1.
2.
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
2.2.
2.2.1.
2.2.2.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
4.
4.1.
4.2.
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
4.3.
5.
6.
В последние десятилетия широкое потребление пластмасс во всем мире привело к серьезным экологическим последствиям. По имеющимся оценкам, в 2008 году на пластиковые фрагменты приходилось 60-80% всего морского мусора и 90% плавающих частиц (Moore, 2008), что делает пластик основным компонентом морского мусора. В 2014 г согласно UNEP (программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде) загрязнение океанов пластиком было отнесено к одной из десяти главных глобальных экологических проблем с ущербом для морской экосистемы, оцениваемым в 13 млрд. долл. в год (UNEP, 2014 г.).
Согласно имевшимся оценкам (Van Sebille et al., 2015), в 2015 году в океанах находилось 15-51 триллионов пластиковых фрагментов, что соответствовало общему весу 93000-236000 тонн. Спустя два года эта оценка была пересмотрена, и количество пластика составило более восьми миллионов тонн, поступающих в океаны каждый год (UNEP, 2017). Это означает, что ежегодное поступление пластмасс в океаны в 2017 году превысило более чем в 33 раза общее количество пластика, накопленного в океанах к 2015 году. Если обе оценки достоверны, то это свидетельствует о тревожных темпах ухудшения ситуации. Впечатляющими примерами загрязнения океанов пластиком являются мусорное пятно в Тихом океане, мусорное пятно в Северной Атлантике, и мусорное пятно в Индийском океане (Lebreton et al., 2018).
Пластмассы очень плохо разлагаются и могут оставаться в окружающей среде на протяжении веков. В течение длительного и медленного процесса разложения крупный пластиковый мусор с большой вероятностью разрушится до мезопластика (т.е. на мелкие пластиковые фрагменты размером 5-40 мм), микропластика (МП, пластиковые частицы размером 1-5000 мкм) (Thompson et al., 2004) и нанопластика (НП, пластиковые частицы размером не более 0,1 мкм) (Gigault et al., 2018), прежде чем произойдёт его полное разложение. МП и НП вызывают особое беспокойство, так как обладают следующими характеристиками, вытекающими из их малого размера: 1) они могут быстро и далеко перемещаться в окружающей среде; 2) они имеют большую поверхность, на которой могут быстро сорбироваться загрязнители и с которой могут высвобождаться сорбаты, и входящие в их состав химические вещества; 3) они могут легко проникать в пищевые цепочки и подниматься вверх по тропическому уровню вплоть до человека; и 4) они могут мигрировать через ткани животных.
По данной проблеме есть несколько превосходных обзорных статей и книжных глав. В сравнительно раннем обзоре Andrady (2011 г.) обсуждалось существование различных МП в морской среде, их деградация и токсичность. Затем в открытой книге, опубликованной в 2015 г., Кюн и др. (2015 г.) обсудили опасность крупного пластикового мусора, связанную главным образом с тем, что морские животные могут в нём запутаться, удушиться или проглотить его, тогда как Томпсон (2015 г.) в общих чертах обсуждал источники, последствия и возможные решения применительно к MP в морской среде. Ли и др. (2016 г.) кратко обсудили источники МП как часть пластикового мусора в океанах и их воздействие на морские организмы. И совсем недавно Огунола с сотр. (2018 год) резюмировали меры, которые были приняты для смягчения последствий воздействие МП на морскую среду. В этом обзоре впервые представлен всесторонний обзор источников, природы, переноса и распределения МП и НП в морской среде, а также системно обсуждаются их распространение через пищевые цепочки и возможные риски для здоровья животных и человека. Macroplastic litters are discussed when subject materials warrantee.
МП можно разделить на первичные и вторичные по их происхождению (рис. 1) (Li et al., 2016). Первичные МП - это те микропластики, которые попали в окружающую среду случайно либо преднамеренно сразу в виде микрогранул, микросфер, микроволокон и иных форм (Marnane et al., 2012; Vandermeersch et al., 2015; Gasperi et al., 2018; Dris et al., 2016). Эти МП являются целевыми продуктами, отходами производственных процессов, или возникают в результате эрозии и износа крупных пластиковых изделий, таких как шины, колеса, boards и т.д., в ходе их использования. Что касается вторичных МП, то они образуются при разрушении крупного или мезопластикового мусора в окружающей среде под действием физических, химических, и биологических сил (Zhang et al., 2016; Thompson, 2015), включающих в себя механические силы, тепло, ультрафиолетовый свет, окисление и биодеградацию. (Rillig et al., 2017). Большая часть МП в окружающей среде является вторичным, образовавшимся из крупного пластикового мусора.
Рис. 1. Взаимодействие МП и НП с другими загрязняющими веществами или организмами в окружающей среде.
Поскольку все человеческое население живет на суше, и большая часть человеческой деятельности осуществляется на суше, то естественно, что большая часть пластикового мусора, включая макропластики, МП и НП, попадает именно на землю. В результате большая часть как первичного, так и вторичного МП и НП в океанах происходит из наземных источников (Kershaw et al., 2011). Часто это происходит в результате неправильного обращения с отходами, незаконных сбросов, случайных и неизбежных сбросов в таких сферах деятельности, как строительство, производство, сельское хозяйство, бытовое потребление и отдых (Boucher and Friot, 2017).
