Микропластик в подземных водах: первые результаты исследований на территории России

Е. А. Филимонова*1, А. Е. Преображенская1, Л. О. Гутникова1, А. В. Чистякова1, 2, Е. С. Казак1, 3, А. А. Маслов1, Р. В. Веселовский1, 2

1Московский государственный̆ университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия; кафедра гидрогеологии, E-mail: ea. filimonova@yandex. ru

2Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Москва, Россия, E-mail: direction@ifz.

3ООО «Фарватер», Москва, Россия, E-mail: Kanigu@mail.

Аннотация

Рост производства пластиковых изделий, большая часть (около 54 %) которых является товарами одноразового использования, отсутствие эффективного управления пластиковыми отходами привели к глобальной проблеме загрязнения полимерами окружающей среды. Частицы микропластика (МП размером 5 мм) и нанопластика (НП размером 100 нм) обнаружены во всех средах: воздушной, водной, почвенной и даже в живых организмах [1; 2; 3; 5]. Большинство работ направлено на исследование микропластика в поверхностных водах, однако частицы МП и НП обнаружены и в подземных водах. Частицы полимеров выявлены в незащищенных водоносных горизонтах (ВГ), например, в аллювиальных ВГ (Виктория, Австралия; Калуга, РФ; Потчефструм, ЮАР; Шираз, Иран) и карстовых ВГ (Звенигород, РФ; Иллинойс, США) [4; 6; 7]. В терригенном водоносном горизонте Андреевского месторождения выявлены полимеры различной формы: микрогранулы, микроволокна, фрагменты и пленки, которые указывают на загрязнение подземных вод как первичным, так и вторичным микропластиком. Визуальная характеристика проводилась с помощью оптического микроскопа Olympus BX53M, химический состав полимеров определялся на рамановском спектрометре EnSpectr 532.

Введение

В настоящее время пластмассовые изделия прочно вошли в жизнь каждого человека. Причина заключается в их свойствах: биоинертность, прочность, износостойкость, легкость; а также относительная дешевизна, легкость производства и обработки пластмасс [2]. Срок службы пластиковых изделий варьирует от нескольких минут для одноразовой посуды до десятков лет для материалов, используемых в строительстве, при этом упаковочный материал составляет 54 % пластиковых отходов. Длительное время естественной деградации, сложность и дороговизна вторичной переработки привели к накоплению огромного количества бытовых и промышленных пластиковых отходов.

Микропластик (частицы пластмассы 5 мм) объединяет достаточно широкую группу полимеров различного химического состава, размера, формы, цвета и свойств. По происхождению выделяется первичный и вторичный МП. Первичные полимеры представляют собой микрогранулы, специально изготовленные для использования в косметических, лекарственных и моющих средствах, или пеллеты, используемые для производства более крупных изделий [1; 2; 3]. Частицы первичного МП и НП в исходном виде попадают в окружающую среду со сточными водами или через очистные сооружения, так как размер гранул не позволяет их отфильтровать. Вторичные МП и НП образуются при распаде крупных полимерных продуктов: истирания шин, разрушении дорожного покрытия, дефрагментации пластикового мусора, при стирке, производстве синтетических тканей.

Исследование посвящено изучению частиц микропластика в донных отложениях р. Оки, подземных и речных водах участка Андреевского месторождения подземных вод, расположенного в 12 км к югу от г. Калуги. Исследуется совмещенный аллювиально-нижнетульский водоносный комплекс, который является целевым горизонтом для водоснабжения г. Калуги. Водовмещающими отложениями представлены разнозернистыми песками мощностью 56 м. Напорно-безнапорный комплекс перекрыт современными аллювиальными суглинками мощностью 10-12 м. Усредненный уровень подземных вод в меженные периоды находится на отметке 120 м.

Методы исследований

Методика изучения МП включает три этапа: отбор пробы, экстракция полимерных частиц и их идентификация. На Андреевском месторождении подземных вод были отобраны проба из донных отложений, из поверхностных вод реки и проба из подземных вод совмещенного аллювиально-нижнетульского водоносного комплекса. Проба речной воды отбиралась методом фильтрации через сетчатый фильтр с размером ячейки 75 мкм. Отбор пробы из подземных вод осуществлялся с помощью фильтрационной установки, используемой при микробиологических исследованиях. Донные отложения отбирались металлическим совком в стеклянную банку. Этап извлечения МП проводился по методике NOAA, модифицированной для анализа полимерных частиц в поверхностных водах [8], и включал следующие основные подэтапы: пероксидное окисление, плотностное разделение, сушка. На этапе идентификации проводилась визуальная характеристика частиц с помощью оптического микроскопа Olympus BX53M, тип полимеров определялся на рамановском спектрометре EnSpectr 532.

Результаты и их обсуждения

Каждый фильтр был сфотографирован на микроскопе Olympus BX53 и из 25×26 кадров были составлены в программе карты фильтров. Анализ карты фильтра позволил разделить все частицы на минеральные частицы и потенциальные полимерные частицы. Последние по форме классифицированы на волокна, фрагменты и микрогранулы. Результаты визуальной идентификации представлены в табл. 1.

