязнение водной среды микропластиком: воздействие на биологические объекты, очистка Текст научной статьи по специальности «Математика»

Сведения об авторах

Виктория Степановна Микшина

канд. техн. наук

зав. каф. Информатики и Вычислительной техники Сургутский государственный университет Россия, Тюменская обл, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут Эл. почта: mikshinavs@gmail.com Сергей Игоревич Павлов

преп. каф. Информатики и Вычислительной техники Сургутский государственный университет Россия, Тюменская обл, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут Эл. почта: sergey8991@mail.ru

Information about authors

Viktoria Stepanovna Mikshina

Candidate of Technical Sciences

Head of the Department of Informatics and Computer

Engineering of the Surgut State University

Russia, Tyumen region, Khanty-Mansi Autonomous

Area, Surgut

E-mail mikshinavs@gmail.com Sergey Igorevich Pavlov

Lec. at the Dep. of Informatics and Computer Engineering Surgut State University

Russia, Tyumen region, Khanty-Mansi Autonomous Area. Surgut

E-mail sergey8991@mail.ru

УДК 574.64-0.36 + 628.355 Я.В. Саванина1, Е.Л. Барский1, И.А. Фомина2, Е.С. Лобакова1

ГРНТИ 34.27.49 1МГУ имени М.В.Ломоносова

2РОСПРИРОДНАДЗОР по ЦФО

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНОЙ СРЕДЫ МИКРОПЛАСТИКОМ: ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ, ОЧИСТКА.

Рассмотрены аспекты загрязнения водной среды микропластиком: характеристики загрязнителей, влияние на живые организмы, возможность удаления из водной среды с использованием методов биологической очистки.

Ключевые слова: микропластик, пластиковое загрязнение, водная токсикология, биологическая очистка, полисахариды, биофлокулянт, активный ил.

Ya.V. Savanina1, E.L. Barsky1, I.A. Fomina2, E.S. Lobakova1

1M.V.Lomonosov Moscow State University 2ROSPRIRODNADZOR in the Central Federal district

POLLUTION OF AQUATIC MEDIUM BY MICROPARTICLE OF POLYMERS

Aspects of the water environment pollution are considered by microplastic: characteristics ofpollutants, influence on live organisms, a possibility of removal from the water environment with use of biological cleaning methods.

Keywords: microplastic, plastic pollution, water toxicology, biological cleaning, polysaccharides, bio-flocculant, activated sludge, immobilized cultures.

Введение. Материалы, содержащие полимеры природного происхождения: дерево, растительные волокна (хлопок, лен), а также крахмал, полимерные смолы на основе изопрена (каучук), полиамиды (шелк), - использовали на протяжении длительного времени. Развитие химии органического синтеза в ХХ в. привело к появлению синтетических полимеров - пластмасс, волокон. Помимо их несомненных полезных свойств, облегчающих жизнь, возникли и проблемы, связанные с охраной здоровья человека и защитой окружающей среды. Пластиковое загрязнение — процесс накопления продуктов из пластмасс в окружающей среде, его распространение коррелирует с невысокой ценой и долговечностью пластмасс, что определяет высокий уровень их использования человеком [1.2].

В 1960-х гг. пластмассы составляли менее 1 %, в 2011 г. - более 12 % твёрдых бытовых отходов. В период с 1950-2018 гг. во всем мире произведено до 6.3 млрд. т. различных пластмасс, из них было переработано около 9%, сожжено - до 12 % [3].

Цель работы. Проанализировать различные аспекты одного из видов загрязнения водной среды синтетическими полимерами: характеристики загрязнителей, влияние на живые организмы, а также возможность их удаления из водной среды.

Пластиковое загрязнение представлено множеством форм, одной из которых является «микропластик». В настоящее время этот термин означает частицы синтетических полимеров

или сополимеров (пластика), размером от нм до 5 мм. Эти частицы состоят из твердых материалов, нерастворимы в воде и неразлагаемы [4].' «Неразлагаемость» означает неспособность материалов минерализовываться или распадаться на составные химические элементы в течение достаточно долгого времени (вечно существующих материалов не бывает, те же частицы пластика разрушаются путем фотодеструкции). Последствия заключаются в том, что эти материалы являются стойкими загрязнителями синтетического происхождения [2].

