Грязный буй: динамика компонентов пластиковых отходов в океанической среде

Все мы прекрасно знаем, что загрязнение окружающей среды до добра не доведет. Особенно, если речь идет о загрязнении океанов и морей. Постеры, мотивирующие сортировать отходы и беречь океаны, часто демонстрируют кадры с запутавшимися в пластиковых пакетах рыбами, черепахами и дельфинами. Другими словами, мы видим физическое влияние мусора на жителей океана. Но не стоит забывать и о том, что пластиковый мусор содержит множество различных химических компонентов, влияние которых может оказаться куда разрушительнее. Ученые из Инчхонского университета (Южная Корея) изучили компоненты и добавки, присутствующие в пластиковых отходах, чтобы выяснить, как они могут влиять на окружающую среду. Какие компоненты опаснее, каково их влияние на окружающую среду, как меняется ситуация с течением времени, и какие выводы можно сделать из полученных данных? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В былые времена самым распространенным материалом для производства чего-либо была древесина: дома, мебель, посуда и даже оружие из дерева. С течением времени технологии и наука развивались, и на первый план вышел пластик. Этот материал легок, долговечен и устойчив к различным физическим и химическим воздействиям. Не удивительно, что по данным за 2018 год производство пластика достигло невероятных 359 миллионов тонн.

Вполне ожидаемо, что при таком объеме производства всегда присутствует такой же колоссальный объем отходов. И тут преимущества пластика становятся недостатками: он долго разлагается и легко распространяется как по воде, так и по воздуху (легкие пластиковые пакеты ветер может унести на десятки километров). Самый очевидный вред, который пластик может оказывать на флору и фауну, это физический: животное может запутаться в мусоре или проглотить его, что может привести к его гибели.

Однако есть и химическая сторона вопроса. В процессе разложения (даже столь медленного) выделяется множество химических соединений, которые оказывают пагубное влияние и на среду, и на ее обитателей. Кроме того, было установлено, что гидрофобные органические загрязнители концентрируются в пластмассах на несколько порядков больше, чем в окружающей морской (океанической) воде.

Во время производства пластиковых предметов используется множество добавок, необходимых для улучшения качества выходного продукта: красители, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, антипирены, антиоксиданты и т.д. К примеру, эфиры фталевой кислоты присутствуют в более чем 50% пластиковых продуктов. Естественно, эти добавки никуда не деваются, когда пластик оказывается в океане.

Полистирол (ПС), на который приходится 6.4% мирового производства пластмасс, широко используется в производстве упаковки, в строительстве, в сельском хозяйстве и даже в машиностроении и электронной промышленности. Мировое производство полистирола в 2010 году составило примерно 14.9 миллиона тонн, и прогнозировалось, что к 2020 году он будет расти со скоростью 5.6% в год. Азия является ведущим регионом в мире по производству полистирола — около 55.1% от мирового.

Полистирол бывает разный: вспененный полистирол (EPS), экструдированный пенополистирол (XPS) и твердый полистирол. В год в мире производится около 8.87 миллионов тонн EPS (по данным на 2012 год), из которых 66.6% приходится на Азию. К примеру, в Южной Корее, где базируются авторы исследования, в год производится порядка 2 миллионов буев, но лишь 28% из них извлекается из акватории после использования. Следовательно, буи из EPS (в том числе и обломки микро-, мезо- и макро-размеров) являются лидерами среди мусора, загрязняющего побережья Южной Кореи.

Помимо очевидных причин, полистирол опасен для окружающей среды еще и тем, что содержит весьма сильные загрязнители: гексабромциклододеканы (ГБЦД), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и т.д. В частности, олигомеры стирола (ОС) являются не просто непреднамеренными добавками в ПС, образующимися в результате побочных реакций во время полимеризации, но также побочными продуктами разложения полистирола.

Принимая во внимание, что химический состав ПС отличается от продукта к продукту, его отдельные добавки демонстрируют разную скорость выщелачивания* и испытывают разную динамику при взаимодействии с окружающей средой (сорбция/десорбция, испарение и разложение).

Выщелачивание* — преобразование компонентов твердого материала в раствор.

Следовательно, состав ПС в разных средах будет показывать разные профили разложения, что затрудняет идентификацию и оценку этого процесса и его влияния на среду. Ученые опять приводят в пример буи из EPS. Считается, что они являются основным источником ОС в морской среде, однако концентрации ОС на побережьях и в донных отложениях сильно отличаются. Потому остается неясно, может ли такое несоответствие быть связано с различиями в источниках ОС, различиями в их взаимодействии со средой или какой-либо другой причиной.