Первичный микропластик, представленный микрогранулами, выявлен в речных водах и донных отложениях в количестве 1 и 7 % от общего содержания полимеров. В подземных водах присутствует только вторичный микропластик. Соотношение микроволокон и фрагментов (61 % и 38-39 % соответственно) в подземных и поверхностных водах идентично, в донных отношениях фрагменты превалирует, составляя 54 %. Волокна легко переносятся течениями и медленно оседают, поэтому в донных отложениях в большем количестве накапливаются фрагменты. В абсолютном отношении самая высокая концентрация частиц МП установлена в донных отложениях, в которых накапливаются «тяжелые» полимерные частицы. Донные отложения могут впоследствии стать вторичным источником микро- и нанопластика.

Идентификация химического состава полимеров проводилась только для пробы из подземных вод, поскольку основная цель исследования заключается в изучении МП в подземных водах (Рис. 1). В результате обработки спектров в программе EnSpectr выделено несколько типов полимеров: нейлон (53 %), сульфат/карбоксиметил-целлюлоза (11 %), полиуретан (6 %), полифенилен (3 %). Значительная часть частиц (27 %) не подлежит идентификации из-за высокой степени деградации частицы, но визуально определяются как полимерные частицы.

Процедуры контроля качества необходимы при анализе МП в пробах окружающей среды. Завышение (ложноположительные результаты) может произойти в результате фонового загрязнения образца микропластиком из воздуха в помещении, использования полимерных приборов, одежды из синтетического волокна и т. д. В то время как недооценка концентраций возникает в результате потери аналитического материала во время анализа. Для выявления фонового загрязнения была исследована холостая проба в лабораторных условиях, в которой было выявлено 5 микроволокон. Спектры большей частью (4/5) не совпадают с полученными спектрами частиц из подземных вод, спектр одного микроволокна определен как Nylon 6. Однако, визуальные характеристики нейлоновых частиц из подземных вод и из холостой пробы значительно отличаются, частицы нейлона из подземных вод более деградированные, неровные и шероховатые в отличие от гладкого микроволокна холостой пробы. Материалы фильтров, используемых при отборе и извлечении частиц МП из подземных и поверхностных вод, также были определены – это полиэстер (PES) и полиэтилентерефталат (PETF), данные типы полимеров в исследуемом образце не выявлены.

Заключение

В рамках данного исследования были отобраны пробы подземных вод совмещенного аллювиально-нижнетульского водоносного комплекса, речной воды и донных отложений р. Оки в пределах Андреевского месторождения подземных вод. Концентрации МП в поверхностных водах р. Оки и донных отложениях составили 2700 шт/м3 и 4950 шт/кг соответственно. Содержание частиц микропластика в подземных водах составило около 2300 шт/м3 и 900 шт/м3 без учета микроволокон. Полимеры представлены нейлоном, сульфат/карбоксиметил-целлюлозой, полиуретаном и полифенилен.

Карбоксиметилцеллюлоза используется в качестве загустителя зубных паст, косметических средств, пищевых продуктов, а также как загуститель и стабилизатор глинистых суспензий при бурении скважин. Возможно, выявленные микрочастицы карбоксиметилцеллюлозы в исследуемом горизонте остались от бурового раствора. Потенциальными источниками обнаруженных нейлоновых микроволокон являются предприятия легкой промышленности г. Перемышль, сточные воды, бытовой мусор. Микрочастицы полифенилена и полиуретана могли сформироваться при истирании шин автотранспорта, проезжающего по проходящей рядом автодороге Р-92, деградации бытового мусора или промышленного мусора предприятий машиностроения и металлообработки в городе Чекалин, через который проходит река Ока выше по ее течению.

Первичные микрогранулы из проб поверхностных вод и донных отложений могли быть принесены из расположенного в Калужской области промышленного предприятия ООО «ДПЛ Полимер» в результате потерь при транспортировке или производстве.

Список литературы

1. Казак Е. С., Филимонова Е. А., Преображенская А. Е. Микро- и нанопластик в природных водах России и проблемы его определения // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2022. № 6. С. 123.

2. Казмирук, В. Д. Микропластик в окружающей среде. Нарастающая проблема планетарного масштаба / М.: ЛЕНАНД. 2020.

3. Cole M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: A review // Marine Pollution Bulletin. 2011. 62. pp. 2588-2597.

4. Esfandiari A. et al. Distribution and transport of microplastics in groundwater (Shiraz aquifer, southwest Iran) // Water Research 220. 2022. 118622.

5. Li C. et al. Assessment of microplastics in freshwater systems: A review // Science of the Total Environment. 707, 135578.

6. Panno S. V. et al. 2019. Microplastic Contamination in Karst Groundwater Systems // Groundwater. 57. pp. 189-196.

7. Samandra, S. et al. Microplastic contamination of an unconfined groundwater aquifer in Victoria, Australia // Science of The Total Environment. 2022. 802, 149727.

8. Zobkov M., Esiukova E. Microplastics in Baltic bottom sediments: Quantification procedures and first results // Marine Pollution Bull. 2017. Vol. 114. P. 724-732