Микропластик, загрязняющий природные воды, можно разделить на две подгруппы. К первой подгруппе относятся микроскопические частички промышленного производства - от гранул, предназначенных для производства пластмасс до сферических или аморфных частиц синтетических полимеров, которые используются при производстве лечебных, гигиенических и косметических средств (загустители, регуляторы вязкости, пленкообразователи, скрабы, матрицы для доставки активных ингредиентов и т.п.). (таблица). Ко второй группе - текстильные микроволокна, абразивные материалы лакокрасочной промышленности и фрагменты более крупных пластиковых предметов. Значительную часть их составляют упаковка и одноразовые изделия (все, что будет использовано и выброшено в течение одного года - пластиковая посуда, бутылки, контейнеры для еды), включая «биоразлагаемые» полимеры. Считается, что такие полимеры разлагаются на территории свалок или в океанской воде в течение 1-2 года. Фактически же они распадаются на мелкодисперсные частицы, обладающие повышенной миграционной способностью в природной среде. Наиболее распространенными загрязнителями этого типа являются частицы бисфенола А и полистирола [2, 4].

Ежегодное поступление микропластика в Балтийское море оценивается в 130 т., установки по очищению сточных вод проходят до 10-30% частиц, которые при этом смешиваются с различными химическими загрязнителями и микробами. Частицы неразлагаемых полимеров попадают в неочищенные сточные воды или в осадок сточных вод, используемый в качестве удобрения в сельском хозяйстве, превращаются в захороненные твердые отходы или попадают в воды Мирового океана [5].

Меры борьбы с пластиковым загрязнением, известные на настоящий момент - ограничение производства одноразовых пластиковых предметов, максимальная замена их биодеградиру-емыми полимерами, получаемыми из окружающей среды, раздельный сбор и переработка мусора (что позволяет вторично использовать пластиковые материалы) [2, 4].

Частицы микропластика обнаруживаются в организмах до 90% обследованных людей, при этом характер наносимых ими повреждений не установлен; указывают обычно возможные накопление в легких, закупорку сосудов, тромбообразование, канцерогенный эффект. Соответственно, не регламентирован и уровень загрязнения (ПДК). Показано, что в водной среде частицы микропластика легко колонизируются бактериями и захватывают различные виды загрязнителей. Эти частицы накапливаются главным образом в поверхностном слое воды, частично обнаруживаются и в донном осадке. При захвате планктонными рачками-фильтраторами необратимо связываются, не позволяя осуществлять дальнейшую фильтрацию пищи [2, 6].

Можно ли повысить эффективность очистки воды от частиц микропластика?

Одним из вариантов является связывние взвешенных в водной среде мелких частиц полимерами с образованием рыхлых хлопьевидных скоплений - флокул. Биофлокулянты представляют сбой полимеры биологического происхождения, к их числу относятся крахмал, полиальги-наты, лигносульфоновые и гуминовые кислоты, хитозан, а также биомасса клеток микроорганизмов или продукты их метаболизма.

В качестве хлопьеобразователей-бофлокулянтов могут быть использованы бактериальные полисахариды или продукты гидролиза биомассы микроорганизмов [7].

Наиболее простым способом получения биофлокулянтов, связывающих частицы микропластика может быть щелочной гидролиз суспензии микроорганизмов, например дрожжей или активного ила. При этом в жидкую среду выделяются растворимые белки, которые вместе с клеточными оболочками могут служить достаточно эффективными флокулянтами [7].

В процессах биологической очистки сточных вод образуется избыточное количество активного ила (отхода), которое необходимо удалять из системы очистки. На каждые 100 т растворенных в стоках органических веществ образуется 50 т избыточного активного ила. Активный ил - это искусственно (антропогенно) созданная экосистема, состоящая из множества клеток микроорганизмов, объединенных биополимерным гелем в хорошо защищенное и организованное структурно-функциональное целое - хлопья. Высокая адсорбционная способность активного ила обусловлена его развитой поверхностью - до 100 м2/г сухой массы [7].

Флокулообразующие бактерии относятся к родам: Actinomyces, Bacillus, Brevibacterium, Cellulomonas, Micrococcus, Mycobacterium и др. Наиболее многочисленны бактерии p. Pseudomonas - до 80% от численности бактерий активного ила. В геле содержатся главным образом полисахариды (молекулярный вес 20000-1000000 и выше), состоящие из одного или нескольких типов моносахаров. Основная роль в их образовании принадлежит капсульной палочковидной бактерии Zoogloea ramigera, близкой по свойствам к псевдомонадам. Применение активного ила для флокуляции позволяет в ряде случаев снизить концентрацию взвешенных веществ в сточных водах на 60-70% [7].

Другим вариантом может быть доочистка сточных вод иммобилизованными культурами микроводорослей и цианобактерий. Такие культуры содержат значительное количество полисахаридов и характеризуются сниженной скоростью роста и фотосинтеза при сохранении высокой скорости метаболизма [8]. Варианты иммобилизации - синтетическое волокно, гранулы геля или биопленка, нарастающая на искусственном носителе - дисковый фильтр [8, 9].