Чтобы определить влияние источника ОС и его динамики с окружающей средой на его распространение, в настоящем исследовании ученые провели лабораторные эксперименты по определению характеристик ОС в частицах буя из EPS и его фильтратов.

Результаты исследования

Изображение №1: карта, на которой указаны участки забора образцов для анализа.

Концентрации (Σ) ОС в пробах донных отложений, содранных для данного исследования, варьировались от 1.4 до 1460 нг/г (нанограмм/грамм) со средним значением: 671 ± 483 во внутренних ручьях (сектор-1); 216 ± 91 в ручье солончаковых болот (сектор-2); 97.1 ± 144 в озере (сектор-3); 57.4 ± 89.3 в прибрежной зоне за пределами озера (сектор-4).


Изображение №2

Самые высокие концентрации ОС (2а) наблюдались во внутренних ручьях промышленных комплексов (участки C3–C7), в среднем в девять раз превышая концентрации в озере (сектор-1). Два ручья (участки C1 и C2 сектора-1), идущие через городские районы (с численностью населения 656 811 человек в Ансане и 465 515 человек в Шихыне), и ручей солончаков (участки S1–S9 сектора-2), идущий через сельскохозяйственные районы, также показали в два-три раза более высокие уровни ОС, чем их водохранилище, озеро и прибрежный район, соответственно (2а). Несмотря на то, что самый высокий уровень концентрации ОС был обнаружен в ручьях, идущих через промышленные районы, на озерных участках в непосредственной близости к их водостокам не было столь высокой концентрации ОС.

Между тем, наиболее распространенные ОС в озере наблюдались на дальних внутренних участках (L1 и L2), куда поступают сбрасываемые воды ручьев (участки C1 и C2), текущих через полигон, сельскохозяйственные угодья и городской район. Из этого следует, что именно городские и сельскохозяйственные (а не промышленные) районы являются основными источниками ОС загрязнения озера.

На пляже, где были собраны пробы отложений приливно-отливной зоны (участок O10), присутствовало большое количество отходов EPS буев, в том числе и микрочастиц. Предполагалось, что этот мусор будет основным источником ОС загрязнения региона. Однако на удаленных от берега участках (O7 – O10) были обнаружены относительно низкие уровни ΣОС (1.40–3.76 нг/г), включая самые низкие уровни ОС на участке O10.

Органический углерод в отложениях можно рассматривать как фактор, влияющий на концентрацию гидрофобных соединений, таких как ОС. Однако содержания углерода в отложениях в этом районе не различались настолько сильно, чтобы повлиять на пространственное распределение ОС. Среднее содержание углерода в пробах составляло: 1.2 ± 0.6 % во внутренних ручьях; 1.1 ± 0.3 % в солончаковых ручьях; 0.9 ± 0.2 % в озере; 0.6 ± 0.3 % в прибрежной зоне.

Следовательно, концентрации ОС, нормализованные по содержанию углерода, шли в следующем порядке от наибольшего к наименьшему: внутренние ручьи (58.2 ± 44.9 мкг/г); солончаковые ручьи (19.7 ± 4.8 мкг/г); озеро (10.2 ± 14.9 мкг/г); и прибрежный район (8.5 ± 11.1 мкг/г).

В отличие от распределения ОС, распределение углерода было относительно равномерным по всем участкам в каждом секторе, за исключением участков O7 – O10. В результате не было обнаружено существенной разницы в пространственном распределении ОС между участками (2a) по отношению к углероду. Следовательно, на распределение и на уровень концентрации ОС в исследуемом регионе углерод не имеет никакого влияния.

Далее была произведена оценка распределения ОС по участкам в регионе забора образцов. Уровни ΣОС распределяются относительно равномерно между отдельными участками, будучи в пределах 8 для внутренних ручьев и 3 для солончаковых ручьев. Однако гораздо большие различия в 50 и 70 раз были обнаружены между участками озера и прибрежной зоны соответственно.

Самые высокие концентрации ОС как в озере, так и в прибрежных районах были обнаружены в дальнем внутреннем озере (участки L1 и L2) и в устье ручья (участки O1 и O2), соответственно. При этом концентрации ОС резко уменьшались с увеличением расстояния от этих участков (2а).

