Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 2, стр. 207-212

ВВЕДЕНИЕ

На фоне широкомасштабного роста производства и потребления изделий из синтетических полимеров в последние годы остро встал вопрос загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами. На первой Ассамблее Программы ООН по окружающей среде эта проблема была названа “общей проблемой всего человечества” [1].

Однако настоящим бедствием стало глобальное распространение мельчайших полимерных частиц – микропластика [2], которые могут оказывать негативное влияние на живые организмы всех трофических уровней [3, 4].

Микрочастицы пластика были обнаружены повсеместно – в морях, материковых водах, почве, атмосфере, во льдах Арктики и Антарктиды, в озерах и льдах горных стран (Альпы, Гималаи). Причиной и следствием таких открытий стало большое количество работ по этой тематике (около 2000 к 2020 г. [5]). Одним из ключевых моментов изучения мельчайших полимерных частиц является вопрос определения путей их распространения, основным из которых был признан атмосферный перенос [6]. Вместе с тем, на фоне немалого количество публикаций по проблеме в целом, работ по микропластику в атмосфере к настоящему времени насчитывается всего около двадцати. При этом подавляющее количество из них касается определения содержания микропластика в атмосферном воздухе, что не позволяет количественно охарактеризовать выпадение полимерных частиц на земную поверхность из атмосферы. Для решения этой проблемы целесообразно использовать атмосферные осадки. Так как справедливо считается, что атмосферные осадки очищают воздушную толщу от различных аэрозолей [7–9], наиболее эффективно процесс вымывания осуществляется твердыми атмосферными осадками [6]. Следовательно, наиболее результативным методическим решением в определении масштабов поступления полимерных частиц из атмосферы является проведение исследований свежевыпавшего снега. Таких исследований, описанных в опубликованной литературе, единицы, все они носят точечный характер, и только в двух работах сделана попытка определить траектории переноса полимерных частиц воздушными массами [6, 10].

В Российском секторе Арктики исследований подобного рода до настоящего времени не проводилось, между тем они особенно актуальны в высокоширотных районах Кольского полуострова, где выпадение твердых атмосферных осадков происходит 180–200 дней в году [11].

Таким образом, целью настоящей работы стало определение количества полимерных частиц, поступающих на земную поверхность с твердыми атмосферными осадками в северо-западной части Кольского полуострова за холодный период года.

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в северо-западной части Кольского полуострова, от нижнего течения р. Воронья (каскад Серебрянских ГЭС) на востоке до устья реки Лотта (Верхнетуломское водохранилище) на западе (табл. 1). Ранее в северо-западной части Кольского полуострова были выделены четыре фоновых района (по ландшафтно-геологическим особенностям и концентрации нерастворимых частиц в твердых атмосферных осадках) и импактный район г. Мурманска и его окрестностей [12].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования твердых атмосферных осадков, выпавших в северо-западной части Кольского полуострова, осуществлялись с декабря 2020 г. по апрель 2021 г. (табл. 2). Для определения количества полимерных частиц, абсорбированных из атмосферы твердыми атмосферными осадками, проводился отбор свежевыпавшего снега.

Отбор проб осуществлялся в безветренную погоду (скорость ветра <5м/с) (для исключения вторичного ветрового загрязнения) вдоль трех автомобильных магистралей: Мурманск–Серебрянская ГЭС, Мурманск–Лотта и Мурманск–Санкт-Петербург. Свежевыпавший снег отбирался на расстоянии более 500 м от автомобильных дорог, против ветра чистым пробоотборником из пищевой нержавеющей стали в тщательно промытые стеклянные емкости с притертыми стеклянными крышками объемом 1.0‒2.0 литра.

Все реактивы, включая дистиллированную воду, используемые в работе, предварительно фильтровались через ядерные фильтры с диаметром пор 0.9 мкм. Использовалась только стеклянная и металлическая химическая посуда, тщательно вымытая профильтрованной дистиллированной водой. В лаборатории пробы снега подготавливались к фильтрации апробированными методами [5, 7]. Затем пробы талой воды фильтровали под вакуумом в стеклянных фильтрационных насадках через черные ядерные фильтры с диаметром пор 0.45 мкм. Непосредственно после фильтрации фильтры окрашивали раствором Нильского красного в n-гексане в течение 30 мин [14]. Фильтры просматривались под бинокулярным микроскопом МБС-10 при увеличениях 10‒40× для учета количества нерастворимых макрополимерных волокон. Далее препараты анализировали под эпифлуоресцентным микроскопом Carl Zeiss AxioImager D1 при увеличениях 50‒100×. Необходимо отметить, что частицы, которые нельзя с уверенностью отнести к полимерам (частицы размером менее 10 микрон (цена деления окуляр–микрометра), и частицы, не изменившие цвет при окрашивании) при подсчете не учитывались.