Обычные дисковые фильтры состоят из пакетов дисков из коррозионно-стойкого (поли-стиров, пеностекло, алюминий) материала, закрепленных на общем валу. Вал с дисками вращается со скоростью 2-3 оборота в минуту в сторону течения очищаемой жидкости. Биопленка адсорбирует и перерабатывает органические вещества в условиях естественной аэрации. Толщина биопленки не превышает 5 мм, поэтому междисковое пространство (15-20 мм) не зарастает и хорошо вентилируется. Нарастающая пленка сползает с поверхности диска на дно лотка [9].

Осадок, содержащий флокулы и/или избыточную биомассу может использоваться для производства грунтов и удобрений. В данном случае речь идет не о сельском хозяйстве, а о городском озеленении или рекультивации свалок и карьеров: данных о том, что частицы микропластика оказывают отрицательное влияние на высшие растения нет [2].

Заключение. Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:

Проанализированы данные о недавно появившемся, но уже достаточно распространенном типе загрязнителей водной среды - микроскопических частицах синтетических полимеров. Рассмотрены известные данные о их негативном воздействии на живые организмы, а также возможные методики биологической очистки сточных вод от микропластика и последующего использования отработанного органического материала.

Работа выполнена при поддержке НИР «Физико-химические основы молекулярной биоинженерии»

Таблица

Компоненты, считаемые микропластиком (По данным Программы ООН, опубликованным в 2015 г.)

Название полимера Функциональность, по определению журнала РССР

Нейлон-12 (полиамид-12) Увеличивает объем, контролирует вязкость, опацифаейер (например, в кремах от морщин)

Нейлон-6 Увеличивает объем, контролирует вязкость

Полибутилентерефталат Образует защитную пленку, контролирует вязкость

Полиэтиленизотерефталат Увеличивает объем

Полиэтилентерефталат Придает клейкость, образует пленку, фиксирует волосы, контролирует вязкость, придает эстетичность (например, блестки в пене для ванной, блеск в декоративной косметике)

Полиметилметакрилат Сорбент для основных компонентов

Полипентаэритилтерефталат Пленкообразователь

Полипропилентерефталат Стабилизация эмульсий, кондиционер для кожи

Полиэтилен Абразив, пленкообразователь, контролирует вязкость, связывающий элемент для пудры

Полипропилен Увеличивает объем, вязкость

Полистирол Пленкообразователь

Политетрафторэтилен, тефлон Увеличивает объем, модификатор скольжения, связывающий элемент, кондиционер для кожи

Полиуретан Образует пленку (например, в масках для лица, кремах для загара, туши для ресниц)

Полиакрилат Контролирует вязкость

Акрилат сополимер Связывающее действие, фиксатор для волос, образует пленку, суспендирующий агент

Аллилстеарат/винилацетат сополимер Фиксатор для волос, образует пленку

Этилен/пропилен/стирен сополимер Контролирует вязкость

Этилен/метилакрилат сополимер Пленкообразователь

Этилен/акрилат сополимер Образует пленку в водостойких кремах для загара, придает вязкость (например, помаде, средствам для грима, кремам для рук)

Бутилен/этилен/стирен сополимер Контролирует вязкость

Стирен акрилат сополимер Эстетический эффект, цветные микросферы (в декоративной косметике)

Триметилсилоксиликат Образует пленку (в декоративной косметике, средствах для загара, средствах по уходу за кожей)

Литература

1. Васильева Н.Г. Хитин как полимер XXI века. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 16. С. 110-111.

2. Брошюра «Микропластик - невидимая проблема» (http://www.ccb.se/wp-content/uploads/2016/03/Mikroplastikccb-ru.pdf) от BalticCoalition

3. Knoblauch Jessica A. Environmental Health News. 2 July 2009 (29 January 2013) "Biodegradable Plastics are Adding to Landfill Methane Emissions" // ecogeek.org, 10 June 2011

(29 January 2013)

4. «Пластик в косметике», 2015 г. (Программа ООН по защите окружающей среды), https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/9664/-Plastic_in_cosmetics_Are _we_pollut-ing_the_environment_through_our_personal_care_-2015Plas.pdf)

5. http://www.su.se/polopoly_fs/L331504.1493985676Vmenu/standard/file/PBmikroplas-tENGwebb.pdf)

6. https://www.awi.de/en/focus/marine-litter/tracking-down-microplastic.html

7. Тимакова Д.Н., Ксенофонтов Б. С. Использование активного ила в качестве биофлоку-лянта // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2016. № 10 (28).

URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3683 (дата обращения:

8. Васильева С.Г., Лобакова Е.С., Лукьянов А.А. Применение иммобилизованных водорослей в биотехнологии // Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. М.: Изд-во Моск. ун-та. 2016. № 3. С. 65-72.

9. http://www.valleyflora.ru/128.html. 16.04.2019.

