Прилипшие к микропластику загрязняющие вещества наносят вреда больше, чем он сам

Фото из открытых источников

Микропластик переносит загрязняющие вещества и гены устойчивости через воду, почву и воздух, где химические вещества и бактерии усиливают действие друг друга. Результаты исследования были опубликованы в журнале Energy & Environment Nexus.

В течение многих лет тревога по поводу микропластика касалась самого пластика, а не загрязняющих веществ, которые он содержит. Эти крошечные фрагменты достаточно малы, чтобы их могла проглотить рыба, дождевой червь или человек. Новые исследования показывают, что зачастую проблема заключается в меньшей половине самого пластика.

Опираясь на более чем 150 опубликованных исследований, группа ученых из Цзянсийского сельскохозяйственного университета описывает микропластик как подвижный переносчик загрязняющих веществ.

Фрагмент собирает пестициды и металлы в одном месте, покрывает их пленкой бактерий и осаждает их в другом месте.

Химические вещества и микробы не просто перемещаются вместе. Каждое из них улучшает способность поверхности удерживать другое. Именно этот цикл, по словам авторов, часто упускается из виду.

Цзинлян Ши, ведущий автор исследования, заявил, что перенос загрязняющих веществ между водой, почвой и воздухом является частью деятельности частиц. Оценка риска предполагает его учет.

«Микропластик не следует рассматривать как отдельные частицы в окружающей среде», — сказал Ши. «Они могут взаимодействовать с химическими веществами и микроорганизмами, переносить их между различными средами и, при определенных условиях, усиливать их экологическое воздействие».

Ши добавил, что для реалистичной оценки рисков крайне важно понимать, когда эти процессы становятся доминирующими.

Это обзор экспериментов, результаты которых уже были опубликованы другими группами, и большинство из них проводились в резервуарах и горшках, а не в реках или сельскохозяйственной почве.

Микропластик — это фрагменты пластика размером от одного микрометра до 5 мм, поверхность которых притягивает химические загрязнители, плохо растворяющиеся в воде. На них скапливаются пестициды, промышленные соединения и тяжелые металлы, а также добавки, входящие в состав пластика в процессе производства.

Группа исследователей под руководством Эммы Тойтен описала этот процесс в три этапа. Частица захватывает загрязнения извне тела, животное проглатывает её, а кишечник удаляет то, что прилипло к ней.

Пищеварительная жидкость делает это гораздо эффективнее, чем вода, поэтому проглоченный фрагмент передает больше содержимого дальше, чем тот же фрагмент, лежащий в реке.

Масштаб определяет, имеет ли это значение. Там, где вода и пища уже загрязнены, пластик переносит лишь небольшую часть того, что поглощает существо. Позже Коэльманс и его коллеги установили пороговое значение, представляющее интерес, на уровне 10% от всего, что оно съедает.

В чистых местах, включая открытый океан и полюса, основным путем распространения становится пластик.

При размерах меньше одного микрометра правила меняются. Фрагменты такого размера называются нанопластиком, и они не ограничиваются стенкой кишечника.

Обычный микропластик пропускает содержащиеся в нем химические загрязнители только через кишечник. Нанопластик же проникает через слизистую оболочку кишечника, попадает в кровь, достигает печени, а затем обнаруживается в селезне и головном мозге, где все переносимые им вещества высвобождаются внутри органов.

Химический состав пластика тоже имеет значение. Полистирол, используемый в пенопластовых стаканчиках, собирает кольцеобразные загрязняющие вещества в 2–47 раз сильнее, чем полиэтилен или полипропилен.

Солнечный свет и абразивный износ увеличивают количество богатых кислородом химических групп в частице в два-десять раз, и эта более шероховатая, более реактивная поверхность удерживает больше загрязнений, чем свежая.

Фрагмент пластика в воде начинает накапливать микробы в течение нескольких часов. За несколько недель на нем образуется полноценная биопленка, и сообщество микроорганизмов, обитающих в ней, не соответствует микроорганизмам в окружающей воде, а также в песке и древесине поблизости.

