Микропластик образует невидимые химические облака, которые попадают в реки и океаны.
Исследователи изучили молекулярные изменения, происходящие под воздействием солнечного света, вызывающего выщелачивание растворенных органических веществ из пластика. Эти результаты могут кардинально изменить понимание состояния экосистем, качества воды и глобального круговорота углерода.
Ученые обнаружили, что микропластик, дрейфующий по рекам, озерам и океанам, постоянно выделяет в воду широкий спектр растворенных органических веществ. Эти химические вещества изменяются со временем, при этом солнечный свет играет важную роль в их образовании и разложении. Исследование предлагает наиболее детальное на сегодняшний день молекулярное изучение того, как растворенные органические вещества, образующиеся из микропластика (известные как ДОВ микропластика), развиваются и изменяются в естественной водной среде.
В исследовании, опубликованном в журнале New Contaminants, были изучены четыре широко используемых типа пластика, и химические вещества, которые они выделяют, были сопоставлены с естественными растворенными органическими веществами, обнаруженными в реках. Сочетая кинетическое моделирование с флуоресцентной спектроскопией, масс-спектрометрией высокого разрешения и инфракрасным анализом, команда показала, что каждый тип пластика имеет свою собственную химическую сигнатуру. Эти сигнатуры изменяются по мере того, как солнечный свет воздействует на поверхность полимеров.
«Микропластик загрязняет водную среду не только в виде видимых частиц. Он также создает невидимое химическое облако, которое изменяется по мере выветривания», — сказал ведущий автор исследования Цзюньянь Гуань из Северо-восточного педагогического университета. «Наше исследование показывает, что солнечный свет является основным фактором, определяющим этот процесс, и что молекулы, выделяемые пластиком, сильно отличаются от тех, которые образуются естественным образом в реках и почве».
Солнечный свет ускоряет высвобождение углерода, связанного с пластиком.
Для изучения этого процесса исследователи поместили микропластик, изготовленный из полиэтилена, полиэтилентерефталата, полимолочной кислоты и полибутиленадипат-ко-терефталата, в воду как в темноте, так и под ультрафиолетовым светом на периоды до 96 часов. Воздействие солнечного света резко увеличило количество растворенного органического углерода, выделяемого всеми четырьмя видами пластика. Материалы, разработанные как биоразлагаемые, такие как PLA и PBAT, выделяли наибольшее количество углерода, что исследователи связали с их менее стабильной химической структурой.
Используя кинетические модели, команда обнаружила, что высвобождение подчиняется закону нулевого порядка, то есть процесс контролируется физическими и химическими ограничениями на поверхности пластика, а не концентрацией материала, уже находящегося в воде. Диффузия пленки была определена как лимитирующий этап под воздействием ультрафиолетового света.
Химически богатая смесь добавок, мономеров и окисленных фрагментов
Усовершенствованная спектроскопия и масс-спектрометрия показали, что растворенное органическое вещество в микропластике содержит разнообразный набор молекул, происходящих из добавок, мономеров, олигомеров и фотоокисленных фрагментов. Ароматические пластики, такие как ПЭТ и ПБАТ, образуют особенно сложные смеси.
По мере выветривания пластиков количество кислородсодержащих функциональных групп увеличивается, что указывает на образование спиртов, карбоксилатов, эфиров и карбонилов. Также появляются такие добавки, как фталаты, что согласуется с их слабой связью внутри полимерных матриц.
Флуоресцентный анализ показал, что растворенное органическое вещество микропластика (РОМ) больше напоминает материал, образованный в результате микробной активности, чем из наземных источников, что резко контрастирует с природным растворенным органическим веществом. Со временем химический состав менялся, при этом относительный вклад белкоподобных, лигниноподобных и дубильных веществ изменялся в зависимости от типа полимера и воздействия солнечного света.
Воздействие на окружающую среду может усилиться по мере роста загрязнения пластиком.
Развивающиеся химические смеси, выделяемые микропластиком, могут влиять на водные экосистемы несколькими способами. РОМ микропластика, как правило, состоит из небольших биодоступных молекул, которые могут стимулировать или ингибировать микробную активность, изменять круговорот питательных веществ или взаимодействовать с металлами и загрязняющими веществами. Предыдущие исследования показали, что РОМ микропластика может генерировать активные формы кислорода, влиять на образование побочных продуктов дезинфекции и изменять адсорбцию загрязняющих веществ.
«Наши результаты подчеркивают важность учета полного жизненного цикла микропластика в воде, включая невидимые растворенные химические вещества, которые он выделяет», — сказал соавтор Шитинг Лю. «По мере роста мирового производства пластика эти растворенные соединения могут приобретать все большее экологическое значение».
К созданию инструментов прогнозирования химического состава пластикового загрязнения
Учитывая сложность растворенного органического вещества микропластика и его динамичный характер, команда исследователей предполагает, что подходы машинного обучения могут помочь предсказать, как этот материал эволюционирует в окружающей среде. Будущие модели могли бы поддерживать оценку рисков, связанных со здоровьем водных экосистем, поведением загрязняющих веществ и круговоротом углерода.
Авторы отмечают, что поступление микропластика в реки и океаны остается в значительной степени неконтролируемым. Поскольку пластик продолжает разрушаться и подвергаться воздействию солнечного света, ожидается, что выброс растворенного органического вещества микропластика будет усиливаться, что делает необходимым понимание его химического поведения на разных стадиях деградации.