10.http://www.findpatent.ru/patent/253/2531819.html.16.04.2019.

Сведения об авторах

Янина Вячеславовна Саванина

канд. биол. Наук науч. сотр.

МГУ имени М.В. Ломоносова Россия, Москва

Эл. почта: v.savanin@gmail.com Евгений Львович Барский канд. биол. Наук вед. науч. сотр.

МГУ имени М. В. Ломоносова Россия, Москва

Эл. почта: v.savanin@gmail.com

Information about authors

Yanina Viatcheslavovna Savanina

PhD

science. et al.

M.V. Lomonosov Moscow State University

Russia, Moscow

E-mail: v.savanin@gmail.com

Eugenij Livovitch Barsky

PhD

leading researcher

M.V. Lomonosov Moscow State University

Russia, Moscow

E-mail: v.savanin@gmail.com

Ирина Алексеевна Фомина канд. биол. наук РОСПРИРОДНАДЗОР по ЦФО

Россия, Москва

Эл. почта:1ппа{отта.пе@,таИ.ги Елена Сергеевна Лобакова д-р биол. наук проф.

МГУ имени М.В. Ломоносова Россия, Москва

Эл. почта: v.savanin@gmail.com

Irina Alecseevna Fomina

PhD

ROSPRIRODNADZOR in the CFD Russia, Moscow

E-mail: irinafomina. net@mail.ru Elena Sergeevna Lobakova

DS prof.

M.V. Lomonosov Moscow State University

Russia, Moscow

E-mail: v.savanin@gmail.com

УДК 658.314.7:330.115 В.В. Цыганов

ИПУРАН

ИНФРАСТРУКТУРНАЯ ПОЛИТИКА МЕГАПРОЕКТА «ЕДИНАЯ ЕВРАЗИЯ: ТЕПР - ИЕТС»

Рассмотрены основные положения инфраструктурной политики Мегапроекта «Транс-Евразийский Пояс Развития - Интегральная Евразийская Транспортная Система». Ключевые слова: Евразия, транспорт, инфраструктура, мультимодальный

V.V. Tsyganov

Institute of Management Problems V.A. Trapeznikova RAS MEGAPROJECT INFRASTRUCTURE POLICY "UNITED EURASIA: TEPR-IETS"

The main provisions of the infrastructure policy of the Megaproject "Trans-Eurasian Development Belt - Integral Eurasian Transport System " are considered. Keywords: Eurasia, transport, infrastructure, multimodal

Инфраструктурные политики, ориентированные на развитие транспорта (кратко - ИПТ) традиционно направлены на формирование единой транспортной и сопутствующей инфраструктуры крупномасштабных социально-экономических систем. Мегапроект «Транс-Евразийский Пояс Развития - Интегральная Евразийская Транспортная Система (ТЕПР - ИЕТС)» (кратко -Мегапроект) направлен на развитие Сибири, Дальнего Востока и Арктики. ИПТ Мегапроекта основана на результатах фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в РАН, а также практических их результатах. Фундаментальную основу ИПТ Мегапроекта составляет теории больших транспортных систем (БТС). Обзор состояния этой теории по состоянию на 2016г. дан в монографии [1], а основные её результаты, полученные в 2017-2018гг., опубликованы в работах [2-10].

Сетецентрическая модель Мегапроекта. Анализ международных — евразийских и европейских — ИПТ с позиций теории и практики построения БТС позволяет перейти к разработке научно обоснованной ИПТ Мегапроекта. Общая цель ИПТ конца XX — начала XXI века — обеспечение свободного движения товаров, услуг, капитала и трудовых ресурсов, конкуренции и доступа на рынок услуг и его инфраструктуру. До сих пор для этого использовались традиционные, информационные и сетевые ИПТ. Например, Евросоюз реализует сетевую ИПТ согласно Белой книги 2011 г. В то же время, к сожалению, наблюдается тенденция снижения степени согласованности ИПТ государств на постсоветском пространстве.

Теоретически и методологически обоснованным ответом на новые угрозы и вызовы является разработка ИПТ Мегапроекта более высокого уровня — сетецентричной ИПТ (СИП), включающей концепцию поддерживаемого развития на основе самоорганизации центров капитала на рынке транспортных услуг Мегапроекта. Благодаря этому будет повышена инвестиционная привлекательность проектов международных транспортно-логистических коридоров на территории Российской Федерации, соединяющих Азиатско-Тихоокеанский регион и Европейский Союз (кратко - МТК), которые призваны стать точками роста Мегапроекта. Для этого предлагается концепция СИП, как сетевой ИПТ, дополненной концепцией поддерживаемого развития системообразующих центров рынка транспортных услуг Мегапроекта. Такими центрами должны