А.А. Ершова, к.г.н., доцент кафедры геоэкологии, природопользования и экологической безопасности, заведующая лабораторией исследования пластикового загрязнения природной среды (PlasticLab), Российский государственный гидрометеорологический университет;
Т.Р. Ерёмина, к.ф.-м.н., доцент, директор Института гидрологии и океанологии, Российский государственный гидрометеорологический университет
Загрязнение пластиком стало одной из глобальных проблем современности. Обнаружение в конце 90-х годов прошлого столетия в Мировом океане «мусорных пятен» – районов скопления морского мусора – стало стимулом к интенсивному изучению проблемы загрязнения пластиком. Морской мусор не учитывает границы между странами, может быть найден рядом с местом его происхождения, а также транспортироваться течениями и ветрами в самые труднодоступные регионы планеты, включая Арктику и Антарктику.
До недавнего времени большая часть информации о морском мусоре касалась макромусора, поскольку он хорошо виден человеческому глазу, его легко заметить на поверхности воды, а также собрать на побережьях. Однако было установлено, что наибольшую роль в загрязнении пластиком Мирового океана играют частицы размером менее 5 мм, названные микропластиком. Считается, что именно микропластиковые частицы представляют серьезную угрозу для морских живых организмов и для людей.
Микропластик может быть произведен изначально малого размера или быть частью (фрагментом) более крупных пластиковых изделий. Таким образом различают первичный и вторичный микропластик.
Авария контейнеровоза «Экспресс Перл», перевозившего контейнеры с пластиковыми гранулами. 2021 г., Шри Ланка
Первичный тип микропластика создается специально для различных потребительских и производственных целей. Это могут быть пластиковые гранулы, пеллеты и микрогранулы. Микрогранулы – частицы размером обычно менее 1–0,5 мм – важная составляющая средств личной гигиены и косметики, позволяющая им иметь скрабирующие (отшелушивающие) и другие очищающие свойства. Пеллеты (гранулы 2–5 мм) – частый компонент морского мусора на побережьях всего мира. Он регулярно попадает в морскую среду в связи с потерями при их транспортировке или со сточными водами на предприятиях, использующих гранулы в производственных процессах (например, в качестве пескоструйной чистки рабочих поверхностей и портовых сооружений).
Крупнейшей экологической катастрофой XXI века уже можно считать аварию 20 мая 2021 года у берегов Шри-Ланки, когда затонул контейнеровоз «Экспресс Перл». Груз из более 270 т мазута, 50 т дизтоплива и 25 т азотной кислоты оказал масштабное немедленное воздействие на морскую биоту региона, погибли сотни морских животных, однако значительно более масштабным является последствие поступления в морскую среду миллиардов пластиковых гранул. На берегу гранулы собирали экскаваторами, однако большая их часть навсегда останется в Мировом океане, и последствия катастрофы будут наблюдаться на побережьях мира еще долгие десятилетия.
Таким образом, первичный микропластик попадает в водные экосистемы в основном либо через муниципальные сточные воды при смыве остатков косметических средств в канализацию, либо при транспортировке гранул с места их изготовления до места производства пластмассовых изделий, непосредственно в процессе этого производства или при использовании на промышленных площадках (смыв в ливневую канализацию).
Вторичный тип микропластика возникает в результате разрушения (истирания) более крупных предметов пластикового мусора и при процессах выветривания в результате фрагментации более крупных объектов. Именно этот тип микропластика очень разнообразен, включает самое большое разнообразие источников – от выбросов твердых частиц в результате промышленного производства (включая остатки краски) или технического обслуживания изделий из пластмассы, выброса пыли и синтетических волокон (включая волокна от стирки) до износа любых пластмассовых изделий при нормальном использовании (включая истирание автомобильных шин, асфальтовое покрытие дорог и разметку). Также микрочастицы образуются при фрагментации более крупных пластиковых предметов в результате потери первоначальных пластичных свойств полимера при «выветривании», т. е. под воздействием факторов внешней среды (УФ-излучение, ветер, волны). Именно этот источник является важнейшим в образовании микропластика на морских побережьях и в морской среде.
