Стало известно, как крошечные пластмассы попадают в окружающую среду

Исследователи из Университета штата Вашингтон выяснили, как крошечные пластмассы проникают в окружающую среду.

Исследователи из Университета штата Вашингтон выявили алгоритмы, по которым крошечные кусочки пластиковых пакетов и пенопластовой упаковки перемещаются по окружающей среде.

Ученые обнаружили, что поверхность кремнезема, такая как песок, мало влияет на замедление движения пластмасс. Однако органика, образующаяся в результате разложения останков растений и животных, может эффективно задерживать наноразмерные частицы пластика в зависимости от их типа.

Новая работа сделана с целью помочь исследователям разработать более эффективные способы фильтрации и очистки проникающих пластмасс из окружающей среды.

Мы планирует разработать фильтр, который будет более эффективным при удалении пластмасс. Мы видим, что нынешняя система питьевой воды недостаточно адекватна для удаления этих микро-и наноразмерных пластмасс.

Индранил Чоудхури, доцент кафедры гражданского и экологического проектирования Вашингтонского университета

В рамках нового исследования авторы изучили, как взаимодействуют с окружающей средой частицы двух наиболее распространенных типов пластмасс: полиэтилен и полистирол.

Полиэтилен используется в пластиковых пакетах, молочных упаковках и для сохранения пищевых продуктов, в то время как полистирол — это вспененный пластик, который используется в пенопластовых стаканчиках и упаковочных материалах.

В своей работе исследователи обнаружили, что частицы полиэтилена из пластиковых пакетов легко перемещаются по окружающей среде — будь то поверхность кремнезема или песок. Песок и частицы пластика отталкиваются друг от друга, как однополярные магниты. Однако пластиковые частицы прилипают к перегною. Полистирол можно также эффективно задержать с помощью чернозема.

Как сделать биоразлагаемый пластик действительно биоразлагаемым

Сгнить быстрее полимерной плёнке помогут специальные капсулы с ферментом.

С каждым годом в мире производится всё больше пластика. И всё больше пластика отправляется на свалку вместе с другими отходами. Какое-то его количество попадает во вторичную переработку, но существенная часть полимерных отходов вместе с пищевым мусором оказывается погребённой на мусорных полигонах. Обычные полимерные материалы, вроде полиэтилена или полипропилена, не разлагаются от слова совсем и способны столетиями пролежать в почве без каких-либо качественных изменений. Но можно ли сделать так, чтобы пластик гнил?

Сгнить быстрее полимерной плёнке помогут специальные капсулы с ферментом.

Модифицированная капсулами с ферментами полилактидная плёнка (слева). Справа - она же после трёхдневного компостирования. Фото: Christopher DelRe, UC Berkeley, Phys.org

Можно, хотя с этим не всё так гладко, как хотелось бы. Вместо условно вечного полиэтилена можно взять биоразлагаемый пластик на основе полилактида – полимера молочной кислоты. В отличие от полиэтилена, который несъедобен для большинства микроорганизмов, желающих «съесть» полилактид намного больше. Однако на практике биоразлагаемые пластики оказались не такие биоразлагаемые. Всё дело в том, что для их разложения необходимы определённые условия, которые в реальности мало кем соблюдаются на свалках и мусорных полигонах. В результате «биоразлагаемый» пакет, закопанный под многометровым слоем смешанных отходов, будет гнить очень и очень медленно. Процесс можно ускорить, сделав пластик более «съедобным», но тогда мы проиграем в прочности изделий из такого пластика: те же пакеты будут часто рваться, либо их придётся делать толще и тратить на производство лишнее сырьё.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли придумали, как сделать так, чтобы пакет из полилактида мог быть одновременно и прочным, и максимально биоразлагаемым. Для этого они добавили в полимерный материал фермент протеиназу К, способный разлагать полилактид до молекул молочной кислоты. Но если, что называется, «пустить козла в огород», т.е. добавить фермент к веществу, которое он должен разлагать, как тогда добиться того, чтобы такой пакет не развалился на кусочки ещё на полпути из магазина домой?

Для этого фермент должен пребывать «в спячке», пока пакет используется по назначению, и пробудиться, когда пакет превращается в мусор и попадает на свалку. Такого поведения от фермента можно добиться, если поместить его в капсулу – оболочку из специального полимерного материала, чувствительного к изменению среды, например, к повышению температуры и влажности. Оболочка не только защитит полилактид от фермента, но и сам фермент от того, чтобы он не пришёл в негодность раньше положенного времени. У исследователей получилось изготовить плёнку, которая вела себя, как обычный пластик при комнатных условиях, но у которой «включался» режим биоразлагаемости при попадании в среду с повышенной температурой и высокой влажностью. Похожие условия создаются, например, при промышленном компостировании органических отходов.

