Калининградские океанологи выявили механизм появления пластиковых отходов во льду Арктики.
Проблема утилизации пластиковой тары и других предметов из этого материала стоит перед человечеством уже давно. И что бы ни предпринималось, ситуация в корне не меняется. В океанах по-прежнему плавают целые острова из выброшенных предметов. Дело в том, что в окружающей среде нет процессов, которые бы могли «разобрать» химически инертные громоздкие молекулы синтетического полимера до простых веществ - газа и воды, вернув их в естественный круговорот веществ в природе. И, учитывая, что масштабное производство пластмассы началось в 1950-е годы, вполне очевидно, что вся эта масса, в основном раздробленная на частицы, никуда с нашей планеты не делась. И она только накапливается. Сейчас в мире синтезируют около 400 милллионов тонн пластика в год, причем этот показатель постоянно растет.
Вопрос в том, где «прячется» весь этот накопленный за десятилетия объем. Он сейчас волнует многих ученых, однако ответа пока нет. Почему? Свое объяснение на этот счет есть у ученых Атлантического отделения Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН, расположенного в Калининграде. Именно здесь, в лаборатории физики моря, изучают динамику микропластика в морской среде.
Рассказывает заведующая лабораторией, океанолог, гидрофизик, доктор физико-математических наук Ирина Петровна ЧУБАРЕНКО (на снимке):
«Подавляющая масса пластиковых предметов уже давно перешла в разряд микропластика - частиц размером менее 5 миллиметров. Они образуются прежде всего при разрушении этих вещей, когда они попадают не на мусорные свалки, а в окружающую среду, где растрескиваются под влиянием прямых солнечных лучей и перепада температур, механически разрушаются и в итоге через речную сеть попадают в Мировой океан. Мелкие фрагменты пластика также отслаиваются при изнашивании изделий - соприкосновении шин с дорожным покрытием, стирке вещей из синтетики и т. д.
Фото Ирины Чубаренко
Да, крупные пластиковые фрагменты видны сразу, и это дает шанс на их сбор и утилизацию. А вот мелкие частицы различимы лишь под микроскопом. Они распространяются незаметно и содержатся практически повсюду: в песке, воздухе, осадках, питьевой воде и многом другом. Микропластик обнаруживали даже во льдах Арктики и Антарктиды, в снегах Эвереста».
И это заставляет задуматься: насколько процесс опасен, откуда людям ждать беды?
И.Чубаренко убеждает меня: то, что пластик химически нейтрален и безвреден, еще не повод расслабляться. Ведь у человечества практически нет опыта жизни с таким феноменом. Орнитологи раньше всех подняли тревогу, обнаружив погибших птиц с забитыми пластиком желудками. Ведь птицы-родители зачастую кормят своих птенцов пластиком, обросшим разными вкусностями.
Исследования также показывают, что частицы микропластика - от нескольких сотен до десятков тысяч - ежедневно попадают в организм человека и сравнительно быстро выводятся из него. Однако окончательного ответа на вопрос, насколько микропластик опасен для человека, пока нет. Многое зависит от того, какой это вид пластика, содержит ли он пластификаторы и другие токсичные вещества. Более серьезные опасения вызывают частицы размером менее 1 микрометра - нанопластик, способный проникать в клетки организма и потенциально наносить им вред.
В общем, все это нужно тщательно изучать, чтобы как минимум оценить весь объем и детали потенциальной угрозы.
«Однако спрогнозировать “поведение” микропластика в глобальном масштабе пока невозможно. Под воздействием температуры окружающей среды, водорослей, осадков и ряда других факторов меняются размер, форма, плотность и другие параметры этих частиц. В итоге они начинают вести себя в окружающей среде совершенно непредсказуемо. Все это требует изучения. И мы в нашей лаборатории исследуем механику и процессы транспортировки, переноса и накопления пластика», - говорит И.Чубаренко.
И на этом пути науку еще ждут немало загадок и парадоксальных явлений. Одно из них наблюдается во льдах Арктики. Морской лед там сильно загрязнен микропластиком, в основном его частицами большего размера. Причем их на несколько порядков больше, чем в воде подо льдом. И это очень странно. Существуют пластики разной плотности. Некоторые из них тяжелее воды, и им по законам природы положено утонуть, а они удерживаются на поверхности и захватываются поверхностным льдом!
Чтобы понять движущие силы, стоящие за формированием такой специфической картины, в лаборатории были выполнены серии экспериментов по образованию льда из пресной и соленой воды, причем на дне используемых резервуаров изначально были распределены частицы разных размеров из тяжелых пластиков. И оказалось, что после замерзания воды во льду были захвачены около 50-60% таких частиц. Они реально всплывали!
Как было установлено, вытягивали пластик со дна образовавшиеся на нем пузырьки воздуха! Именно они создавали необходимую для всплытия подъемную силу. Но вот вопрос: почему именно пластик обладает таким свойством?
Как объяснили в лаборатории, пластик - это гидрофобный, т. е. плохо смачиваемый, отталкивающий воду материал. И если он находится в толще воды, то эта самая гидрофобность проявляется в том, что на пластике образуется много пузырьков газа, которые максимально возможно экранируют его от воды.
Но тут возникает новый вопрос: почему пузырек не отрывается от пластика и не всплывает? Здесь начинают работать довольно сложные электрохимические взаимодействия молекул пластика, газа и воды. Оказывается, иногда в силу кривизны поверхности материала пузырьку «выгоднее» быть «приклеенным» к пластику.