Примеры микропластика. Фотографии из лаборатории ПластикЛаб РГГМУ: микрогранулы, микроволокна, микропленки и микрофрагменты (100–300 мкм); ниже примеры микро- и мезопластика из Большого тихоокеанского мусорного пятна (частицы до 1 см)
Крайне важно понимать, что пластик не разлагается с заметной скоростью в природной среде. В естественных условиях происходит исключительно процесс фрагментации (распада крупных предметов на мелкие кусочки) под воздействием факторов внешней среды, что не является процессом химической деградации. Разложение (деградация) пластика – это химическое изменение, которое резко снижает среднюю молекулярную массу полимера, по завершении которого весь органический углерод в полимере преобразуется (полная минерализация).
Синтетические полимеры (пластики) – это высокомолекулярные соединения, и даже сильно выветрившийся, хрупкий пластик (который легко разваливается на мелкие кусочки при обращении с ним) все еще имеет средний высокий молекулярный вес (десятки тысяч г/моль). Даже при таком сниженном весе высокомолекулярные пластмассы, используемые в обычных производственных процессах, не разлагаются с заметной скоростью, поскольку виды микробов, которые могут метаболизировать полимеры, в природе редки.
Интересной особенностью поведения микропластика в природной среде является его аккумуляция на морских побережьях в связи с тем, что именно на берегу (на пляжах) происходит самый активный процесс УФ-деструкции, т. е. разрушение крупных предметов мусора на мелкие кусочки. Именно пляжи во всем мире являются важнейшим источником вторичного микрои нанопластика; это подчеркивает важность очистки пляжей как эффективной стратегии борьбы с этим видом загрязнения океана. Удаление больших кусков пластикового мусора с пляжей до того, как они выветрились настолько, что их поверхность стала хрупкой, может иметь большое значение для уменьшения количества микропластика, попадающего в океан.
Микропластик первого типа – первичный – можно обнаружить и предпринять меры для уменьшения его вклада в загрязнение окружающей среды, однако источники вторичного микропластика идентифицировать и оценить пока крайне затруднительно. При проведении исследований специалисты в мире столкнулись с проблемой сопоставления полученных данных измерений ввиду расхождений в методах отбора проб и используемого оборудования в определении содержания микропластика в воде, на побережьях и в донных грунтах.
Мониторинг морского мусора и микропластика на побережьях Финского залива волонтерами лаборатории ПластикЛаб и студентами экологического факультета РГГМУ в рамках акции «Чистый берег» в 2023 году и всемирной акции Mega Beach CleanUp
В связи с этим, на современном этапе в мире проводятся исследования, направленные на разработку единых методических подходов при мониторинге микропластикового загрязнения. Такая работа активно ведется в лаборатории исследования пластикового загрязнения ПластикЛаб в Российском государственном гидрометеорологическом университете (РГГМУ) с 2018 года. Здесь разработаны и запатентованы различные пробоотборные устройства, а также в рамках различных научных проектов ведется апробация методов лабораторной обработки образцов и их адаптация к условиям различных экосистем России (Балтийское море, моря Арктики и Антарктики).
В условиях отсутствия в мире стандартизованных методик для определения и измерения количества морского мусора и микропластика каждый регион или страна руководствуется существующими руководящими документами в данном регионе. Такими документами в Балтийском регионе служат рекомендации ХЕЛКОМ по мониторингу микропластика в воде и в донных отложениях, в разработке которых активное участие принимала А.А. Ершова, зав. лабораторией ПластикЛаб и эксперт от Российской Федерации в рабочей группе ХЕЛКОМ по морскому мусору и микропластику.