Пластиковые отходы могут попадать в морскую экосистему непосредственно при осуществлении связанных с океаном видов деятельности, таких как судоходство, рыболовство и разведение аквакультур. (Kershaw et al., 2011). При этом отходы выбрасываются полностью сразу в океаны, что гораздо труднее контролировать, чем выброс наземного мусора. К счастью, подавляющая часть морского пластика имеет наземное происхождение. 98% первичного МП происходит из наземной деятельности, и только 2% обусловлены деятельностью, связанной с океаном (Boucher and Friot, 2017). Принимая во внимание тот факт, что большинство МП и НП образовано из макропластика, логично сделать вывод, что загрязнение океанов микро- и нанопластиком может быть значительно снижено путём совершенствования менеджмента наземных макропластиковых отходов (Terepocki et al., 2017). Наземные пластиковые отходы могут попадать в океаны тремя путями, а именно: 1) ветровыми (воздушными) путям; 2) почвенным путём (Wang et al., 2019a; He et al., 2018); 3) водным (речным) путём (Boucher and Friot, 2017). Водный путь является основным (Чжан и др., 2016). Пластиковые отходы попадают в реки из различных источников, таких как переполненные канализационные стоки, почвенные стоки, атмосферные (пылевые) осадки, отходы, создаваемые туристами, и т.д., и затем переносятся в океаны. Это хорошо демонстрирует тот факт, что в месте слияния двух или более рек часто наблюдается высокая плотность МП (Lots et al., 2017). В целом, удельная плотность пластиков ниже или примерно равна плотности воды, что позволяет значительной их части через реки достигать морей (Wagner и др., 2014). По ветровому пути пластиковый мусор может уноситься далеко от прибрежных районов и сбрасываться прямо на морскую поверхность. Однако такой перенос на дальние расстояния характерен лишь для МП и НП, за исключением особых случаев, таких как штормы и ураганы (Thompson, 2015; Sul и Costa, 2014). Пластиковый мусор почвенного происхождения, такой как сельскохозяйственная пленка, пластиковые упаковочные материалы для пестицидов и удобрений, оказавшись в почах вдоль береговых линий, может попадать в океаны вместе с дождевыми стоками, приливами и отливами (Horton et al., 2017; Duis and Coors, 2016; Ng et al., 2018). При попадании в океан МП может переноситься самостоятельно, либо совместно с макропластиком, как по горизонтали, так и по вертикали. На перенос влияют многие факторы, включая: 1) физико-химические характеристики пластиков (например, химический состав, поверхностный заряд, гидрофобность, плотность, размер и форма) (Alimi et al., 2018); 2) динамические условия океана (например, ветер, волны, течения, водные потоки, вихри, режим приливов и отливов, геострофическая циркуляция и термохалиновые градиенты); 3) геометрия океана (например, terrain и склон); 4) характеристики береговой линии (например, подстилающая порода, гравий, прибрежная растительность, биотурбация и поверхностный лед); 5) биологические взаимодействия (например, биообрастание и проглатывание морскими животными) (Zhang, 2017); и 6) деятельность человека (например, рыболовство, городское развитие и туризм) (Barnes et al., 2009).
Вполне естественно, что частицы малой плотности имеют тенденцию оставаться на поверхности воды и могут перемещаться быстро и далеко по горизонтали. Например, частицы вспененного полистирола (плотность 1,05 г/см3) оказались способны перемещаться через океаны при значительном ветровом воздействии (Ryan, 2014) и пересечь Балтийское море (около 250 км) за один день. Тогда как частицы тяжелых микропластиков склонны перемещаться почти вертикально. Например, 5-миллиметровые полиоксиметиленовые частицы с плотностью 1,6 г/см3 могли оседать, преодолевая толщу воды в примерно 250м в центральной части бассейна Готланда за 18 часов (Чубаренко и др., 2016).
Более того, МП могут напрямую или иным образом заглатываться морскими животными и переноситься на большие расстояния, особенно мигрирующими рыбами и птицами (Trevail et al., 2015; Lusher et al., 2015a; Hutton et al., 2008; Provencher et al., 2014).
К настоящему времени исследования по МП уже охватили все основные океаны, включая Тихий (Desforges et al., 2014), Северный Ледовитый (Lusher et al., 2015b), Атлантический (Kanhai et al., 2016) и Индийский океаны (Imhof et al., 2017). Некоторые из результатов представлены в таблицах 1, 2 и 3, и касаются распределения МП в пробах морской воды, отложений и животных, соответственно. Согласно полученным данным, за редкими исключениями, МП присутствуют, в этих океанах повсеместно.
Таблица 1
МП в пробах морской воды глобальных регионов.
МП в пробах морской воды глобальных регионов.
Следует отметить, что протоколы отбора проб, методики анализа и единицы измерения содержания МП еще предстоит стандартизировать. Следовательно, данные, обобщенные в вышеуказанных таблицах, можно сравнивать только на относительной основе.
Возьмем в качестве примера единицы измерения содержания МП. В случае воды и песков из донных отложений/пляжа в литературе используются следующие единицы измерения: 1) частицы (фрагменты) МП, отнесённые к единице площади (ч/м2), единице объема (ч/м3) или единице массы (ч/кг) образца или к единице площади (например, ч/пляж); 2) масса МП на единицу площади (г/м2), на единицу объема (г/м3 ) и на единицу массы (г/кг) образца. Применительно к животным содержания МП обычно представляется в виде частиц МП или НП, приходящихся на каждую особь (например, ч/N или ч/особь), на отдельный орган (например, ч/желудок или ч/кишечник), или на удельную массу образцов (например, г/кг).