Тенденция к уменьшению SO с расстоянием в озере и прибрежной зоне хорошо объяснена уравнением распада первого порядка (т.е. ln(C_X/C₀) = — kd), где C_X и C₀ — нормализованные по углероду концентрации ОС на участке Х на изначальном участке, т.е. на дальних внутренних участках озера (L1) и в прибрежной зоне O1, k — константа распада (в данном случае константа разбавления) и d — расстояние от L1 или O1 до участка X.


Изображение №3

Анализ показал значительные корреляции между скоростью уменьшения ΣОС, ΣSD, ΣST (ОС — олигомеры стирола; SD – 2,4-дифенил-1-бутен; CT — 2,4,6-трифенилгексен) и расстоянием (d; км). К примеру, показатель разбавления (k) для ΣОС составил −0.305 для участков L1–L10 в озере и -0.206 для участков O1–O9 в прибрежной зоне. Расстояние, на котором ΣОС упало вдвое по сравнению с исходным участком (далее d_1/2), составило 2.3 км для озера и 3.4 км для прибрежной зоны. Это указывает на то, что сильное разбавление ОС произошло в водных резервуарах ниже по течению после их попадания через ручьи, расположенные выше по течению.

При этом отрицательная корреляция (-k) была значительно ярче выражена для более легких олигомеров стирола как из озера, так и из прибрежного региона: -0.328 для ΣSD по сравнению с -0.201 для ΣST в озере; и −0.212 для ΣSD по сравнению с −0.133 для ΣST в прибрежной зоне (графики выше). Соответствующие значения d_1/2 для ΣSD составили 2.1 км в озере и 3.3 км в прибрежной зоне, а для ΣST — 3.4 км в озере и 5.2 км в прибрежной зоне.

Следовательно, можно сделать вывод, что более легкие конгенеры* (SD) могли растворяться намного быстрее, чем более тяжелые (ST).

Конгенер* — вещество, которая является результатом какой-либо химической реакции (в данном случае это реакция распада пластикового мусора).

Далее была проведена оценка изменений концентрации компонентов пластикового мусора в донных отложениях (2b) в зависимости от расстояния.

На большинстве участков в олигомерах стирола преобладали SD, на долю которых приходилось 89 ± 10% ΣОС, за исключением участка O10, где ST были наиболее распространенными (59% ΣОС). Доля SD была относительно выше в наземных источниках (89 ± 8.8% ΣOС во внутренних ручьях и 94 ± 3.8% ΣOС в солончаковых ручьях) по сравнению с соответствующими им резервуарами ниже по течению (80 ± 13% ΣOС в озере и 87 ± 17% ΣOС в прибрежной зоне). SD-2 (2,4-дифенил-1-бутен) был наиболее распространенным конгенером для большинства участков (за исключением участка O10), составляя 85 ± 14% ΣОС и 95% ± 7.3% ΣSD. На участке О10 преобладал ST-1 (2,4,6-трифенил-гексен): 40% ΣOС и 68% ΣST.

Любопытно, что профиль состава ОС были относительно равномерны по всем наземным участкам, однако с увеличением расстояния сильно менялись на разных участках. Доли ΣSD снизились с 92% на внутреннем участке L1 до 69%–85% на внешних L9 и L10 и с 97% на участке O1 до 80–86% на O8 и O9. Это обратно пропорционально долям ΣST, которые постепенно увеличивались с 8.0% до 15–31% и с 2.8% до 14–20%, соответственно. Следовательно, отношение ST к SD-2 показало тенденцию к увеличению от внутреннего к внешнему участку озера и прибрежной зоны (2c).

Чтобы охарактеризовать происхождение олигомеров стирола в регионе исследования, были измерены уровни и профили состава ОС в EPS и его продуктах выщелачивания (изображение №4).


Изображение №4

Содержание ΣОС в частицах буя EPS, который еще не начал распадаться, составляло 1.45 ± 0.19 мг/г. ST составляли примерно 60.2 ± 3,4% от всего ΣОС с преобладающим ST-1 (40.6 ± 3.6%), затем следовали SD-2 (32.6 ± 2.6%) и ST-3 (9.9 ± 0.6%).

После пятидневного периода выщелачивания общая масса ОС в выщелоченных частицах EPS и фильтратах составила 14.95±0.76 мкг. Лишь 0.031 ± 0.004% от общего количества извлеченных ОС присутствовало в фильтратах выщелачивания с диапазоном 7.56–10.1 нг/л для ΣОС, а оставшаяся масса была обнаружена именно в выщелоченных частицах EPS.

