Сегодня полимеры лидируют в иерархии современных материалов. Многие вещи, которые раньше делали из дерева, металла, стекла, кожи, волокон растительного или животного происхождения, теперь производят из синтетических полимеров или композитов на их основе. Это дешевле и подчас удобнее. Ежегодное мировое производство такой продукции выросло приблизительно в 200 раз с начала массового изготовления (около 2 миллионов тонн в 1950 году). За это время население Земли увеличилось с 2,5 миллиардов человек до 8 миллиардов.
Понятно, что рост полимерной продукции будет только продолжаться.
Крупное производство любого товара ставит вопрос об утилизации отходов. Пластики не так быстро разрушаются в окружающей среде, как, например, железо, но под влиянием света, перепада температур, механических и биологических воздействий крупные изделия неминуемо дробятся на более мелкие, которые выносятся за пределы свалок или мест захоронения.
В последние годы активно изучают и обсуждают проблемы загрязнения окружающей среды микро- и наночастицами бытовых пластиков практически на любой конференции по полимерам. Об этом, в частности, говорили ученые на прошедшей в октябре I Всероссийской конференции «Микропластик в науке о полимерах», по итогам которой принята «Декларация ученых о текущих подходах к пластикам и материалам, их содержащим, с учетом всех этапов жизненного цикла». Она открыта для подписания исследователями стран, которые разделяют ее основные положения.
В Лимнологическом институте Сибирского отделения Российской академии наук недавно завершились работы в рамках гранта РФФИ (ныне — РЦНИ) на тему «Экологическое значение субмикронных частиц бытовых пластиков: влияние на гидробионтов в условиях эксперимента и в природной среде».
Коллектив лаборатории биомолекулярных систем ЛИН СО РАН и руководитель проекта, замдиректора Лимнологического института СО РАН доктор химических наук, профессор Вадим АННЕНКОВ изучали воздействие частиц пластика на гидробионты пресноводных экосистем на примере озера Байкал.
По словам Вадима Владимировича, первым делом они решали комплекс методических проблем, связанных с оценкой возможного содержания субмикронного пластика в природных водах. Без знания этих величин не перейти к экспериментам по влиянию нанопластика на живые организмы, поскольку в опытах надо использовать реальные концентрации, которые можно ожидать в природе.
Также разработали оригинальную методику синтеза флуоресцирующих наночастиц четырех широко распространенных видов пластика, использование которых позволило провести серию токсикологических опытов, продемонстрировавших действие или его отсутствие на типичных представителей байкальских гидробионтов.
— То есть вы, Вадим Владимирович, изучали именно нанопластики?
— Да, под микропластиком понимают частицы менее пяти миллиметров, но более микрона. Их видно в оптический микроскоп. А менее микрона — это нанопластик. Мы под термином «нанопластик» подразумеваем частицы размером менее 500 нм, поскольку именно при таких параметрах возможен захват объектов живыми клетками путем эндоцитоза. Это — качественное отличие от более крупного микро- и субмикропластика.
Потенциальная опасность нанопластика подтверждается хорошо известной способностью наночастиц (вирусов, наноконтейнеров для доставки лекарственных препаратов) проникать в живые клетки.
Различные варианты эндоцитоза (захвата клеткой частиц из внешней среды) свойственны большинству клеток и необходимы им для нормальной жизнедеятельности. Наночастицы пластика могут использовать этот путь для проникновения в клетку, далее они либо разлагаются ферментами клетки на токсичные соединения, либо просто препятствуют нормальному функционированию клетки.
— Какие задачи пришлось решать в рамках проекта?
— В ходе экспериментов по механическому разрушению пластиков в воде удалось оценить возможный уровень содержания частиц нанопластика, составивший не более 0,01 мг/л. По нашему мнению, это даже слегка завышенная величина, объясняющая невозможность сегодня надежно выявлять нанопластик в природных водах. Это — фундаментальный результат, во многом определяющий направления дальнейших исследований загрязнения водных экосистем частицами пластика субмикронного размера. Наши результаты опубликованы в журнале Environmental Pollution в марте 2021 года.
Для проведения модельных опытов по влиянию нанопластика на живые организмы мы разработали способы получения флуоресцентных наночастиц распространенных бытовых пластиков (полиметилакрилат, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол).
Флуоресценция необходима нам для отслеживания этих частиц в живых клетках. На рынке имеется достаточно много подобных частиц, но их состав — коммерческая тайна, зачастую они содержат токсичные стабилизаторы и консерванты. При применении подобных препаратов непонятно, что вызвало токсический эффект, наночастицы или добавки, да и слишком высока цена продаваемых препаратов.
Проведя культивирование модельных и байкальских организмов (рыбы Danio rerio, включая эмбрионы и личинки, дрожжи, диатомеи, динофлагелляты, губки, моллюски), в присутствии наночастиц, мы оценили их физиологическое действие и токсичность. Рассмотрели возможность обнаружения пластиковых наночастиц, захваченных живыми организмами из окружающей среды с использованием флуоресцентной микроскопии.