Таблица 2
МП в пробах отложений глобальных регионов.
МП в пробах отложений глобальных регионов.
S-MPs: 0.02-1 |
S-MPs: 1400–62,800 ч/м2 |
|||||
1449 ч/ м2 |
||||||
492.5 ± 556.4 ч/ м3 2.1-2096.3 (346.8 ± 391.8) ч/м3 |
||||||
Август: 1.0 ± 0.8 ч/кг |
||||||
Кауку: 16206 ч/пляж |
||||||
Примечания: Единицы ч/м2, п/м3 ч/кг и ч/пляж – это частицы МП на единицу площади, объема и массы образцов или на участок отбора проб; единицы г/м2 г/м3 и г/кг или мг/кг означают массу MP на единицу площади, единицу объема и массу отдельного образца, соответственно. Символ "-" означает, что данные недоступны. Символ L-MP - крупный МП; S-MP - мелкий МП; PE - полиэтилен; PS - полистирол; PP - полипропилен; PA - полиамид; PEVA - полиэтиленвинилацетат; PAN - полиакрилонитрил; PVA - поливиниловый спирт; PES - полиэфирсульфоновые смолы; PUR - полиуретаная смола; UDP - неопределенные пластиковые частицы. *Месторасположения включают в себя Чжухай, Циньчжоу, Вэйчжоу, Бэйхай, Гонконг и Макао.
Таблица 3
(Микро-/нано-) пластики в образцах организмов.
(Микро-/нано-) пластики в образцах организмов.
Mytilus edulis: 0.2 ± 0.3 p/g |
|||||
Примечание: *Эффекты применимы только к результатам (НП), полученным в лабораторных исследованиях. Ч/инд означает частицы МП или НП, приходящиеся на отдельный организм; ч/желудок или ч/кишечник означают частицы МП или НП на орган, а единица измерения г/кг - частицы МП или НП на единицу массы образца. HDPE - полиэтилен высокой плотности; LDPE - полиэтилен низкой плотности; PSNPs - полистироловые нанопластики. Другие символы такие же, как и в таблице 2.
В настоящее время более 96% исследований, касающихся МП, связаны с морскими водами (Li et al., 2018). Человеческое население и его деятельность напрямую влияют на содержание МП и НП в океанах (Li et al., 2018). Однако, как показано в Таблице 1, не все воды, окруженные густонаселенными зонами, одинаково загрязнены. Например, пробы, взятые вблизи береговой линии Китая и Южной Африки в целом содержали гораздо больше МП, чем образцы, взятые у берегов Японии, Европы и Северной Америки. Сложно определить, насколько разница в степени загрязнения микропластиком в различных густонаселенных регионах, как приводится здесь, отражает состояние дел с менеджментом отходов в соответствующих странах. Тем не менее, стоит упомянуть, что пластиковый мусор в морской экосистеме является глобальной проблемой, и для её значимого смягчения требуется тесное сотрудничество и жёсткое соблюдение обязательств со стороны национальных и местных органов власти по всему миру.
Еще одним важным аспектом загрязнения МП является его быстрый рост. Например, согласно данным 1974 года (Колтон и др., 1974), в пробах воды из прибрежной зоны между Кейп-Кодом и Карибским бассейном в Атлантическом океане содержание МП было очень низким в 6,06 × 10-5 - 8,32 × 10-3 ч/м3. Однако спустя 43 года концентрация МП в пробах воды с соседнего побережья Луизианы резко возросла до 5,0-18,4 ч/м3 (США) (Mauro et al., 2017).
Пластики, особенно те, которые попадают в океаны по речному пути, обычно имеют плотность, схожую с плотностью воды, и поэтому склонны плавать на поверхности воды. Тем не менее, существуют тяжелые МП, которые образуются в океане или могут попадать в океаны почвенным или иным путём из прибрежных регионов. Они, как правило, имеют тенденцию оседать на дне моря. Более того, легкие МП могут образовывать крупные агломераты, что способствует вертикальному их переносу в глубину моря и попаданию в отложения. Были установлены положительные корреляции между МП в морских водах и донных отложениях (Zheng et al., 2019), а благодаря накопительному характеру медленно разлагающихся пластиков, содержание МП в отложениях обычно значительно выше, чем в вышележащем водном объёме (Song et al., 2019).
Чтобы лучше понять процесс накопления МП в окружающей среде, были изучены как пляжный песок, так и отложения (табл. 2). В случае пляжных песков содержание МП варьируется от необнаруживаемого до 1400-62,8 тыс. частиц на квадратный метр песка (ч/м2) (Eo et al., 2018). Высокое содержание МП на некоторых известных пляжах может быть связано с большим количеством туристов. В большинстве исследований пробы отложений и пляжных песков отбирались на глубине <10 см (в основном на глубине 5 см от поверхности). Например, в пробах отложений из Средиземного моря было зарегистрировано около 1140 ч/м3 МП (Thompson et al., 2004), в песках на пляже Шалун, пляже Байцхан, пляже Ваймушань и пляже Фулонг в Тайване - 40-5320 п/м3 (Kunz et al., 2016).