Подобный подход можно применять не только к плёнкам, но и к другим материалам, наделяя их способностью к биоразложению при определённых условиях. С одной стороны, это поможет снизить загрязнение окружающей среды пластиковыми отходами. С другой стороны, лучше, когда все образующиеся отходы идут на вторичную переработку, которая позволяет сохранять ресурсы, затрачиваемые на создание нового материала. И здесь «умные» материалы будут мешать получать качественное сырьё за счёт разнообразия своего химического состава. Пока что существует тенденция к использованию биоразлагаемых полимерных материалов там, где их вторичная переработка была бы невыгодной, например, для пластиков, сильно загрязнённых пищевыми отходами. По мере совершенствования системы разделения мусора и создания новых материалов, можно будет сдвигать этот баланс в ту или иную сторону для экономии ресурсов нашей планеты.

Ученые придумали способ переработки пластика, который сложно использовать повторно

Ученые из США придумали способ переработки пластика в полезные материалы. Их сразу можно использовать в качестве реактивного или дизельного топлива и смазочных материалов.

Исследователи объяснили, что миллионы тонн пластика ежегодно попадают на свалки. Это большая социальная проблема и еще большая экологическая угроза Земле. При этом в США перерабатываются менее 9% пластиковых отходов. А 75% отходов попадает на свалки и 16% — сжигается, в результате чего в атмосферу выбрасываются токсичные газы.

Исследователи из Центра инноваций в области пластика при Делавэрском университете (CPI) в США разработали прямой метод преобразования одноразовой пластиковой упаковки (пакеты, упаковки из-под йогурта, пластиковые бутылки, крышки от бутылок и другие) для использования в качестве реактивного или дизельного топлива и смазочных материалов.

Исследователи использовали новый катализатор и уникальный процесс для быстрого разрушения трудно перерабатываемых пластмасс — полиолефинов. На их долю приходится 60-70% всех производимых сегодня пластмасс.

Группа исследователей использовала химический процесс, который называется гидрокрекинг, для разрушения пластиковых твердых частиц на более мелкие молекулы углерода. Затем они добавили молекулы водорода, чтобы стабилизировать материал для дальнейшего использования.

Однако ученые отмечают, что их метод не просто разрушает уже использованный пластик. Он также преобразует материал в разветвленные молекулы, что позволяет быстрее трансформировать его в конечный продукт.

«Сразу после обработки молекулы можно использовать для высококачественных смазок или топлива», — отмечают ученые. При этом сам катализатор представляет собой гибридный материал, сочетание цеолитов и оксидов металлов.

Американские ученые создали биоразлагаемый пластик. Он полностью распадается в воде или компостной яме за несколько дней

Ученые из Калифорнийского университета в Беркли создали биоразлагаемый пластик, который за несколько дней полностью распадается в компосте или воде. Материал можно утилизировать в домашних условиях, пишет Science News.

Этого удалось добиться, встроив в обычный пластик ферменты, которые разрушают его до нетоксичных молекул — вредных частиц микропластика не осталось. Ферменты составляют всего 0,02% от веса материала, поэтому его свойства не ухудшаются. Из такого пластика можно делать экологически чистую упаковку для еды и одноразовую посуду.

С 1950-х годов человечество создало больше 6,3 миллиарда тонн пластиковых отходов. Люди переработали только 9% от этого объема, еще 12% — сожгли. Остальной пластик отправился на свалки, откуда попадает в экосистемы.

Ученые уже подали заявку на патент, а один из соавторов работы основал стартап для коммерциализации технологии. «Мы хотим, чтобы такой пластик использовался в каждом продуктовом магазине», — заявили химики.

Китай отказался принимать японский пластиковый мусор: к чему это приведёт?

Китай, который был одним из крупнейших импортёров пластикового мусора, объявил о планах запрета на ввоз таких отходов. Не приведёт ли это к кризису утилизации мусора в Японии?

Японский экспорт пластиковых отходов в Китай начал резко сокращаться в 2018 году. Япония производит около 9 миллионов тонн пластикового мусора ежегодно, из которых около 1,5 миллиона тонн вывозят из страны. До недавнего времени 60–70% этого объёма приходилось на Китай.

В течение многих лет в качестве дешёвой альтернативы изготовлению пластика из нефти Китай импортировал и перерабатывал пластиковые отходы из более богатых стран. Однако такие отходы зачастую имеют слишком низкое качество для переработки из-за загрязнения другими типами отходов или продуктами питания. В 2017 году правительство Китая неожиданно объявило, что оно будет запрещать импорт пластиковых отходов.

С 2018 года Япония экспортировала больше пластиковых отходов в Тайвань, Малайзию и Таиланд, чтобы компенсировать сокращение экспорта в Китай, однако эти страны испытывают всё больше проблем из-за своей роли свалки для стран первого мира, так что они тоже постепенно сокращают импорт отходов.