Наиболее распространенным конгенером в фильтрате был SD-2 (70.9 ± 13.0%), за ним следовали SD-1 (12.6 ± 7.6%), ST-1 (5.1 ± 1.4%), SD-3 (3.9 ± 4.3%), SD-4 (2.6 ± 2.4%) и другие. Таким образом, SD составляют 90.1 ± 2.6% выщелоченных ΣОС. Следовательно, процесс выщелачивания обломков EPS высвобождает SD гораздо быстрее, чем ST.

Следующий этап исследования был нацелен на анализ главных компонентов (PCA от principal component analysis) для определения происхождения ОС.


Изображение №5

На изображении выше представлены результаты PCA для разных профилей ОС в образцах. Два основных компонента объясняют 96% общей дисперсии, большая часть которой приходится на PC1 (компонент №1; 88.4%).

График оценки PCA разделяет образцы на три кластера: группа-1 включала фильтрат EPS, отложения на внутренних и солончаковых ручьях и отложения на внутренних участках озера и в прибрежной зоне; группа-2 включала отложения на внешних участках озера и в прибрежной зоне; группа-3 включала свежие и выщелоченные частицы EPS и отложения участка O10.

Совокупность результатов PCA анализа показала, что группа-1 и группа-2, вероятно, были связаны друг с другом, показывая изменение состава ОС, вызванное разбавлением от внутренних участков (группа-1) к внешним (группа-2). Это означает, что даже если разбавление ОС сохраняется, его профиль состава не может быть таким же, как и профиль частиц EPS.


Изображение №6

В заключение ученые провели анализ данных по ОС из разных уголков планеты, взяв за основу предыдущие исследования. Уровень ΣSD-2 и ΣST-1 был в целом выше в отложениях пляжа, чем в донных отложениях, что может быть связано с накоплением обломков полистирола / EPS на пляже. Любопытно и то, что отношение ST-1 к SD-2 из других трудов демонстрирует ту же картину, что и в этом исследовании. Все отложения на пляже имели значения соотношения (т.е. 1.38–11.8), превышающие 1.25, обнаруженные в свежих частицах буев EPS, в то время как все донные отложения демонстрировали отношения намного ниже (т.е. 0.03–0.40), чем у частиц EPS, но близкие к его фильтрату. Этот результат подразумевает, что пляжные и бентические отложения могут представлять собой различные ОС, происходящие из разных источников (т.е. морских частиц EPS и их фильтрата).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые проанализировали факторы, влияющие на распространение олигомеров стирола (ОС) в морской среде, а также их источник и динамику взаимодействия со средой во время разложения. Для этого были изучены образцы донных отложений и частиц буев, сделанных из EPS (вспененный полистирол).

Самая неожиданная находка заключается в том, что промышленные районы были источниками далеко не самого большого объема ОС в континентальных водах. Куда больше ОС происходило из жилых и сельскохозяйственных регионов. Что касается прибрежной зоны, то тут основным виновником ОС загрязнения являются буи, два миллиона которых используется каждый год, но лишь 28% из них извлекаются после использования.

Однако, как заявляют ученые, ранее проводимая оценка экологической опасности того или иного пластикового мусора может быть ошибочной ввиду неточных измерений, которые могут возникать, если в образцах присутствуют частицы этого мусора. Другими словами, для точного анализа влияния загрязнителя на среду необходимо анализировать фильтраты, а не раствор. Суть в том, что разные компоненты пластикового мусора (например, SD — димеры ОС и ST — тримеры ОС) растворяются в воде с разной скоростью. Из-за этого их состав в прибрежных отложениях сильно отличается от того, что можно наблюдать в исходном материале (например, в пластиковых буях).

Было установлено, что ST, у которого молекулы более тяжелые и гидрофобные, как правило, оставался в мусоре и двигался в воде с меньшей скоростью, чем SD. Молекулы SD более легкие, а потому высвобождались из материала гораздо быстрее и, следовательно, лучше распространялись в водной среде. Это означало, что отношение SD к ST будет увеличиваться при удалении от источника загрязнения.

Ученые считают, что их находка может стать новым критерием для более точной оценки источников ОС и оценки экологического риска загрязнения того или иного региона. На основе данных, полученных в ходе таких исследований, можно будет сформировать новые правила по использованию определенных компонентов пластиковых продуктов, исключив или уменьшив использование тех, которые являются самыми «агрессивными» в аспекте распространения и последующего загрязнения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?