Кроме того, было обнаружено, что на пляжах Гонконга (Lo et al., 2018) содержание МП варьируется в широком диапазоне при использовании других единиц измерения, таких как ч/кг (0,58-2116 ч/кг), в то время как на пляжах Камило и Кауку обнаружили только 28782 ч/пляж и 16206 ч/пляж, соответственно. Оба эти пляжа находятся на тихоокеанском острове Гавайи (Young and Elliott, 2016). Поскольку размеры отдельных пляжей могут существенно различаться, трудно сравнивать различные пляжи при использовании единицы измерения ч/пляж.
У донных отложений содержание МП варьирует от почти нулевой до (1.86 ± 1.79) × 104 ч/м3 (Kanhai et al., 2019; Guven et al., 2016). При сравнении содержания МП в пляжном песке и донных отложениях в одних единицах измерения ч/м3, оказывается, что оно выше в отложениях. Это можно объяснить осаждением в процессе переноса, а глубоководные морские отложения рассматривать как потенциальный накопитель МП в океанах (Kanhai et al., 2019).
В Таблице 3 приведены данные о содержании, размере, морфологии и химической природе частиц МП в пробах морских животных, а также некоторые данные из лабораторных исследований по НП.
МП были обнаружены в большом количестве образцов морских организмов, включая мидии (Magni et al., 2018; Jemec et al., 2016; Li et al., 2019), восточные устрицы (Waite et al., 2018), креветки (Devriese et al., 2015) и дафнии (Daphnia magna) (Rehse et al., 2016). Содержание варьировалось в зависимости от вида, места и метода взятия проб, а также методики анализа. МП был также обнаружен в образцах рыбы (включая некоторые промысловые виды), взятых из её естественных ниш обитания (Avio и др., 2015; Невис и др., 2015; Hossain et al., 2019). Например, в результате анализа 263 особей 26 видов, отобранных у побережья Португалии, МП был обнаружен у 52 особей (т.е. 19,8%) 17 видов с общим количеством частиц микропластика в пробах, равном 73, при этом 32,7% особей проглотили более одной частцы МП (Neves et al., 2015). Мягкие плавающие частицы МП были обнаружены в некоторых черепахах. Вероятно, микропластик был ошибочно принят за пищу и проглочен, либо был захвачен с какой-либо пищей, например, с листьями водорослей или макроводорослями (Awabdi et al., 2013; Caron et al., 2018).
МП и макропластики могут поглощаться различными организмами-фильтраторами и морскими птицами, накапливаясь и перемещаясь по трофическим уровням снизу вверх (Vandermeersch и др., 2015; Xiong и др., 2018; Avery-Gomm и др., 2017). Крупные фильтраторы могут поглощать МП в морской воде прямо или косвенно вместе с зараженными организмами (Fossi et al., 2014). Прямое заглатывание и поглощениение загрязненной добычи также представляет собой серьезную угрозу для здоровья крупных морских животных, таких как киты (Fossi et al., 2016a). Было подтверждено присутствие МП (PE, PP, PVC, PET и нейлона) и мезопластиков (например, от 5 до 1200 мм) в кишечнике горбатых китов Megaptera novaeangliae (Besseling et al., 2015) и беспёрых морских свиней (Neophocaena asiaeorientalis sunameri) в Желтом и Бохайском морях Китая (Xionget al., 2018). В одном из недавних исследований МП был обнаружен в желудках девяти из тридцати морских птиц, отобранных в юго-восточной Австралии. (Gilbert, 2016). Кроме того, МП в количестве 11,6 ч/особь (или 0,151 г/особь) был обнаружен в глупышах - морской птице (Fulmarus glacialis) Южного Лабрадорского моря в Канаде (Avery-Gomm et al., 2017).
Как видно из табл. 1-3, МП и НП в образцах воды, осадков и животных имеют схожую природу. Они чаще всего состоят из полиэтилена (PE), полистирола (PS) и полипропилена (PP), легких и популярных пластиковых материалов. Другие виды пластмасс, такие как нейлон, полиэстер, полиэтиленвинилацетат (PEVA), полиакрилонитрил ( PAN) и поливиниловый спирт (PVA), также часто обнаруживались.
По своей форме частицы МП в морской воде, отложениях и пляжном песке очень похожи друг на друга. Это преимущественно волокна, фрагменты, пленки, сферы, пены и гранулы.
За редким исключением, размер частиц в пробах воды (таблица 1) составляет от 0,3 до 5,0 мм. Этот диапазон размеров является искусственным, поскольку нижний предел определяется размером ячеек сетки для отбора проб, который, как правило, составляет 300-350 мкм. С другой стороны, макропластик, который больше 5 мм намеренно исключают, поскольку он не соответствует определению МП.
Размеры МП в отложениях и пляжных песках (табл. 2) в основном находятся в диапазоне 0,04-5 мм, который также искусственно задан. Размер ячеек, принятый для просеивания предварительно обработанных образцов отложений, в основном примерно равен 0,04 мм, а пластиковый мусор более 5 мм также намеренно не учитывается.
Размер частиц пластикового мусора в образцах животных (таблица 3) варьировался по длине от 1 нм (т.е. НП) до примерно 1200 мм (т.е. макропластик). Этот диапазон размеров не задаётся искусственно методикой пробоотбора. Вместо этого нижний предел зависит от разрешения выбранных аналитических методик, например, то того используется оптический или сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). В то время как верхний предел определяется размерами животных и предпочитаемой ими добычей.