Проведенная совместная работа с экспертами стран балтийского региона позволила выявить сходства и различия в применяемых методиках, обменяться опытом лабораторных исследований, а также провести сличительные эксперименты (интеркалибрация) между лабораториями региона Финского залива (2020–2021) для количественной оценки различий в используемых методиках. Таким образом, в настоящее время в лаборатории ПластикЛаб применяются международные подходы к определению микропластика в природной среде, применяемые во всем балтийском регионе.
Для открытых морских акваторий используют нейстонную сеть с двумя крупными поплавками по бокам вместо крыльев для лучшей стабилизации сети на поверхности моря (слева). Для получения концентрированной пробы из водной толщи применяют пробоотборные фильтровальные системы (справа), как, например, система для определения содержания микропластика в морской воде HydroPuMP – HydroPump for MicroPlastics, разработанная в ПластикЛаб РГГМУ (патент, 2021 год). Специальная насадка системы позволяет устанавливать серию сменных металлических фильтров различного размера ячеи от 50 до 300 мкм.
Методы мониторинга микропластика можно разделить на несколько групп в зависимости от среды, в которой проводятся исследования: водная среда, побережья и пляжевые отложения, донные отложения, снег и лед. Важной особенностью проведения исследований микропластика является необходимость использования специальных инструментов для отбора проб, фиксации частиц в пробе, лабораторного анализа и детекции микропластика в образце. Это делает исследования микропластика крайне трудоемкими, времязатратными и в целом дорогим видом исследований.
Чаще всего в таких исследованиях объединяются несколько специализированных лабораторий, которые обладают всем необходимым оборудованием, квалифицированными кадрами (инженеры-лаборанты), а также могут обеспечить условия «чистой лаборатории», т. е. исключить попадание в образец частиц микропластика из внешней среды (контаминация образца) на каждом этапе его лабораторной обработки.
Пробы почвы, воды или воздуха, а также льда и снега для определения в них пластиковых частиц можно отбирать самыми разнообразными инструментами. Они отличаются не только в зависимости от изучаемой среды, но и от типа водного объекта. Например, на реках и озерах применяются сети или тралы одной конструкции («манта-трал» с крыльями), а в морях – другой (нейстонная сеть с поплавками). Также распространенным видом отбора проб воды является использование различных фильтровальных установок, которые включают насосное устройство и сам пробоотборник, обычно состоящий из нескольких фильтров разного размера ячеи.
Помимо этого, проводятся исследования донных отложений (отбор проб осуществляется различными дночерпателями и ковшами). Таким образом получают либо цельные (полнообъемные) пробы (грунта, пляжевых отложений, снега, льда) или концентрированные пробы (фильтрация воды через сеть определенного размера ячеи) для последующего их анализа в лаборатории. Подобные исследования можно проводить как на суше, так и в морях и океанах. В каждом случае инструменты для отбора проб будут своими, подходящими для конкретных условий.
Основное преимущество сетей, тралов, а также насосных устройств состоит в быстрой фильтрации большого объема воды и отбор т. н. концентрированной пробы. Они позволяют делать съемку большой площади или толщи океана для получения репрезентативной выборки данных о распределении микропластика в поверхностном и подповерхностном слое воды.
Оптимальным объемом профильтрованной воды для получения репрезентативной выборки частиц микропластика считается объем от 1000 л. Количество частиц микропластика выражается в единицах (шт.) на объем (шт./м3 ) или площадь (шт./ км2 ), в г сухого веса/км2 . Методы использования сетей и фильтровальных установок имеют свои преимущества и недостатки и могут применяться параллельно, взаимно дополняя друг друга в связи с тем, что обследуются очень разные по своим физическим свойствам слои воды – поверхность (0 м) и «подповерхность» (3–5 м) – слои, в которых распределение микропластика сильно отличается в связи с его различными характеристиками плавучести.
