Микропластик в окружающей среде: роль науки о полимерах

Основные моменты:

• Проблема загрязнения окружающей среды микропластиком должна решаться на основе более глубокого научного подхода науки о полимерах
• Необходима более научная стандартизация микропластика
• Влияние размера частиц должно быть включено в оценку рисков, связанных с микропластиком
• Для решения проблемы загрязнения микропластиком необходимы устранение последствий и альтернативные решения
• Необходимо учитывать сравнение микропластика с другими микрои наночастицами

Аннотация

В этой статье мы освещаем некоторые фундаментальные аспекты роли науки о полимерах в изучении поведения микропластика (МП) и в понимании влияния МП на окружающую среду и здоровье человека и других живых существ. Мы подчеркиваем, что МП это не просто еще один тип микрочастиц, которые влияют на окружающую среду. Напротив, МП имеют специфические для полимеров взаимодействия с окружающей средой и живыми организмами, которые невозможно полностью понять без науки о полимерах. В целом мы выделяем наиболее важные области (номенклатура и терминология; идентификация и характеристика МП; механизм фрагментации; экологическая судьба и перенос; оценка риска; устранение последствий; альтернативные решения) для проблемы пластиковых отходов и микропластика, которая может быть решена только совместными усилиями всех специалистов, включая специалистов в науке о полимерах.

Ключевые слова: Микропластик, полимерная наука, политика, договор о пластике, морское антропогенное засорение

Перспектива

Проблема загрязнения окружающей среды пластиком недавно привлекла международное внимание: Ассамблея ООН по окружающей среде (UNEA) учредила в 2022 году межправительственный комитет по переговорам (INC, МПК) для регулирования загрязнения окружающей среды пластиком во всем мире [1]. Некоторые из авторов этой перспективной статьи посетили несколько сессий МПК и заметили, что вклад специалистов в науке о полимерах в эти дискуссии был весьма ограничен. Однако участие специалистов в науке о полимерах необходимо для продвижения исследований в области исследований MП и обеспечения того, чтобы стратегии по снижению загрязнения основывались на всестороннем понимании пластиковых материалов. Активно участвуя в международных инициативах, специалисты в науке о полимерах могут внести ценный вклад в разработку нормативно-правовой базы и способствовать устойчивым инновациям. По нашему мнению, междисциплинарное сотрудничество является основополагающим для решения насущных проблем, связанных с загрязнением окружающей среды пластиком. Поэтому мы выделяем шесть ключевых моментов, в которых этот вклад имеет решающее значение.

Номенклатура и терминология: в текущей литературе и официальных документах МПК часто встречаются недостатки терминологии, специфичной для полимеров. Например, термин «термопласты» часто путают с «эластомерами», как показано в «Информационном бюллетене PLASTICS 101», распространенном перед INC-3 [2]. Аналогично, термин «пластиковые пигменты» используется неоднозначно. Среди специалистов в науке о полимерах под этим термином понимаются пигменты, добавляемые в пластиковые составы, обычно неорганические вещества или низкомолекулярные органические/металлоорганические соединения [3]. Однако в недавнем научном обзоре, опубликованном в журнале Science, «пластиковые пигменты» перечислены среди основных источников первичных МП [4], что вводит в заблуждение [5]. Более того, важные источники MP не являются общепризнанными. Например, стандарты ISO на пластики (ISO 472) и микропластик (ISO 24187) не включают эластомеры, что означает, что крошечные частицы износа шин могут быть исключены из официальной документации как источник МП, несмотря на то, что в научной литературе они названы одним из крупнейших источников МП [4, 6]. Более того, в последней версии Договора по пластику, предложенной 1 декабря 2024 года Председателем МПК [6], некоторые неясности в отношении происхождения микропластика не учитываются должным образом, поскольку в равной степени рассматриваются как синтетические, так и полусинтетические полимеры.

Как отмечают J. Frias и R. Nash, по-прежнему необходимы усилия для создания всеобъемлющего определения МП, включающего все возможные источники [7]. Примечательно, что термины «пластик» и «микропластик» не включены в Золотую книгу химических терминов Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) [8]. Мы советуем международному научному сообществу полимеров как можно скорее официально обратиться в IUPAC с просьбой включить определения для пластика и микропластика. В настоящее время размер частиц является основным атрибутом, используемым для определения МП. Однако размер не является неотъемлемым свойством МП, а скорее следствием того, как образовываются эти частицы. В первичном МП размер регулируется для достижения конкретных технических целей. Во вторичных МП размер обусловлен масштабом процессов фрагментации. В обоих случаях небольшое уменьшение размера соответствует значительному увеличению общей площади поверхности (см. Рис. 1), что существенно влияет на поверхностные свойства и химико-физическое поведение частиц. Это особенно актуально для пластиковых волокон, где аспектное соотношение является самым высоким среди всех классов форм МР.