Дополнительные эксперименты показали, что на крупных фрагментах и волокнах одновременно растут несколько пузырьков, которые устойчиво обеспечивают всплытие частиц и их нахождение на поверхности. А вот мелкие частицы то всплывают, то погружаются. Дело в том, что на них в лучшем случае появится лишь один пузырек. При столкновении с поверхностью воды он чаще всего отрывается. Вот и разгадка того, что во льдах находят преимущественно крупные фрагменты. Прийти к такому выводу ученым помогли также данные из других областей знаний, включая исследования газонасыщенности океанских вод, применение методов воздушной флотации в минералогии и очистке стоков, влияние гравитационной конвекции, турбулентности и других факторов океанической среды.
«Создается грустное впечатление, что природа использует флотацию пузырьками для очистки океанских вод от пластиковых отходов точно так же, как это делают люди на своих очистных сооружениях», - рассказала Ирина Петровна.
Этот эффект, никогда ранее не описанный в мировой науке, был подробно представлен в работе калининградцев в научном журнале Science of the Total Environment. Соавторами статьи выступили коллеги И.Чубаренко по данным исследованиям - Ирина Бочерикова, Елена Есюкова, Игорь Исаченко, Анастасия Куприянова, Ольга Лобчук и Сергей Фетисов.
Калининградская лаборатория стала также единственной в мире, где экспериментально изучается, как микропластик взаимодействует со льдом с точки зрения его возможного старения в ходе цикла «замерзание - таяние». Да, вода, замерзая в трещинах скалы, способна разрушить самый крепкий камень. Но что при этом может произойти с пластиком, имеющим не такие свойства, как у природных материалов? Ответы на эти вопросы еще впереди.
«Мы гордимся тем, что в 2024 году благодаря поддержке РНФ по двум проектам нам удалось оснастить нашу лабораторию современным оборудованием. Ключевым моментом для исследований пластика и микропластика является то, как именно обрабатываются взятые образцы донных осадков и воды. Для этого у нас есть спектрометр, микроскопы, ламинарный шкаф, гидролотки, морозильная камера, специальное оборудование для взятия проб донных осадков и проб воды большого объема. Мы крепко стоим на ногах и намерены развивать эту область в сторону фундаментальных знаний.
Прежде всего речь идет о разработке параметризации, условий и критериев для приложения численных моделей к решению задач о микропластике, механизмах его переноса и накопления. Пока что в этой области сплошное белое пятно, многое еще непонятно. На поверхности Мирового океана плавает только один процент выброшенного пластика. Где находится остальной? Это еще загадка.
Сейчас лаборатория участвует в четырех грантах РНФ. Два из них - международные: с иранскими и китайскими коллегами. По проекту 25-17-00030 мы сотрудничаем с учеными из университета Шанхая. У нас с ними разные подходы к причинам дробления пластика в морях и океанах. Китайцы больше полагаются на приборы, спектрометры. Они считают, что вся фрагментация пластика в воде происходит из-за солнца: его свет разрывает в пластике молекулярные связи, и он «разваливается».
Мы же считаем, что пластик дробится в прибойной зоне. Да, под действием солнца он становится более хрупким, но фрагментация происходит именно при воздействии механической энергии волнения, особенно при накате волн на берег. Причем в планетарном масштабе этот процесс наиболее интенсивен именно в наших холодных широтах, где по понятным причинам ветра и поверхностное волнение существенно сильнее и имеются преимущественно скалистые берега. И мы сейчас горячо обсуждаем с коллегами этот вопрос», - сказала мне в конце нашей беседы Ирина Петровна Чубаренко.
Так получилось, что это интервью стало последним в жизни ученой. Когда материал готовился к печати, пришла печальная весть: Ирины Петровны не стало. В некрологе ИО РАН отмечается, что ее отличали безграничная преданность науке, высокий профессионализм, широчайший кругозор, редчайшая доброта, тактичность, деликатность и внимательность. Она была не только выдающимся ученым, но и мудрым наставником для молодежи.
С 1992-го по 2005 годы из-под ее крыла на Физтех (МФТИ) поступили более 50 выпускников из Калининграда. Ей были свойственны точность мысли, глубина понимания процессов, умение видеть систему целиком и одновременно работать с деталями. Она рассказывала о сложном ясно, простыми словами, ее научные труды отличались безукоризненным литературным слогом. На своем научном пути она сочетала фундаментальную теорию, численное и лабораторное моделирование, натурный эксперимент, последовательно развивая комплексный подход в изучении морской среды.
Приоритетами ее научных интересов были гидрофизика, геофизическая гидродинамика, гидродинамика прибрежных вод, конвекция, термогидромеханика взаимодействия шельфовых и открытых вод, физическая лимнология, процессы перемешивания, в том числе при переходе через температуру максимальной плотности. Последние ее работы касались транспорта частиц с переменными свойствами в водной среде, во льду и на границе вода - дно.
Будучи неординарной личностью, Ирина Петровна щедро и безвозмездно делилась своими идеями и опытом. Она автор более 180 научных работ и трех монографий, с 2015 года возглавила первую в России научную группу по изучению динамики микропластика в морской среде, и под ее началом коллектив добился значимых результатов и признания в мировом сообществе.
Геннадий Белоцерковский
Обложка: фото Елены Есюковой