Тот факт, что МП присутствует почти повсеместно, как самостоятельно, так и в сочетании с макропластиковым мусором, представляет большую опасность для благополучия экосистемы, пищевых цепочек и, в конечном счете, для здоровья людей. Эти угрозы могут варьироваться от резкого падения доходов от туризма до гибели морских животных и потенциального прямого воздействия на здоровье человека (Bakir и др., 2014 г.).
Микропластики оценивают как "PM2.5 в океанах" (Shu, 2018). Они обладают большим соотношением поверхности к объему, а некоторые могут иметь пористую структуру и шероховатая поверхность (Wright et al., 2013) и, таким образом, являются отличными сорбентами и переносчиками таких загрязнителей, как тяжелые металлы, стойкие органические загрязнители (СОЗ), антибиотики и токсичные микроорганизмы. Например, СОЗ (например, пестициды, полихлорированные дифенилы (PCBs), дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) и диоксины), находящиеся в океанах в низких концентрациях, могут за счёт своего гидрофобного характера концентрироваться на гидрофобных МП за счёт адсорбции. Исследования показали, что пластики (например, PE и PP) способны адсорбировать ДДТ в сильно загрязненных местах (Karapanagioti et al., 2011), при этом другие загрязнители (например, фенантрен (Phe) и ДДТ) также могут быть адсорбированы теми же МП (Bakir et al., 2012). Кроме того, было показано, что загрязнители, сконцентрированные на МП, могут одновременно переноситься на различные трофические уровни при миграции МП и, в конечном счете, попадать в человека через потребление пищи и воды (Vandermeersch et al., 2015).
С другой стороны, большая удельная площадь поверхности МП значительно повышает высвобождение в окружающую воду входящих в состав пластиков добавок, таких как УФ-стабилизаторы, красители, пламегасители и пластификаторы(Baztan et al., 2016). В свою очередь, высвободившийся химикат может оказать прямое токсическое действие на водную фауну на тканевом, клеточном и молекулярном уровне (Paul-Pont и др., 2016). Например, пламегасители, добавляемые в пластик, такие как полибромированный дифениловый эфир (PBDE), были найдены в МП, проглоченном тонкоклювым буревестником Puffinus tenuirostris (Bakir et al., 2014). Пластификатор MEHP (моно-2-этилгексилфталат) была также обнаружен в мышцах некоторых крупных морских организмов-фильтраторов, такие как средиземноморская гигантская акула (Cetorhinus maximus), при этом концентрация MEHP в гигантской акуле была высокой (Fossi и др., 2014, 2016b, 2017).
Кроме того, некоторые сообщества потенциально опасных микроорганизмов и животных-оппортунистов способны прикрепляться к пластику (Zettler и др., 2013; Harrison et al., 2018), который может служить вектором переноса патогенных микроорганизмов во время плавания по морской экосистеме (Osborn and Stojkovic, 2014). Было показано, что ассоциированные с МП микробные биопленки и прикрепленные микроорганизмы играют значительную роль в передаче Vibrio и Arcobacter spp. (Zettler et al., 2013; Osborn and Stojkovic, 2014; Harrison et al., 2018; Woo et al., 2010).
МП могут проникать в пищевые цепочки на различных трофических уровнях и переноситься по уровням снизу вверх. Этому проникновению значительно способствует ряд следующих уникальных особенностей МП (рис. 2) 1) малый размер: организмы низкого трофического уровня могут по ошибке принимать МП соответствующего размера за пищу, и после заглатывания, переносить его на более высокие трофические уровни, становясь жертвами других организмов (Wright et al., 2013); 2) легкий вес: частицы пластика низкой плотности, плавающие на поверхности морской воды могут быть съедены планктивами фильтраторами (planktivory filter feeders) и сестонофагами (suspension feeders) (Fossi et al., 2012), тогда как морские животные могут проглотить частицы пластика высокой плотности на произвольной глубине во время погружения в толщу воды (Delphine and Michael, 2011); 3) многоцветность: морские организмы, опирающиеся на зрение, могут быть ошибочно принять частицы пластика за естественную добычу из-за их окраски (Greene, 1985); 4) присутствие в большом количестве: вероятность того, что количество морских организмов, поглощающих МП, будет увеличиваться за счет увеличения содержания частиц пластика в морских водах (Wright et al., 2013).
МП может также прикрепляться к поверхности органов, не связанных с пищеварением, таких как кожа, лапы, мантия и другие (Kolandhasamy et al., 2018; Abbasi et al., 2018) и, таким образом, попадать в тела этих животных.
Рис. 2. Опасности для организмов, обитающих в морской среде, со стороны МП и НП.