Рисунок 1. Из-за цепочечной структуры полимеров форма пластиковых изделий очень анизотропна. Минимальная ширина большинства пластиковых отходов составляет несколько миллиметров, что, возможно, объясняет ограничение в 5 мм при определении МП [9]. По мере деградации макропластика вторичный МП становится более однородным. Первоначально трещины меньшей ширины оказывают незначительное влияние на площадь поверхности. Однако, когда частица с одинаковыми размерами во всех направлениях разбивается на более мелкие фрагменты, площадь поверхности значительно увеличивается, в то время как объем остается неизменным.

Идентификация и определение характеристик МП: специалисты в науке о полимерах могут разрабатывать и совершенствовать аналитические методы для различения различных типов пластмасс, добавок и продуктов деградации. Такие методы, как Py-GC/MS, FTIR и рамановская спектроскопия, необходимы для точной идентификации материалов [9]. В настоящее время по-прежнему отсутствует аналитическая стандартизация измерений МП. Это приводит к тому, что данные в литературе сильно разнятся, а оценки концентрации варьируются на 3-4 порядка. Более того, аналитическое обнаружение вторичного НП остается весьма сложной задачей. Существующие модели, предсказывающие фрагментацию пластика в открытых морях, не согласуются с наблюдаемыми распределениями размеров мельчайших МП в морской среде [10]. Следовательно, без надежных данных об общем количестве мелких пластиковых частиц в океане и его частях прогнозирование последствий и определение приоритетов действий по смягчению последствий для сохранения морской жизни остается затруднительным.

Механизмы фрагментации: Понимание физико-химических путей, приводящих к деградации пластика, имеет фундаментальное значение для прогнозирования устойчивости и трансформации МП в окружающей среде. Одним из основных источников МП в морской среде является деградация крупных пластиковых изделий (пластикового мусора) после их выброса в окружающую среду. Процессы выветривания происходят во всех экологических матрицах (воздух, почва, вода и биота) [4] и включают в себя разнообразные химические пути с различной кинетикой, зависящей от многочисленных химико-физических ограничений. Несмотря на попытки разработать прогнозные модели, скорость распада макропластика на МП или МП на нанопластик остается неопределенной. Эта непредсказуемость усложняет оценку временных интервалов, необходимых для минерализации пластика. В результате, согласно оценкам, МП, присутствующий на Земле, может сохраняться гораздо дольше, чем это было с момента начала массового производства полимеров в начале 1950-х годов. Более глубокое понимание этих темпов трансформации будет иметь неоценимое значение для оценки рисков, и вклад специалистов в науке о полимерах очень важен для развития этих знаний.

Формирование и перенос в окружающей среде: специалисты в науке о полимерах могут дать представление о роли плотности, кристалличности и гидрофобности полимеров в влиянии на распределение и судьбу MP в морской среде, седиментации и процессах аэрозолизации [11]. Кроме того, химия полимеров имеет решающее значение для понимания процессов адсорбции и выщелачивания, происходящих при диспергировании пластиков в морской среде. Фактически, пластмассы могут инкапсулировать химические вещества, но они также могут выделять добавки и низкомолекулярные продукты распада или адсорбировать уже существующие загрязняющие вещества [12]. Однако МП как носители опасных загрязняющих веществ оказывают значительно меньшее воздействие по сравнению с другими типами природных носителей [13]. Некоторые синтетические полимеры специально разрабатываются для обеспечения высокой экологической стабильности, однако в процессе переработки и утилизации все равно может происходить их деградация. В этом случае опыт химиков-органиков крайне важен, чтобы избежать неправильной идентификации добавок и продуктов деградации, вызывающих опасения. Например, недавно предложенный «красный список» добавок [14] требует тщательного анализа и корректировки. В частности, в этот список включен оксид кремния из-за его известной токсичности в виде мелких частиц [15]. Однако запрет на использование SiO2 не имеет смысла, учитывая его природное изобилие. Кроме того, важны взаимодействия между полимерными фрагментами и тяжелыми металлами [16] или органическими молекулами [17], поскольку они влияют на роль МП как носителей токсичных веществ.