Граничным значением для разделения микропластика и макропластика нами принимается 1000 мкм, аналогично значению, обоснованному в работе N.B. Hartmann и соавт. [13]. Разделение частиц основано на изменении свойств природных и искусственных грунтов при взаимодействии с водной средой. Так, грунты, состоящие из обломков, превышающих 1 мм (не менее 90% частиц размером более 1 мм), не обладают молекулярной влагоемкостью, в них отсутствует капиллярное поднятие воды, и они обладают большой водопроницаемостью. С уменьшением размера слагающих грунты частиц (менее 1 мм) активизируются процессы взаимодействия обломков с органическим веществом (резко увеличивается удельная поверхность частиц), повышающие гидрофильные свойства природных и искусственных грунтов.

КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ЧАСТИЦ В СВЕЖЕВЫПАВШЕМ СНЕГЕ

Концентрация нерастворимых частиц в твердых атмосферных осадках на северо-западе Кольского полуострова (декабрь 2020 г.–апрель 2021 г.) в среднем составляла 3.90 ± 0.20 мг/л, (n = 48, см. табл. 2), что полностью соответствуют фоновому содержанию нерастворимых частиц в свежевыпавшем снеге для северо-запада Кольского полуострова [7]. Во всех фоновых районах региона средние концентрации нерастворимых частиц за период наблюдений были сопоставимы между собой и не имели достоверных отличий (см. табл. 2). В импактном районе г. Мурманска концентрация нерастворимых частиц в 1.5 раза больше, чем в сопредельных фоновых районах (в среднем – 5.86 ± ± 0.42 мг/л, n = 17).

В составе нерастворимых частиц из твердых атмосферных осадков постоянно присутствовали волокна и фрагменты различных полимеров. Полимерные волокна длиной более 1 мм (макроволокна) встречались всех цветов, их длина в среднем составляла 3 ± 0.3 см, (n = 1350), толщина – 16 ± 0.3 мкм, (n = 4750), среднее количество 48 ± ± 5 нитей в литре (N/л). Средняя длина микроволокон 757 ± 34 мкм (n = 3400), их количество составляло 735 ± 43 N/л (n = 48). Аномально большое количество полимерных волокон наблюдалось в западном районе в февральские снегопады 2021 г., минимальное – в декабрьские и январские снегопады на всей территории региона. В целом с февраля по апрель 2021 г. количество полимерных волокон в твердых атмосферных осадках уменьшалось (см. табл. 2).

Средний размер полимерных фрагментов 62 ± ±  2 мкм (при максимальном около 700 мкм), их количество в среднем составляло 5890 ± 884 N/л (n = 31 000). Максимальное количество полимерных фрагментов в твердых атмосферных осадках (>9000 N/л) наблюдалось в февральские и апрельские снегопады 2021 г., когда воздушные массы поступали в район наблюдения с суши (рис. 1).

Рис. 1.

Обратные траектории поступления воздушных масс, приносившие твердые атмосферные осадки на северо-запад Кольского полуострова, с декабря 2020 по апрель 2021 г.

В декабре 2020 г., январе и марте 2021 г. воздушные массы, поступавшие со стороны Баренцева моря (см. рис. 1), приносили твердые атмосферные осадки с меньшим количеством нерастворимых аэрозолей (в том числе различных полимерных частиц).

ПОТОК НЕРАСТВОРИМЫХ ЧАСТИЦ С ТВЕРДЫМИ АТМОСФЕРНЫМИ ОСАДКАМИ

Суммарный поток нерастворимых аэрозолей на поверхность земли в 2020‒2021 гг. на северо-западе Кольского полуострова в среднем составлял 2.26 ± 0.11 мг м^–2 за один снегопад. В их состав входили полимерные волокна и фрагменты, поток которых в среднем – 796 ± 119 N м^–2 (n = 117) за один снегопад, из них: макроволокон – 24 ± ± 2 N м^–2, микроволокон – 70 ± 16 N м^–2, фрагментов – 678 ± 98 N м^–2.

В фоновых районах поток полимерных частиц с твердыми атмосферными осадками за один снегопад в среднем составлял 610 ± 89 N м^–2 (n = 79). В г. Мурманск и его окрестностях в среднем – 1010 ± 114 N м^–2 (n = 38). Везде в составе полимерных частиц преобладали фрагменты размером менее 100 мкм, доля которых не опускалась ниже 54%, в среднем составляя 85 ± 3% в фоновых районах и 90 ± 2% в г. Мурманск и его окрестностях.