Согласно результатам лабораторных исследований, МП, захваченный через заглатывание, в основном задерживается в системе пищеварения. Он может оставаться внутри таких органов, как жабры, кишечник, желудочно-кишечные канальцы и желудки самых разных животных, таких как мидии Mytilus edulis (Kolandhasamy et al., 2018) и пелагическая рыба Platycephalus indicus (Abbasi et al., 2018), которые были опосредованы активностью микроворсинок или движением ресничек (Kolandhasamy et al., 2018). Например, среднюю концентрацию частиц МП 1,2 ± 2,8 ч/г ткани определяли путем восстановления ткани, переваренной кислотой (особи), Arenicola marina, которые были подвергнуты воздействию пляжного отложения с исходным содержанием PS микросфер = 110 штук на грамм пляжного отложения (Cauwenberghe и др., 2015). Кроме того, в кишечнике креветок-мизид были обнаружены 10 мкм флуоресцентные полистирольные микросферы через 3 часа после обработки этими микросферами в лабораторной установке (Setala et al., 2014), а более мелкие флуоресцентные частицы полиэтиленового микропластика (диаметр 1-5 мкм) обнаруживались как у молоди, так и у взрослых особей Pomatoschistus microps, растущих в воде, содержащей меченый МП. (Ferreira et al., 2016). 48-часовая обработка микропластиком в виде PET-волокна длиной 62-1400 мкм в результате привела к появлению волокон внутри кишечника ракообразных D. Magna. При этом большинство проглоченных волокон имело длину около 300 мкм, но некоторые очень большие и запутанные были около 1400 мкм (Jemec et al., 2016). Эти эксперименты показали, насколько легко МП может войти в пищевые цепочки.
МП может менять своё положение и накапливаться в различных тканях, что должно неизбежно приводить к их повреждению (Ribeiro et al., 2019; Abbasi et al., 2018; Santillo et al., 2017). Например, МП с размером частиц 3,0 или 9,6 мкм обнаруживали в гемолимфе голубой мидии M. edulis, а в течение трех дней после заглатывания он мог перемещаться из полости кишечника в кровеносную систему, при чём в циркуляционной жидкости содержалось больше 3,0 мкм частиц МП, чем 9,6 –микронных (Browne et al., 2008 г.).
4.2.4.1. Блокирование и повреждение органов пищеварения. Макропластик и МП были обнаружены в желудочно-кишечных трактах морских птиц глупышей (F. glacialis) и серых буревестников (Ardenna grisea), которых нашли мертвыми или выброшенными (stranded) на пляжах (Terepocki et al., 2017). Пластик привёл к перегрузке желудочков, блокировке пищеварительных путей птиц и, в конечном счете, к смерти птиц (Terepocki et al., 2017). Также сообщалось о блокировке или сильных повреждениях пищеварительных путей пластиковым мусором у рыбы и морских птиц (Mizraji et al., 2017; Abbasi et al., 2018; Terepocki et al., 2017).
Хотя накопление МП в пищеварительной системе животных может и не приводить к столь драматичным и фатальными последствиям, как в случае макропластикого мусора, оно, тем не менее, представляет серьезную угрозу здоровью животных, например, для медленно растущих, таких как черепаха. Внутренняя структура её пищеводных сосочков, обращенных назад, может ингибировать срыгивание и способствовать накоплению пластических частиц в кишечнике (Schuyler et al., 2014) и, таким образом МП, накопленный в пищеварительной системе, может вызвать диетическое разбавление (dietary dilution) и недоедание (malnutrition) (Nelms et al., 2016).
Под воздействием флуоресцентных микрочастиц полиэтилена диаметром 1-5 мкм. (Ferreira et al., 2016; Steer et al., 2017) нарушался рост личинок рыбы, а ранняя молодь получала более серьезный вред, чем более крупные взрослые особи рыбы (P. microps).
Некоторые симптомы, такие как снижение активности питания, цитотоксичность, снижение фагоцитарной активности и повышение активности лизоцима, наблюдались у двустворчатого моллюска Mytilus (Wegner et al., 2012; Canesi et al., 2015). Добавление обычных (т.е. PE и PVC) и биоразлагаемых (т.е. PLA) микропластиков в песок на пляже приводило к сокращению питания, более редкому переносу нор, увеличению времени пребывания проглоченного материала в кишечнике у пораженных червей (Green et al., 2016; Browne et al., 2013).
4.2.4.2. Воспаление. Задержавшийся в организме МП может вызывать повреждения на уровне органов, тканей, клеток и молекулярном уровне как в пищеварительной системе, так и за ее пределами, поскольку частицы МП могут мигрировать в другие органы. Данные повреждения могут вызвать воспаление поврежденных тканей (Lei et al., 2018).
У червей морских пескожилов (lugworms), поглотивших МП, наблюдалось снижение иммунитета и воспаление кишечника (Green et al., 2016; Browne et al., 2013). Было установлено, что МП приводит к сильной воспалительной реакции с образованием гранулоцитомы и дестабилизацией лизосомальной мембраны в случае M. edulis (Moos et al., 2012), при этом токсичность может быть результатом выщелачивания добавок, содержащихся в пластике, таких как бромированные антипирены, бисфенол А и фталаты (Teuten et al., 2007). А при попадании МП в кровоток могут провоцироваться аллергические иммунологические реакции (Santillo et al., 2017).
4.2.4.3. Снижение репродуктивной способности. Результаты исследования также указывают на то, что проглатывание МП может быть причиной задержек в размножении перелетных морских птиц, мигрирующих на большие расстояния (Dobson et al., 2017). Воздействие 20 мкм полистирольного МП существенно снизило плодовитость (т.е. репродуктивную способность) рачков Calanus helgolandicus (Cole et al., 2015). Возможно, наблюдаемые эндокринные нарушения, которые мешали размножениею млекопитающих и водных видов, не относящихся к млекопитающим, были вызваны пластификатором (Mathieu-Denoncourt et al., 2015).