Оценка риска: токсикологические эффекты МП тесно связаны с размером их частиц, химическим составом и свойствами поверхности. Полимерная экспертиза имеет фундаментальное значение для понимания того, как эти факторы влияют на биодоступность и токсичность [18]. Что касается размера, то «малый размер» частиц MP часто упоминается в качестве ключевой причины для изучения токсичности MP [19]. Однако широкое определение МП как частиц размером менее 5 мм может привести к ошибочному распространению потенциальных опасностей, связанных с искусственно созанными нанои субмикроразмерными МП, на более крупные частицы МП в окружающей среде (см. Рис. 2). Различия в площади поверхности влияют на химическое разделение и способность МП адсорбировать загрязняющие вещества, что имеет значительные последствия для оценки риска МП. Поскольку разделение влияет на способность МП выступать в качестве носителей других загрязнителей окружающей среды и токсичных загрязняющих веществ, важно сравнивать риски, связанные с МП, с рисками, которые представляют растворенные загрязнители и загрязнители, адсорбированные на других соответствующих компонентах морских частиц. Размер частиц МП также имеет значение при оценке их потенциальной угрозы для морских организмов и здоровья человека. В настоящее время не существует общепринятой классификации МП по размеру. Хотя Европейское химическое агентство (ECHA) предложило одну классификацию, а другие агентства предложили альтернативные пороговые значения, мы рекомендуем рассматривать границу размеров между микрои нанопластиком как порог, позволяющий частицам пересекать клеточные мембраны. В этом случае крайне важно различать воздействие МП в зависимости от формы и размера. Кроме того, потенциальную опасность, которую представляют МП, следует сравнивать с аналогичными по размеру частицами окружающей среды, такими как сажа или целлюлозные волокна. Например, мелкие микрои нанопластиковые частицы (PM2.5) в городском воздухе содержатся в концентрациях около 238 нг/м3, что составляет всего 0,67% от массы PM2.5 [20].

Рисунок 2. Проблема в определении размера MП: потенциальная опасность малых частиц MП распространяется на более крупные частицы в легко наблюдаемом диапазоне (300 мкм)

Устранение последствий и альтернативные решения: Разработка альтернативных материалов с улучшенной разлагаемостью, сниженным воздействием на окружающую среду и минимальным содержанием добавок необходима для снижения экологического бремени пластиков [21]. Специалисты в науке о полимерах могут разработать инновационные решения, которые будут отвечать как эксплуатационным характеристикам материалов, так и экологической безопасности.

Таким образом, глобальная проблема пластиковых отходов и загрязнения МП может быть решена только совместными усилиями различных специалистов, включая специалистов в науке о полимерах. Мы также хотели бы подчеркнуть, что решение новых актуальных экологических проблем не должно нарушать устоявшиеся технологии, которые доказали свою эффективность в решении других экологических проблем или вызовов перед человечеством. Например, поливинилхлорид (ПВХ) часто считается опасным из-за токсичных химических веществ, выделяющихся при его термическом или фоторазложении (например, HCl, диоксины, фталаты) [22]. Однако производство этого полезного полимера решает проблему утилизации хлора [23], который выделяется в результате производства каустической соды, без которой не могут существовать многие отрасли промышленности. В этом случае целесообразно принимать решения, основываясь на научных данных, а не на эмоциях. Эмоциональные реакции часто приводят к тому, что приоритеты постоянно меняются, а существенные экологические проблемы остаются нерешенными. Например, всего 10 лет назад свободно разгуливающие домашние кошки считались главной угрозой биоразнообразию: сообщалось, что в США кошки ежегодно убивают 1,3-4,0 миллиарда птиц и 6,3-22,3 миллиарда млекопитающих [24]. Сегодня внимание общественности переключилось с кошек на загрязнение окружающей среды пластиком [4]. На сегодняшний день не существует систематических сравнительных исследований, позволяющих определить, какой из антропогенных факторов представляет большую угрозу для дикой природы. Решение вышеуказанных проблем требует научно обоснованного подхода и участия полимерного научного сообщества. Мировая проблема пластиковых отходов и микропластика может быть решена только совместными усилиями всех специалистов, в том числе специалистов в науке о полимерах. Мы считаем, что сейчас самое время создать влиятельный научный совет, который обеспечит вдумчивый и взвешенный подход к интерпретации данных, избегая как чрезмерного упрощения, так и необоснованного алармизма. Такие местные альянсы существуют [25], но глобальные проблемы всегда требуют глобальных действий.

Благодарность

Данное исследование было частично поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (государственный контракт № 075-15-2024-629, МегаГрант) (С.Л., А.Г., А.Я. и Я.К.).

Источники

[1] UNEA Resolution 5/14 ‘End plastic pollution: Towards an international legally binding instrument’” (2022). https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/39812/OEWG_PP_1_INF_1_UNEA%20resolution.pdf (assessed 18 February 2025).

