Почвоведение, 2022, № 3, стр. 370-380

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы особое внимание уделяется загрязнению природной среды пластиком и микропластиком, который обнаруживается в различных компонентах и представляет собой новую угрозу природным экосистемам и здоровью человека [3, 17, 34]. Однако, несмотря на огромный интерес к данной проблеме в целом, и тот факт, что еще в 1970-х годах идентификация микропластика была выполнена не только в морской среде, но и на побережье [9, 14], почвы до недавнего времени оставались практически вне поля зрения ученых. Лишь в 2012 г. на актуальность и необходимость исследований наземных экосистем и почв в связи с их загрязнением микропластиком указал М. Риллиг [31]. Менее чем за 10 лет работы по изучению загрязнения активизировались в различных странах, подтверждая как глобальный характер распространения микропластика [3, 4, 25, 30, 36], так и его негативное воздействие на почвенную биоту [2, 7, 18, 21]. Распространение микропластика в почвах достигло уровня, который нельзя игнорировать, поскольку объемы аккумуляции могут значительно превышать его накопление в Мировом океане [3, 16, 18].

Загрязнение почв микропластиком отличается чрезвычайным разнообразием, что обусловлено широкой вариабельностью размеров частиц пластика, их характеристик (формы, физических и химических свойств и др.), источников поступления и путей распространения. Накопленный к настоящему времени опыт исследований, представленный в ряде обобщающих работ [6, 17, 22, 27, 29, 37], а также теоретические расчеты и моделирование [26, 36] подтверждают многогранность проблемы в связи с растущими объемами отходов пластика, огромным количеством источников и потоков, а также объектов живой и неживой природы, на которые воздействует микропластик.

Различают первичный пластик, представляющий собой сырье в виде твердых гранул или порошка, и вторичный – фрагменты готовых изделий и отходов. В большинстве случаев и первичный, и вторичный пластик поступает именно в почву и лишь затем перераспределяется с радиальными и латеральными потоками в другие природные среды. Попадая в почву, пластик сохраняется многие годы, подвергаясь механическим и биологическим воздействиям, воздействию ультрафиолета, колебаниям температуры и влаги. Фрагментация и частичная деградация пластика делает его биодоступным, что представляет потенциальный риск для организмов.

Особого внимания заслуживает полистирол как один из приоритетных по масштабам производства и применения полимеров (после полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида). По состоянию на 2015 г. объемы производства полистирола в глобальном масштабе составили 25 млн т, что составляет 7.6% общего объема полимеров [13]. Полистирол производится в виде мелких гранул размером от <1 до 4 мм, которые могут рассыпаться на различных этапах обращения с сырьем. Продукция из полистирола, в том числе пенополистирольные плиты (пенопласт), состоящий на 98% из воздуха, легко ломается и крошится, и, оказавшись в окружающей среде, может легко переноситься ветром и поверхностным стоком. Негативные воздействия микропластика полистирола на живые организмы уже получили подтверждение. Так, на опасность полистирола для почвенной биоты (дождевых червей) указано в исследованиях [7, 20], для человека – в работе [19].

Вместе с тем изученность загрязнения почв микропластиком в полевых условиях, включая микропластик полистирола, очень низка [21]. Практически нет работ, посвященных промышленным предприятиям как источникам воздействия.

В Беларуси с 2010 г. объемы использования только вспенивающегося полистирола составляют около 20 тыс. т ежегодно, а объемы производства пенополистирольных изделий в целом составляют от 46.3 до 63.1 тыс. т [1]. Насчитывается несколько десятков промышленных предприятий по производству пенополистирольных плит.

Цель работы – количественно оценить содержание частиц микропластика в почве и других твердых субстратах в зоне воздействия предприятия по производству пенополистирольных плит.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования выбрано предприятие по производству пенополистирольных плит и других изделий из пенопласта, расположенное в юго-западной части г. Минска (Беларусь) вблизи малой р. Мышка, на левом высоком берегу. Технологический цикл производства включает процесс вспенивания гранул полистирола. Отходы от производства и брак отправляются на дробильную установку и возвращаются в технологический процесс. Производство осуществляется с 1991 г.

На территории предприятия неперекрытые участки почвы сохранились в виде небольших газонов с травянистой растительностью и посадками декоративных кустарников, также имеются незадернованные участки. Поверхностные горизонты почвы представлены насыпными грунтами (песком разнозернистым, супесью гумусированной). На асфальтированной поверхности в понижениях, в том числе у ливневых решеток и бордюров, сформировались наносные грунты, представленные песком мелкозернистым и тонкозернистым с различными техногенными примесями, включая фрагменты пенополистирольных плит и вспененные гранулы полистирола. Поскольку наносные грунты могут перемещаться с различными потоками за пределы промплощадки, выполнен их отбор на различном удалении от цеха по производству пенополистирольных плит и склада открытого хранения.