Лабораторная часть работы так же, как и полевые методы исследования, постоянно совершенствуется в связи с тем, что совершенствуется оборудование для детекции микропластика. Анализ проб воды требует максимального исключения внешних источников загрязнения микропластиком – волокна от синтетической одежды и т. д. Данные условия крайне сложно соблюдать в полевых условиях на борту судна.
После отбора пробы (воды или донного грунта) и ее фиксации специальным раствором (формалин, этанол) или криоконсервации (замораживание) пробу доставляют в специализированную лабораторию, где проводятся следующие общепринятые манипуляции по экстракции частиц из пробы и их последующей идентификации:
1. просеивание, фильтрация;
2. избавление от органического вещества в пробе с помощью одного или нескольких этапов термохимической обработки;
3. визуальный анализ на микроскопе – определение размеров, цвета и формы частицы (морфологический анализ);
4. анализ полимерного состава частиц с помощью специализированного оборудования.
Эти этапы могут чередоваться, повторяться при необходимости. Визуальный анализ может быть совмещен с работой на ИК-микроскопе. Крайне важно, чтобы эти измерения сопровождались химическим анализом полимерного состава, т. е. с помощью снятия и расшифровки соответствующих спектров или пирограмм. Для этих целей используются методы инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановской), пиролизной газовой хроматографии и масс-спектрометрии, а иногда используют растровый электронный микроскоп (SEM). Таким образом этап 4 является обязательным во всех лабораторных исследованиях микропластика, без которого выполненное исследование является неполным, а значит не имеющим научной ценности.
Работа молодых ученых в лаборатории ПластикЛаб РГГМУ
Среди шельфовых морей России к наиболее изученным по уровню загрязнения микропластиком относится Балтийское море и его побережья: в Финском заливе лабораторией ПластикЛаб исследования ведутся с 2018 года. Было показано, что со стоком реки Невы в Невскую губу поступает большое количество микропластика, что связано с большой площадью водосборной территории реки. Значительный вклад также вносит расположенная в дельте Невы Центральная станция аэрации, осуществляющая сброс сточных вод, а на станции отбора проб на о. Декабристов (ст. м. «Приморская»), находящейся в непосредственной близости от впадения в Невскую губу р. Невы и р. Смоленки, отмечается одна из наиболее высоких концентраций микропластика в водной толще (1,3 частиц на 1 л воды).
В целом, исследования показали, что северное побережье Финского залива и Невской губы загрязнено микропластиком сильнее, чем южное, а концентрации микропластика здесь самые высокие в балтийском регионе. В силу своих гидродинамических особенностей Невская губа является аккумулятором микропластиковых частиц, поступающих со стоком реки Невы, и далее, за КЗС, концентрации микропластика значительно снижаются. Данные выводы подтвердили модельные эксперименты, проведенные специалистами Санкт-Петербургского отделения Института океанологии РАН.
Принимая во внимание проблемы мониторинга микропластика для прогнозирования его распространения в морской среде, представляется необходимым объединение данных натурных измерений и методов математического моделирования. Численное моделирование является одним из ключевых инструментов, с помощью которых можно получить представление о распределении морского мусора, особенно микропластика. Этот подход интеграции моделей прогнозирования потоков и распределения пластиковых частиц крайне необходим для пополнения существующих редких наблюдений для оценки количества микропластика в различных районах Мирового океана. Расширение этого подхода путем интеграции имитационных моделей и эмпирических наблюдений может значительно улучшить понимание о распространении и трансформации пластика, и особенно микропластика, в морской среде.
Источники
Ершова А.А., Ерёмина Т.Р. Пластиковое загрязнение Мирового океана. СПб.: РГГМУ, 2022 – 152 с.
Мартьянов С.Д., Рябченко В.А., Ершова А.А., Ерёмина Т.Р., Мартин Г. К оценке распространения микропластика в Восточной части Финского залива. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12. №4. С. 32–41. doi:10.7868/ S207366731904004X