4.2.4.4. Воздействие на метаболизм. Сообщалось о подавлении ферментативной активности ацетилхолинэстеразы (АХЭ) у рыб (например, японская оризия Oryzias latipess, Pomatoschistus microps) (Rochman et al., 2014; Ferreira et al., 2016). AChE является первичной холинэстеразой, которая катализирует распад ацетилхолина и некоторых других холиновых эфиров, выполняющих функциюк нейротрансмиттеров. Высокий окислительный стресс с высоким уровнем перекисного окисления липидов (LPO) наблюдался у финвалов (сельдяной кит, или обыкновенный полосатик), когда они подвергались загрязнению МП (Fossi et al., 2016a).
Энергетические нарушения (например, переключение распределения энергии с соматического роста на вителлогенез) наблюдались, при воздействии бисфенола А (БФА) на ооциты радужной форели Oncorhynchus mykiss oocytes (Neelakanteswar et al., 2010). Наблюдались также некоторые генотоксические эффекты (Hagger et al., 2006).
4.2.4.5. Другие негативные эффекты. МП с размером частиц 7,3 мкм оказывал негативное влияние на жизнь и здоровье копепода C. helgolandicus (Matthew et al., 2013). Смесь микросфер PS размером 2 и 6 мкм с конечной концентрацией 32 µг/л приводила к прямым токсическим эффектам у морских моллюсков (Mytilus spp.) (Paul-Pont et al., 2016). Токсичность может объясняться выщелачиванием из пластика таких добавок, как бромированные антипирены, бисфенол А и фталаты (Teuten et al., 2007). При этом токсичность значительно усиливается благодаря накоплению и переносу стойких токсических химикатов через пищевые цепочки (Frias et al., 2014; Alimi et al., 2018).
Помимо воздействия на здоровье конкретных особей, МП может также влиять на благополучие всей популяции в экологической нише. Например, исследования показали, что высокая вероятность контакта (high encounter rate) МП с копеподами отрицательно влияла на численность и качество популяции копеподов в водной экосистеме Южно-Китайского моря (Sun et al., 2017). Более того, ущерб, нанесенный животным, может распространяться на экосистему они населяют. Например, добавление депутатов парламента в песок на пляже. повлиял на метаболизм гусеничного червя A. Marina и азотные циклы и первичная продуктивность в среде обитания (Green et al., 2016; Browne et al., 2013).
Согласно сведениям, опубликованным в 2016 году в журнале "The European Food Safety Authority", не существует нормативной базы, регулирующей присутствие МП в морепродуктах. С другой стороны, среднесуточное потребление мышечной ткани рыб составляет около 7 г на человека в день. По некоторым оценкам около 5 частиц МП в среднем могут попадать в организм человека каждый день (Abbasi et al., 2018). Несмотря на то, что до сих пор отсутствует литература о токсичности МП для человека in vivo, в недавнем сообщении подтверждается присутствие МП в фекалиях человека (Macmillan, 2018). Более того, некоторые исследования с использованием условий, имитирующих условия кишечника, показали, что проглоченные МП способны взаимодействовать с молекулами в кишечника, что может привести к неблагоприятным последствиям (Vandermeersch et al., 2015; Powell et al., 2010). Было показано, что ди(2-этилгексил)фталат (DEHP), загрязнитель, адсорбированный на поверхности МП, и способный медленно десорбироваться в морской воде, очень быстро десорбируется в смоделированных кишечных условиях (Bakir et al., 2014). Также сообщалось о негативном влиянии МП на метаболизм половых гормонов в экспериментах с клетками аденокарциномы человека (MathieuDenoncourt et al., 2015).
Все большее количество нанопластков производится для различных сфер применения, таких как 3D-печать, косметика, доставка лекарственных веществ. Часть этих частиц неизбежно попадёт в окружающую среду как первичный НП. Кроме того, нет сомнений в том, что фрагментация МП под воздействием факторов окружающей среды будет приводить к образованию НП аналогично тому, как в океанах МП образуется в основном путём фрагментации макропластика, (Andrady, 2011). Например, в своём лабораторном исследовании Lambert и Wagner (2016) разрезали крышки одноразовых кофейных чашек из PS на квадраты размером 1 см, погружали их в деионизированную воду при температуре 30 °C и подвергали непрерывному воздействию видимого или ультрафиолетового излучения. Со временем в таких условиях образовывался НП. Также наблюдалось, что в пищеварительных системах планктонных ракообразных частицы МП с диаметром 31,5 мкм превращались в частицы с диаметром < 1мкм (Dawson et al., 2018), что позволяет предположить, что вторичный НП может также образовываться в результате фрагментации МП после его поглощения внутри пищеварительных органов животных. Однако до сих пор не были разработаны приемлемые методы пробоотбора и идентификации НП в морской экосистеме (Koelmans et al., 2015 г.). Вследствие этого до сих пор не удалось найти полевые исследования, посвященные загрязнению нанопластиками вод и отложений (Mendoza et al., 2018). При этом имеется очень ограниченное количество исследований об обнаружении НП в зоопланктоне (Brandon, 2017) и мелких полупелагических видах рыб (Nadal et al., 2016).