[2] Fact Sheet PLASTICS 101. https://ikhapp.org/material/fact-sheet-plastics-101 (assessed 18 February 2025).

[3] W. Herbst, K. Hunger. Industrial Organic Pigments. 3-rd ed., Wiley‐VCH, Weinheim, 2004. DOI:10.1002/3527602429.

[4]. R. C. Thompson, W. Courtene-Jones, J. Boucher, S. Pahl, K. Raubenheimer, A. A. Koelmans. Science 386, eadl2746 (2024). DOI:10.1126/science.adl2746.

[5] S. Lyulin, A. Gurtovenko, J. Kenny. A scientific approach for microplastic definition, Science, 2025-03-03, eLetter. DOI:10.1126/science.adl2746.

[6] Chair's Text of Plasric Treaty suggested on December 1st, 2024 https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/46710/Chairs_Text.pdf (assessed 18 February 2025).

[7] J. P. G. L. Frias, R. Nash. Mar. Pollut. Bull., 138, 145 (2019) DOI:10.1016/j.marpolbul.2018.11.022.

[8] (4) IUPAC Compendium of Chemical Terminology (Gold Book). https://goldbook.iupac.org/ (assessed 18 February 2025).

[9] S. Primpke, M. Wirth, C. Lorenz, G. Gerdts. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 412, 5131 (2020). DOI:10.1007/s00216-018-1156-x.

[10] A. Cózar, F. Echevarría, J. I. González-Gordillo, X. Irigoien, B. Úbeda, S. Hernández-León, Á.T. Palma, S. Navarro, J. García-de-Lomas, A. Ruiz, M. L. Fernández-de-Puelles, C. M. Duarte. PNAS 111, 10239 (2014). DOI:10.1073/pnas.1314705111.

[11] N. Kowalski, A. M. Reichardt, J. J. Waniek. Marine Pollution Bulletin, 109, 310 (2016). DOI:10.1016/j.marpolbul.2016.05.064.

[12] E. L. Teuten, J. M. Saquing, D. R. U. Knappe, M. A. Barlaz et al. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1526), 2027 (2009). DOI:10.1098/rstb.2008.0284.

[13] A. A. Koelmans, A. Bakir, G. A. Burton, C. R. Janssen. Environ. Sci. Technol., 50, 3315 (2016). DOI:10.1021/acs.est.5b06069.

[14] M. Wagner, L. Monclús, H. P. H. Arp, K. J. Groh, M. E. Løseth, J. Muncke, Z. Wang, R. Wolf, L. Zimmermann. PlastChem. State of the Science on Plastic Chemicals: Identifying and addressing chemicals and polymers of concern. https://plastchem-project.org/ (assessed 18 February 2025).

[15] T. Nash, A. C. Allison, J. S. Harington. Nature, 210, 259 (1966).

[16] V. Isakov, E. Vlasova, V. Forer, J. Kenny, S. Lyulin. Land, 14, 38 (2025). DOI:10.3390/land14010038.

[17] A. Borthakur, J. Leonard, V. S. Koutnik, S. Ravi, S. K. Mohanty. Current Opinion in Environmental Science & Health, 25, 100309 (2022). DOI:10.1016/j.coesh.2021.100309.

[18] C. M. Rochman, E. Hoh, B. T. Hentschel, S. Kaye. Environmental Science & Technology, 47, 1646 (2013). DOI: 10.1021/es303700s.

[19] A.D. Vethaak, J. Legler. Science, 371, 672 (2021) DOI:10.1126/science.abe5041.

[20] B. Kirchsteiger, D. Materic, F. Happenhofer, R. Holzinger, A. Kasper-Giebl. Atmos. Environ. 301, 119670 (2023). DOI:10.1016/j.atmosenv.2023.119670.

[21] R. Geyer, J. R. Jambeck, K. L. Law. Science Advances, 3(7), e1700782 (2017).

[22] J. Yu, L. Sun, C. Ma, Y. Qiao, H. Yao. Waste Manage., 48, 300 (2016). DOI:10.1016/j.wasman.2015.11.041.

[23] C. Kurt, J. Bittner. Sodium Hydroxide, in: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley‐VCH, Weinheim, 2006. DOI:10.1002/14356007.a24_345.pub2.

[24]. S.R. Loss, T. Will, P.P. Marra. Nat. Commun., 4, 1396 (2013). DOI:10.1038/ncomms2380

[25] Scientists' Declaration on Current Approaches to Plastics and Plastic-Containing Materials, Considering All Stages of Their Life Cycle. https://microplastics.pro/ (assessed 18 February 2025).