В ситуации, когда возможности экспорта пластиковых отходов приближаются к своему пределу, японским потребителям придётся сокращать количество пластиковой упаковки и перерабатывать отходы более эффективно.

Борьба с загрязнением моря частицами микропластика: Митида Ютака и проект «Отходы в океане»

Миякэ Рэйко [Об авторе]

Океанолог Токийского университета Митида Ютака рассказывает о возглавляемом им проекте комплексных исследований, посвященном изучению масштабов распространения и воздействия микропластика в мировом океане.

Сообщения о загрязнении пластиковыми отходами нетронутых вод или нанесении вреда морским животным помогли повысить осведомлённость общественности о серьезном влиянии привычек потребителей на морскую среду. На саммите G20 в Осаке, состоявшемся в июне 2019 года, мировые лидеры сделали многообещающий шаг по направлению к защите океанов от мусора, поставив перед собой смелую цель – полностью исключить попадание пластикового мусора в мировой океан к 2050 году.

Учёные постепенно продвигаются вперёд в понимании масштабов проблемы морских пластиковых отходов, но работа над такими аспектами как микропластик только начинается. Исследования показали, что под воздействием ультрафиолетового излучения и волн большие куски пластика разрушаются, образуя сверхтонкие фрагменты размером менее 1 квадратного миллиметра. Однако исследователям еще предстоит выявить механизмы распространения микропластика в океане, а также определить степень воздействия крошечных частиц на гидробионты и человека.

Недавно Университет Токио и Nippon Foundation запустили совместный проект, рассчитанный на три года и объединивший специалистов из самых разных областей. Цель проекта – консолидация научных знаний о микропластике в мировом океане и подготовка рекомендаций по решению проблемы. В команду проекта входят около 50 экспертов в таких разнообразных дисциплинах, как сельское хозяйство, инженерия, экологические исследования, юриспруденция, политология и океанография, а также преподавательские составы Токийского сельскохозяйственно-технологического университета и Киотского университета. Я встретился с координатором проекта, профессором Митидой Ютакой, который возглавляет Центр международного сотрудничества при Институте атмосферных и океанических исследований Токийского университета, чтобы поговорить о проблемах и ожиданиях от проекта.

–– В 2016 году Всемирный экономический форум обнародовал пугающий прогноз: к 2040 году в океане будет столько же пластикового мусора, сколько и гидробионтов. Насколько нам стоит беспокоиться из-за этого?

Профессор Митида Ютака из Института атмосферных и океанических исследований Токийского университета

–– Безусловно, доклад стал откровением, но трудно понять, что это означает на самом деле. Люди могут наблюдать в воде стаи рыб, но вряд ли подозревают, сколько живых существ обитает в мировом океане.

Единственный способ полностью понять серьезность затруднительного положения, в котором мы находимся, - изучить, влияет ли морской пластик на ресурсы океана, и каково это влияние. Исследователи только приступили к изучению этой проблемы.

Понимание истинного воздействия пластмасс на окружающую среду осложняется их долговечностью. Под воздействием солнечного света и морской воды полимерные пластмассы распадаются на более мелкие фрагменты, но для полного расщепления бутылки от напитка или хозяйственного пакета могут потребоваться столетия. Это значительно превышает продолжительность жизни человека и затрудняет определение долгосрочного воздействия пластиковых отходов на морскую среду.

–– Микропластик стал модным термином, но мало кто понимает, что это за частицы. Почему так происходит?

–– Учёные всего мира заняты изучением микропластика, в том числе того, как его частицы распространяются в воде, и каково их влияние на морскую экосистему и здоровье человека. Но исследование микроскопических кусочков мусора на просторах мирового океана – дело непростое. Пройдет еще некоторое время, прежде чем у нас появятся окончательные выводы по этой проблеме.

–– Чем занимается ваша исследовательская группа?

–– Мы надеемся определить масштабы загрязнения океана микропластиком и выяснить степень его воздействия на живые организмы. В частности, мы хотим понять, как образуются частицы микропластика и как они распространяются в воде. Мы знаем, что морская вода и ультрафиолетовые лучи разлагают одну хозяйственную сумку на десятки тысяч мелких частиц. В связи с этим легко предположить, что в ведре с морской водой, взятой непосредственно из моря, содержится гораздо больше микропластика, чем в больших кусках пластиковых отходов. Однако у нас пока нет данных, чтобы доказать это.

Тем не менее, может оказаться, что мы найдем лишь небольшое количество микропластика. В этом случае нужно будет выяснить причину. Три наиболее правдоподобных объяснения состоят в том, что микропластик прилипает к «морскому снегу» – материалу, состоящему из остатков разлагающихся организмов и фекалий, – и опускается на морское дно, откуда попадает в морские организмы или растворяется в воде. Последняя гипотеза наименее вероятна, поскольку основой пластмассы являются нефтепродукты, а значит она вряд ли сможет постепенно раствориться в соленой воде, как, например, раковины моллюсков, состоящие из карбоната кальция.

