В НовГУ провели исследования свойств микропластика. Ученые выяснили, что крошечные пластиковые частицы впитывают ионы тяжелых металлов и могут доставлять их в организм человека. Работа дает понять, почему даже незаметные глазу фрагменты пластика представляют серьезную угрозу.
Автор исследования — аспирантка Химико-технологического института НовГУ Елизавета Штро.
Ученые отмечают, что к 2060 году производство пластика вырастет до 1,2 миллиардов тонн, тогда как в 2019 году этот показатель составлял 460 миллионов тонн. То есть количество пластика за 41 год увеличится почти в три раза.
При этом сейчас перерабатывается только 9%, остальное загрязняет планету. Под воздействием солнца, ветра и воды пластик распадается на мелкие кусочки. Микропластиком называют частицы размером менее 5 миллиметров. Их находят повсюду: в океане, в городах и даже на вершине Эвереста.
Эти частицы попадают и в организм человека с продуктами питания и с воздухом. Особенно много микропластика в бутилированной воде: исследования показали, что микрочастицы есть в каждом образце.
Самые мелкие фрагменты — размером меньше микрометра — способны проникать через защитный барьер между кровеносной системой и мозгом и повреждать клетки. Но, как выяснили новгородские ученые, это не единственная опасность.
— Для оценки рисков нужно изучать не только влияние самих пластиковых частиц, но и их способность переносить другие загрязнители, — рассказала Елизавета Штро. — В последние годы окружающая среда все сильнее загрязняется тяжелыми металлами. Они накапливаются в живых организмах и при долгом воздействии вызывают неврологические нарушения, болезни печени, почек и сердца. А мышьяк, кадмий, хром и никель вообще признаны канцерогенами первой группы.
Исследователи синтезировали частицы полистирола (пластика) трех размеров — 150 нанометров, 300 нанометров и два микрометра. Для сравнения: нанометр в тысячу раз меньше микрометра, а толщина человеческого волоса — около 80 микрометров. Перед экспериментами частицы тщательно очистили от посторонних примесей с помощью выпаривания и центрифугирования.
Химический анализ показал, что поверхность частиц покрыта различными химическими группами, которые способны захватывать ионы металлов. Это сульфатные, гидроксильные, циано- и амидные группы — своего рода молекулярные крючки.
Изучая, как частицы поглощают ионы меди и кадмия из растворов, исследователи заметили важную закономерность. Чем меньше размер частицы, тем быстрее и активнее идет поглощение. Это можно объяснить простой физикой: у маленьких частиц больше площадь поверхности относительно объема, а значит, больше места для захвата ионов.
— Для обоих ионов — меди и кадмия — наблюдается снижение максимальной адсорбционной емкости с увеличением размера частиц полистирола, — отметила Елизавета Штро. — Это напрямую связано с удельной поверхностью: чем меньше частица, тем больше площадь контакта с раствором. Частицы полистирола показали более высокую способность поглощать ионы кадмия по сравнению с ионами меди. Причем это характерно для всех размеров частиц.
Ученые проверили, как температура влияет на процесс. Опыты при 20 и 40 градусах показали, что медь закрепляется на поверхности пластика за счет физических сил, а кадмий вступает в более сложное химическое взаимодействие. При этом энергия, необходимая для запуска процесса, остается невысокой — это говорит о смешанном механизме поглощения.
Для обоих металлов характерна еще одна закономерность: с увеличением размера частиц скорость поглощения падает. Крупный пластик работает медленнее мелкого. Ученые изучили момент, когда частицы впитали максимальное количество металла, и на основе этих данных построили специальные графики — изотермы адсорбции.
— Самый высокий показатель соответствия среди всех моделей показало уравнение Фрейндлиха, — объяснила Елизавета Штро. — Это как раз говорит о том, что частицы оседают на поверхности с разными по энергии участками. Значения показателя n, который отвечает за интенсивность поглощения, больше единицы во всех опытах, а это означает, что процесс идет хорошо. Близость n к единице, особенно для меди, показывает почти прямое соотношение при малых концентрациях: чем больше металла в растворе, тем больше его оседает на пластике.
Полученные результаты заставляют по-новому оценить угрозу микропластика. Фрагменты размером меньше 130 микрометров способны проникать в ткани, вызывать воспаление и выделять токсичные вещества, добавленные при производстве. Микропластик — это активный собиратель ядов, который накапливает тяжелые металлы из окружающей среды и доставляет их прямо в организм.