В целом с декабря 2020 г. по апрель 2021 г. поступление полимерных макроволокон на поверхность земли уменьшалось (табл. 3). Аномально большое поступление полимерных волокон наблюдалось в феврале 2021 г. (>170 N м^–2, см. табл. 3).

Резко аномальным был апрель 2021 г., когда воздушные массы, принесшие атмосферные осадки, поступали со стороны Ботнического залива (см. рис. 1), в это время на 1 м² земной поверхности северо-запада Кольского полуострова суммарное выпадение полимеров превысило 2200 частиц, в другие месяцы количество поступающих на земную поверхность полимерных частиц не превышало 1000 N м^–2 (см. табл. 3).

В целом если в г. Мурманске и его окрестностях за один снегопад на 1 м² поверхности земли в среднем выпадало более 1000 полимерных частиц, то в фоновых районах региона на единицу площади их поступало в среднем на 30% меньше.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Опираясь на полученные данные и известное количество снегопадов в регионе (табл. 4), можно оценить общее количество полимерных частиц, поступающих на поверхность земли с твердыми атмосферными осадками. С декабря 2020 г. по апрель 2021 г. на северо-западе Кольского полуострова в среднем наблюдалось 69 ± 3 снегопадов (n = 250).

Таким образом, исходя из полученных данных, можно с уверенностью утверждать, что за пять месяцев на 1 км² северо-запада Кольского полуострова поступало от 4 до 36 млрд полимерных частиц, в среднем 12.7 ± 3.2 млрд N км^–2 (n = = 117). Следовательно, поступление полимерных частиц с твердыми атмосферными осадками на изученную часть северо-запада Кольского полуострова за зимний сезон 2020‒2021 гг. можно оценить в сотни триллионов частиц (от 300 до 400 × 10¹² частиц). Из них 79‒91% – это полимерные фрагменты и 7‒14% – полимерные микроволокна.

Как уже было отмечено выше, работ по микропластику в снежном покрове в мировой литературе крайне мало. Первые такие данные появились в 2019 г. [15]. Исследования проводились в нескольких точках в Арктике и Европе. Во всех пробах были обнаружены полимерные фрагменты (<100 мкм) и волокна (размер от 63 до 14 000 мкм). В арктическом снегу содержание синтетических фрагментов составило 1.76 × 10³ N/л, волокон – 1.38 × 10³ N/л. Показано присутствие микропластика в высокогорных районах Пиренеев, где преобладали фрагменты размером менее 50 мкм и волокна длиной 100‒200 и 200‒300 мкм. По приведенным данным среднее поступление полимерных частиц составило 365 N/м² в день (фрагментов 249 N м^–2, волокон 44 N м^–2) [6]. На Эвересте (8440 м над у.м.) обнаружено 30 ± ± 11 N/л микропластика [16]. При исследовании всех видов атмосферных осадков в г. Париже суточное поступление микропластика оценивалось в 2.1‒355.4 N м^–2 (10% фрагменты, 90% волокна, размер 200‒1400 мкм [17]). В г. Гамбург – 136.5‒512 N м^–2 (90% фрагменты, 10% волокна размер 63‒300 мкм [18]). В г. Дунгуань – 175‒313 N м^–2 (20% фрагменты, 80% волокна размер 200‒700 мкм [19]). Нужно отметить, что нижняя размерная граница для полимеров зависит от используемых методов и значительно различается у разных авторов (11 мкм у M. Bergmann и соавт. [15], 50 мкм у R. Dris и соавт. [17], 200 мкм у Cai L. и соавт. [19]). Именно этот факт в большей мере и определяет различие в полученных результатах [20]. Следовательно, при отсутствии единого методологического подхода и методической базы сравнение литературных данных, как между собой, так и с нашими результатами, следует проводить очень аккуратно и на данный момент представляется нецелесообразным.

Подводя итог наших исследований, отметим главное, в твердых атмосферных осадках на северо-западе Кольского полуострова в 2020‒2021 гг. количество полимерных волокон в среднем составляло 735 ± 43 N/л, полимерных фрагментов – 5890 ± 884 N/л (n = 117). Поток полимерных частиц за один снегопад в среднем составлял 796 ± ± 119 N м^–2 (макроволокон – 24 ± 2 N м^–2, микроволокон – 70 ± 16 N м^–2, фрагментов – 678 ± 98 N м^–2, n = 48). За холодный период года поступление полимерных волокон и фрагментов на земную поверхность северо-запада Кольского полуострова в среднем составляло 12.7 ± 3.2 млрд N км^–2 (n = 117), что дает основание оценить суммарное поступление полимерных частиц с твердыми атмосферными осадками на изученную часть региона в 300‒400 триллионов частиц.