НП по диаметру меньше, чем МП и способен намного проще проникать через биологические барьеры в организмах животных и перемещаться между их тканями, чем МП. Исследования показали, что 50 нм флуоресцентные частицы НП в желудочно-кишечном тракте морского копепода Paracyclopina nana могли преодолевать клеточные мембраны органов пищеварения и быстро распространяться по организму. Для сравнения, в тех же условиях перемещения микросфер размером 500 нм и 6 мкм в основном ограничивались органами пищеварения копепода (Jeong et al., 2017). Интересно, что при прямом сравнении движения функционализированных карбоксилированных полистирольных наночастиц размером 50 и 200 нм по культурам Caco-2 (энтероцитоподобная), HT29-MTX (подобная бокаловидным клеткам) и Raji B (подобная М-клеткам), транспорт 50 нм частиц был примерно на два порядка быстрее, чем транспорт частиц размером 200 нм (Mahler et al., 2012). Результаты экспериментов показали, что частицы размером 200 нм транспортировались М-клетоками при помощи энергозависимого процесса, такого как эндоцитоз, а 50 нм частицы могли преодолеть эпителий in vitro по параклеточному маршруту.
Полистирольные частицы различного размера (50-500 нм) тестировали на различных моделях кишечника in vitro, при этом 50 нм частицы смогли преодолеть желудочно-кишечный барьер (Kulkarni and Feng, 2013). Исследования in vivo показали, что пероральное введение 50 нм PS наночастиц вызывало увеличение поглощения железа, что указывает на способность нанопластка влиять на барьерные свойства эпителия кишечника (Mahler et al., 2012). Исследования in vivo на грызунах показали, что наночастицы PS (50 нм) при пероральном введении смогли переместиться через кишечный барьер и достичь кровеносной системы (Walczak, 2015). В другом исследовании флуоресцентные наночастицы PS размером 20, 50, 100, 200 и 500 нм покрывали сукцинатом d-α-токоферилполиэтиленгликоля 1000 (TPGS) и тестировали на клетках Caco-2 и MDCK, играющих роль in vitro моделей желудочно-кишечного и гематоэнцифалического барьеров, соответственно. Результаты показали, что наночастицы размером 200 нм и менее обладают потенциалом преодоления обоих этих барьеров (Kulkarni и Feng, 2013). Также было показано, что некоторые высоко гидрофильные нанопластики, такие как поли(бутилцианакрилат), поли(молочно-гликолевая кислота), поли(молочная кислота), способны пройти через гематоэнцифалический барьер (Zhou et al., 2018). НП обнаруживали в различных органах, включая мышцы, внутренние органы (viscera)(Mattsson et al., 2017; Chen et al., 2017) и мозг морских позвоночных рыб Carassius carassius (Ribeiro et al., 2019). Более того, в некоторых исследованиях было продемонстрировано, что зеленая автофлюоресценция от наночастиц может наблюдаться в тканях эмбрионов и личинок рыбок данио и устриц (Tallec et al., 2018; Pitt et al., 2018; Catarino et al., 2019). Также подтвердилось выщелачивание флуорофора из зеленых флуоресцентных коммерческих PS наночастиц (Catarino et al., 2019).
НП может приводить к дисфункции или повреждению тканей, в которых находятся. Например, НП в тканях мозга рыбы C. carassius вызывал повреждение мозга и поведенческое расстройство особи-хозяина (Ribeiro et al., 2019). С другой стороны, очень большое соотношение поверхности к объему НП позволяет ему адсорбировать токсичные загрязнители, такие как полициклические ароматические углеводороды (PAHs) (Maes et al., 2017). При тестировании токсичности на D. magna наночастиц различного размера, несущих на себе сорбированный фенантрен, более маленькие частицы (50 нм) приводили к наибольшим токсичности и физическим повреждениям. (Ma et al., 2016).
Первичный и вторичный МП и НП могут сбрасываться в океаны в результате деятельности, связанной с океаном. Большая часть пластика имеет наземное происхождение и поступает в океаны воздушным, водным и/или почвенным путём. МП обнаруживали в пробах воды, осадочных пород и животных, взятых из океанов и пляжей по всему миру, в то время как об обнаружении НП сообщалось только в случаях проб животных из-за сложностей с обнаружением НП.
Благодаря своему небольшому размеру, МП и НП могут попадать в морскую экосистему, в пищевую сеть и даже в организмы животных, таким образом становясь серьезной угрозой для здоровья морской экосистемы. В отличие от макропластика, МП и НП могут перемещаться через ткани различных органов и вызывать повреждения в результате воздействия физических, химических и биологических токсических факторов у различных органов, включая систему кровообращения, мозг и печень. Поскольку пластмассы обладают высокой стабильностью, они могут накапливаться в организме животных и вызывать долговременные повреждения. До настоящего времени не поступало сообщений о проведении исследований in vivo о влиянии МП и НП на здоровье человека. Однако было подтверждено их проникновение в человеческое тело с пищей, а тесты in vitro показали способность причинять вред здоровью людей.
По сравнению с МП, наноразмерные частицы пластика гораздо легче распространяются по телам животных и перемещаются между различными органами. Они также являются более эффективными адсорбентами и носителями загрязняющих веществ. Кроме того, было признано, что они представляют опасность для здоровья животных и людей. Однако в большинстве исследований частицы нанопластика игнорировались из-за сложности их обнаружения и ограничений в протоколах отбора проб и анализа, а также из-за единиц важных параметров, таких как обилие частиц (and units of important parameters such the abundance of particles.).
Благодарности
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (41766003); начальное финансирование со стороны университета Хайнаня (kyqd(zr)1719).