Дослідники змоделювали молекулярні зміни, що відбуваються під впливом сонячного світла, коли пластик виділяє розчинену органічну речовину. Ці результати можуть змінити уявлення про стан екосистем, якість води та глобальний вуглецевий цикл.
Науковці з’ясували, що мікропластик, який дрейфує в річках, озерах і океанах, постійно вивільняє у воду широкий спектр розчинених органічних хімічних сполук. З часом ці сполуки змінюються, а сонячне світло відіграє ключову роль у процесах їх утворення та розпаду. Дослідження дає найдетальніше на сьогодні уявлення на молекулярному рівні про те, як розчинена органічна речовина, похідна від мікропластику (MPs DOM), формується й трансформується в природних водних середовищах.
У роботі, опублікованій у журналі New Contaminants, було проаналізовано чотири поширені типи пластику та порівняно хімічні речовини, які вони виділяють, із природною розчиненою органічною речовиною, що трапляється в річках. Поєднавши кінетичне моделювання з флуоресцентною спектроскопією, мас-спектрометрією високої роздільної здатності та інфрачервоним аналізом, команда показала, що кожен тип пластику створює власний хімічний «підпис». Ці підписи змінюються в міру того, як сонячне світло змінює поверхню полімерів.
«Мікропластик забруднює водне середовище не лише як видимі частинки. Він також створює невидиму хімічну хмару, яка змінюється в процесі вивітрювання», — зазначив провідний автор дослідження Цзюньянь Гуань з Північно-Східного педагогічного університету. «Наше дослідження показує, що сонячне світло є головним рушієм цього процесу, а молекули, які виділяються з пластику, суттєво відрізняються від тих, що природно утворюються в річках і ґрунтах».
Сонячне світло прискорює вивільнення вуглецю з пластику
Щоб дослідити цей процес, науковці помістили мікропластик із поліетилену, поліетилентерефталату, полілактидної кислоти та полібутиладепат-ко-терефталату у воду й утримували його як у темряві, так і під ультрафіолетовим світлом протягом періодів до 96 годин. Вплив сонячного світла різко збільшував кількість розчиненого органічного вуглецю, що виділявся всіма чотирма типами пластику. Матеріали, розроблені як біорозкладні, зокрема PLA та PBAT, демонстрували найвищі рівні вивільнення, що дослідники пов’язали з менш стабільною хімічною структурою цих полімерів.
Застосувавши кінетичні моделі, команда з’ясувала, що процес вивільнення відповідає нульовому порядку реакції, тобто визначається фізичними й хімічними обмеженнями на поверхні пластику, а не концентрацією речовин у воді. За умов ультрафіолетового опромінення швидкість процесу обмежувалася дифузією плівки.
Хімічно насичена суміш добавок, мономерів і окиснених фрагментів
Сучасні методи спектроскопії та мас-спектрометрії показали, що MPs DOM містить різноманітний набір молекул, які походять із добавок, мономерів, олігомерів і фрагментів, утворених унаслідок фотоокиснення. Ароматичні пластики, такі як PET і PBAT, формували особливо складні хімічні суміші.
У міру вивітрювання пластику зростала кількість кисневмісних функціональних груп, що свідчить про утворення спиртів, карбоксилатів, етерів і карбонільних сполук. Також було виявлено добавки, зокрема фталати, що узгоджується з їхнім слабким зв’язком у полімерній матриці.
Флуоресцентний аналіз показав, що MPs DOM за своїми характеристиками більше нагадує речовини, утворені внаслідок мікробної активності, ніж матеріали наземного походження, що різко контрастує з природною розчиненою органічною речовиною. З часом хімічний склад змінювався: співвідношення білкоподібних, лігніноподібних і таніноподібних сполук варіювалося залежно від типу полімеру та рівня сонячного опромінення.
Екологічні наслідки можуть посилюватися зі зростанням пластикового забруднення
Хімічні суміші, що постійно змінюються та вивільняються з мікропластику, можуть по-різному впливати на водні екосистеми. MPs DOM зазвичай складається з дрібних, біодоступних молекул, які можуть стимулювати або пригнічувати мікробну активність, змінювати кругообіг поживних речовин або взаємодіяти з металами та забруднювачами. Попередні дослідження показали, що MPs DOM здатна генерувати активні форми кисню, впливати на утворення побічних продуктів дезінфекції та змінювати адсорбцію забруднювачів.
«Наші результати підкреслюють важливість урахування повного життєвого циклу мікропластику у воді, включно з невидимими розчиненими хімічними сполуками, які він виділяє», — зазначила співавторка дослідження Шитін Ліу. «Оскільки світове виробництво пластику продовжує зростати, ці розчинені сполуки можуть набувати дедалі більшого екологічного значення».
До прогнозування хімії пластикового забруднення
З огляду на складність і динамічний характер MPs DOM, дослідники вважають, що методи машинного навчання можуть допомогти прогнозувати її еволюцію в довкіллі. Майбутні моделі здатні підтримати оцінку ризиків для водних екосистем, поведінки забруднювачів і вуглецевого циклу.
Автори наголошують, що надходження мікропластику в річки й океани залишається значною мірою неконтрольованим. У міру того як пластик продовжує дробитися та вивітрюватися під дією сонячного світла, вивільнення MPs DOM, імовірно, посилюватиметься, що робить критично важливим розуміння його хімічної поведінки на різних стадіях деградації.