В 2013 году Эрик Зеттлер и его коллеги назвали это сообщество пластисферой. Некоторые из его обитателей полезны, в том числе бактерии, расщепляющие углеводороды. Другие — нет. Бактерии Pseudomonas aeruginosa и виды Vibrio колонизируют пластик и оба вызывают заболевания.

Слизь, которую бактерии выделяют вокруг себя, делает то, чего не может сделать голый пластик. В одном исследовании с использованием методов визуализации было обнаружено, что более 78% загрязняющих веществ, прикрепленных к частице, находились внутри этого слоя слизи, при концентрации в 112–143 раза превышающей концентрацию в окружающей воде.

Бактерии обмениваются генами друг с другом, и их концентрация на одной поверхности облегчает этот обмен. Гены устойчивости к антибиотикам перемещаются аналогичным образом, поэтому авторов больше беспокоит пластисфера, чем сами патогены.

В одном эксперименте частицы полистирола и ПВХ увеличили количество генов устойчивости в 1,41–2,84 раза. Медь, прикрепленная к частице, увеличила перенос генов в 3,7 раза, а антибиотики и металлы вместе — в 2–5 раз.

В течение 88 дней в приливной реке происходило разделение пластиков. ПВХ постоянно накапливал гены устойчивости, в то время как биоразлагаемый пластик PLA показал резкий скачок в середине процесса разложения.

Результаты лабораторных и полевых исследований не совпадают. Эксперименты показали, что перенос генов происходит в 2–20 раз быстрее на пластике, а большинство исследований реальных водоемов не выявили явного увеличения скорости.

Именно из-за этого пробела устойчивые к лекарствам бактерии на пластике до сих пор рассматриваются как фактор риска, а не как измеримый вред.

Вот часть, приписываемая самим авторам. Химические вещества и бактерии на частице — это не две параллельные проблемы. Химические вещества влияют на то, какие бактерии выживут, а бактерии изменяют то, что может удерживать поверхность.

Металлы и органические загрязнители на поверхности уничтожают микробы, которые не переносят их, и оставляют те, которые переносят.

Выжившие организмы выделяют больше слизи, которая поглощает на 40–170% больше органических загрязнителей, чем чистый пластик, и изменяет способ связывания металлов. Большее количество химических веществ означает более устойчивое сообщество, а более устойчивое сообщество означает больше химических веществ.

В одном исследовании была прослежена вся цепочка реакций с участием меди. Метаболизм бактерий изменился, производство слизи увеличилось в 2,4 раза, а скорость передачи генов устойчивости друг другу возросла в 3,1 раза.

Авторы выделяют четыре условия, при которых этот цикл имеет наибольшее значение. Загрязнение, слишком слабое, чтобы что-либо уничтожить, но достаточно сильное, чтобы способствовать отбору микроорганизмов, которые его переносят. Слизь, составляющая более 60% биопленки.

К этому следует добавить две характеристики самого пластика: частицы, достаточно старые, чтобы подвергнуться сильному воздействию погодных условий, и период воздействия, длящийся более 30 дней.

Более 85% экспериментов по адсорбции, описанных в литературе, проводились с использованием одного загрязняющего вещества в сверхчистой воде. В реальной воде поведение иное.

Инсектицид фипронил прилипает к полиэтилену на 40–60% меньше в речной воде, поскольку растворенные органические вещества и соли первыми достигают поверхности.

Наибольший разрыв представляет собой время. Практически ни один набор данных не превышает 90 дней, поэтому медленное воздействие низких доз облучения в реальной реке практически не исследовалось. Ни одна модель пока не учитывает потепление и повышение солености океана.

Одна группа исследователей начала работу над этой проблемой. Модель, обученная на 132 наборах данных со всего мира, правильно определила скорость передачи генов резистентности в 89,1% случаев.

Три фактора имели наибольшее значение: степень износа пластика, количество содержащихся в нем загрязнений и количество разросшейся на нем биопленки.

Никто не определил точку, в которой река переносит достаточное количество пластика, чтобы эффект переносчика начал скорее усугублять вред, чем усугублять его.

Чтобы его обнаружить, необходима длительная работа в полевых условиях. Это также означает, что нужно знать, сколько пластика находится в окружающей среде, а этот подсчет еще никто не завершил.