Опыт и результаты комплексного исследования действия наночастиц на живые организмы позволили создать эффективные модели оценки широкого набора патологических изменений, возникающих под влиянием загрязнений различной природы. Ведь в ЛИН СО РАН более десяти лет проводятся комплексные исследования по выявлению механизмов функционирования гидробионтов. Они включают химический синтез необходимых веществ, например, специфических флуоресцентных красителей и модельных гидрофильных полимеров, с последующим их применением для изучения отдельных живых организмов.
Наша лаборатория, например, преуспела в синтезе новых прижизненных флуоресцентных красителей со свечением в синей, желто-зеленой или красной областях, специфически окрашивающих растущие кремнистые створки диатомей и спикулы губок. Эти красители пригодятся ученым не только при изучении механизмов биосилисификации, но и для оценки жизненного статуса организмов, так как формирование кремнистых структур правильной морфологии — признак здоровья организмов. Также разработаны новые флуоресцентные красители, избирательно окрашивающие кремнистые частицы в осадочных породах, и т. д.
— Наверное, для этого нужна уйма специальных приборов?
— Лаборатория биомолекулярных систем располагает базовым оборудованием для синтеза и исследования органических веществ и полимеров, ИК- и УФ-спектрометрами, флуоресцентным микроскопом и пр.
Оборудование, доступное в ЛИН СО РАН, включает в себя конфокальный микроскоп, сканирующий и просвечивающий электронные микроскопы, различное хроматографическое и масс-спектроскопическое оборудование, позволяющее как проводить элементный анализ ультрапресных вод, так и разделять сложные органические смеси и детектировать отдельные компоненты.
У Института на Байкале целый исследовательский флот (4 судна) и уникальная научная установка «Экспериментальный пресноводный аквариумный комплекс байкальских гидробионтов», в которой мы культивируем гидробионты от одноклеточных организмов до взрослых сиговых рыб.
Для изучения наночастиц в растворе Институт теплофизики СО РАН изготовил нам прибор динамического светорассеяния, а недавно при поддержке Российского научного фонда приобрели отечественный анализатор размеров частиц и дзета-потенциала Photocor.
В последние годы наш институт закупил достаточно много оборудования по программе обновления приборной базы, осуществляемой Минобрнауки. В частности, наша лаборатория в этом году обогатилась препаративным флэш-хроматографом SepaBean Machine Т, открывающим для нас новые возможности как в органическом и полимерном синтезе, так и в анализе природных вод.
— И каковы результаты?
— Их подводить рано. Работа продолжается. Такие пластики, как полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, при механической деструкции в воде (истирание камнями) образуют в основном микрочастицы. В зависимости от жесткости пластика концентрация наночастиц разная, но она при истирании в течение четырех дней под слоем воды в 12 см не превышала 13 мг/л.
В естественных условиях возможные концентрации нанопластиков будут ниже по причине неполного покрытия дна водоема пластиком, распределения наночастиц во всем объеме воды, удаления пластика течением. Кроме того, непрерывное круглосуточное механическое воздействие под водой у дна маловероятно.
Мы оцениваем верхнюю границу концентраций нанопластика в природной воде как 0,01 мг/л. Это довольно малая величина, и, как показали наши эксперименты, она не влияет на достаточно развитые многоклеточные организмы рыб или моллюсков, привыкших сталкиваться с наночастицами в неорганической взвеси и вирусах.
С другой стороны, такие важные фотосинтезирующие организмы, как диатомеи и динофлагелляты, создающие значительную часть кислорода и органических веществ на Земле, подвержены действию нанопластика. В диатомеях, живущих в кварцевых экзоскелетах, частицы нанопластика могут блокировать поры, через которые клетки обмениваются с окружающей средой. Динофлагелляты захватывают нанопластик, путая его с органической пищей, что способно приводить к их гибели. Также в зоне риска губки, фильтрующие через свой организм огромное количество воды и живущие за счет симбионтов, которые включают тех же диатомей и динофлагеллят.
В общем, ситуация именно с нанопластиком не представляется катастрофической, не потому что он безвреден, просто его еще не слишком много в окружающей среде. Но расслабляться нельзя, надо продолжать лабораторные и полевые исследования, уделяя особое внимание фильтрующим организмам и одноклеточным гетеротрофам, образ питания которых предполагает поглощение наночастиц из окружающей среды.
— Расскажете о планах на будущее.
— Продолжать работать… При выполнении проекта РФФИ получено много материала, который надо обрабатывать, осмысливать, формулировать для научных статей. Результаты по диатомеям и динофлагеллятам опубликованы, на очереди губки, моллюски, Danio rerio.
Сейчас совместно с коллегами из Байкальского музея СО РАН изучаем взаимоотношения пластиков, включая наночастицы, с грибами и близкими к ним видами. И тут следует изучить не только токсичность пластиков, но и возможность утилизации их этими организмами.
С использованием нового оборудования, приобретенного благодаря поддержке Минобрнауки, планируем разработать новые методики анализа вод озера Байкал для регистрации наночастиц, концентрирования и определения биополимеров, органических загрязнителей.
Беседовал Андрей СУББОТИН
Фото предоставлены В.Анненковым
Нет комментариев