Мой коллега профессор Цуда Ацуси из Института атмосферных и океанических исследований Токийского университета возглавляет исследование, в рамках которого изучаются способы распространения микропластика в океане. Его команда работает в бухте Сагами и в открытом океане в акватории Цусимы, где планирует брать пробы воды с поверхности и средней глубины, а также собирать осадок с морского дна. Затем в стерильных условиях с помощью инфракрасного микроскопа исследователи выяснят состав образцов.

Пробирки для отбора проб морской воды. Ученые на борту исследовательского судна открывают и закрывают контейнеры с помощью дистанционного управления

Цель проекта – узнать больше о вертикальном распределении частиц и определить, какой объем скапливается на дне океана. Микропластик в основном отличается гидроневесомостью и дрейфует на поверхности воды. Однако существует возможность прилипания мелких фрагментов микропластика к другим объектам и оседания этих частиц на морском дне. Исследования будут включать размещение на средних глубинах специальной сети для улавливания микропластика, опускающегося с поверхности. Полученные знания приблизят нас к пониманию масштабов проблемы.

–– Как насчет возможных последствий для здоровья человека?

Митида держит пробирку для отбора проб морской воды

–– Неизвестно, какой физический вред может нанести микропластик при попадании в организм. Профессор Сакаи Ясуюки из Департамента проектирования систем химической очистки Токио занимается изучением клеточного поглощения микропластика, чтобы определить, влияют ли частицы на иммунную систему.

Используя кишечные клетки, его команда сначала планирует определить, способен ли микропластик проникать через оболочку клетки. Гипотеза состоит в том, что если частицы вызывают иммунный ответ, это означает, что человеческое тело реагирует на микропластик как на инвазивную субстанцию. Однако, если реакция отсутствует, или если клетки просто утилизируют частицы посредством выделительной системы, мы можем сделать вывод, что микропластик не оказывает прямого воздействия на иммунную систему человека.

–– С вашей точки зрения, как именно будут использоваться результаты проекта для решения проблемы морской пластмассы?

–– Пластик обладает свойствами, которые делают его идеальным для использования в качестве упаковки. Однако, как и в случае с предметами медицинского назначения, большая часть производимой упаковки выбрасывается после однократного использования. В настоящее время эксперты призывают людей следовать принципам ответственного потребления, которые заключаются в трех словах – сокращение, повторное использование и переработка. Это один из реальных способов обуздать растущие объёмы пластиковых отходов. Из трёх принципов, на мой взгляд, пришло время серьезно рассмотреть первый – сокращение, то есть, ограничить нашу зависимость от пластика.

Наша группа также включает в себя специалистов в области права и политологии, которые планируют рассмотреть политику и стратегии по сокращению объемов используемого пластика и по переработке пластиковых отходов, чтобы они не попадали в океан. Например, их опыт может помочь в определении критериев для создания конкретных систем или правовых рамок.

Мы уверены, что, сохраняя нейтральную позицию в качестве исследователей и охватив широкий спектр мнений, включающих мнения представителей отрасли, мы сможем прийти к консенсусу о том, как наилучшим образом сократить потребление пластика.

–– Почему так важно привлекать специалистов из многих областей?

–– У каждого учёного, как правило, своя узкая специализация. Например, моё направление в океанографии – морские течения. С тех пор, как я стал учёным, каждый год я совершал множество исследовательских поездок, включая сотрудничество в качестве специалиста с береговой охраной Японии в двадцать с небольшим и работу в составе команды в Антарктике, когда мне было 28 лет. В конце 1980-х годов было нормальным находить далеко в море коряги и фрагменты деревьев. Однако к началу 2000-х годов плавник естественного происхождения уступил место большим кускам полистирола.

У специалистов из других областей есть свои вопросы, связанные с пластиком в океане. Мы стремимся к достижению целей нашего проекта, используя сбалансированный подход, который объединяет результаты исследований из различных областей знаний. Хотя мы пока только приступили к освещению проблемы микропластика, общество должно начать принимать меры по немедленному решению проблемы морских отходов. Я надеюсь, что по результатам проекта нам удастся предложить эффективные способы решения этой проблемы.

Фотография к заголовку: Профессор Митида Ютака из Института атмосферных и океанических исследований Токийского университета объясняет слайд с информацией о научно-исследовательской поездке в акваторию северо-восточной части Японии (все фото предоставлены автором)

Миякэ Рэйко

Автор научно-популярных работ о людях и обществе. Родилась в префектуре Кумамото в 1967 году. Пять лет жила в Пекине, где запустила проект Billion Beats, посвящённый историям жизни обычных китайцев.