С учетом рельефа местности и направления поверхностного стока повышенное внимание уделялось сохранившемуся в естественном состоянии участку поймы р. Мышка, удаленному от производственных цехов на 500–600 м. Четко выраженные уклоны поверхности обеспечивают поступление поверхностного стока с территории предприятия. На данном участке пойма реки расширяется до 100 м; в ее пределах имеются остатки небольших старичных водоемов и старое русло, пересыхающие (или сильно мелеющие), как и основное русло, в летний сезон. Русло реки слабо выражено в рельефе. При выборе точек опробования принималось, что во время ливневых осадков или таяния снега поверхность данного участка может полностью затапливаться. Почва аллювиальная (Fluvisols); поверхностные горизонты представлены супесью иловатой, местами оторфованной, с включениями песка и мелких камней. В ряде случаев четко выделяются слои наносных грунтов.

Исследования показали, что фрагменты пенопласта и вспененные гранулы полистирола хорошо диагностируются визуально как на поверхности почвы (под опавшими листьями), так и на глубине до 15–20 см.

Отбор проб почв осуществлялся по обе стороны русла реки, на разном удалении от крутого склона долины, где размещена промплощадка. С использованием пробоотборника из металла, как указано в работе [5], отбирались смешанные и точечные пробы (табл. 1). Смешанная проба формировалась из пяти точечных проб с площади примерно 5 × 5 м.

Стандартизированные методы выделения и количественного определения содержания частиц микропластика из почвы отсутствуют. В зависимости от целей и задач исследований, типов пластика и субстратов используется сочетание методов с первоначальным фракционированием проб на ситах и флотацией в различной плотности растворах или в специальных аппаратах, а также термоаналитических, микроскопических, спектроскопических и других методов [15, 16, 23, 24, 35, 37–39].

Для определения содержания частиц микропластика полистирола выбраны и применены следующие методы: просеивание с использованием стандартного набора сит, флотация в дистиллированной воде и нагревание.

На первом этапе проба почвы и других субстратов после высушивания до воздушно-сухого состояния осторожно перемешивали для исключения механического повреждения частиц полистирола, раскладывали на крафт-бумагу равномерным слоем в виде квадрата и квартовали. После извлечения крупных включений (камней, корней растений) из центра каждой части отбирали пробу в бюкс объемом 70 мл, обеспечивая захват всей толщины слоя. Всего из одной пробы отбирали 4 бюкса. Каждый бюкс взвешивали до и после его заполнения. Далее пробу из каждого бюкса просеивали на ситах 5, 3, 2 и 1 мм. Полученные фракции взвешивали, после чего во фракциях более 2 мм проводили подсчет визуально заметных фрагментов полистирола и рассчитывали их среднее значение.

Общий вид некоторых фракционированных проб приведен на рис. 1.

Рис. 1.

Общий вид некоторых проб твердых субстратов после фракционирования с использованием сит: a – наносного грунта (пробы 237), b – почва с промплощадки (проба 236), c – почва с поймы (проба 289).

В более мелких фракциях частицы полистирола были заметны, однако оценить их количество не представлялось возможным. Поэтому для проб с размерами частиц 1–2 и <1 мм применяли дополнительный метод флотации в дистиллированной воде. Для этого пробу соответствующей фракции снова квартовали, и отбирали усредненную навеску 10 г. Затем проводили очистку почвы с целью удаления естественных органических остатков, которые всплывают в воде и мешают определению частиц полистирола. Для этого пробу обрабатывали 30%-ным раствором перекиси водорода в соотношении 1 : 5. Согласно [11], данный реагент используется чаще других для аналогичных целей. Полученную суспензию тщательно перемешивали и оставляли до окончания реакции перекиси водорода с органической частью. После разложения растительных остатков к пробе доливали 50 мл дистиллированной воды. Раствор тщательно взбалтывали для высвобождения полистирола от частиц почвы и отстаивали для осаждения взвешенных частиц. Далее полученный раствор подогревали в сушильном шкафу при температуре около 100°С до полного испарения воды и получения сухой почвы. Под действием температуры гранулы сырья полистирола начинали набухать и вспениваться, что в дальнейшем позволяло визуально определить их количество в выбранной навеске (рис. 2).

Рис. 2.

Общий вид некоторых проб твердых субстратов после флотации и нагрева. Пробы сверху: a – наносного грунта (проба 237), b – почва с промплощадки, 0–5 см (проба 240); c – почва с промплощадки, 10–15 см (проба 241); пробы снизу: a – наносного грунта (проба 237); b – почва с промплощадки, 0–5 см (проба 236); c – почва с промплощадки, 10–15 см (проба 241).

В ряде проб из-за того, что после их высушивания имелись сцементированные глинистыми частицами фрагменты, в которых могли быть частицы полистирола, фазу фракционирования пропускали. Из пробы путем квартования отбирали навеску почвы 10 г, которую заливали дистиллированной водой в соотношении почва : вода – 1 : 5 и тщательно взбалтывали для высвобождения полистирола. Затем повторяли процедуру с нагревом и последующим подсчетом вымытых водой и/или вспененных гранул полистирола. В некоторых случаях гранулы полистирола, оставаясь сильно загрязненными почвой, достаточно хорошо выделялись по морфологическим и другим признакам (рис. 3).

Рис. 3.

Общий вид некоторых проб твердых субстратов после флотации и нагрева (без фракционирования на ситах): a – почва с поймы, 0–13 см (проба 273), b – почва с поймы, 0–18 см (проба 279); c – донные отложения, 0–5 см (проба 286).

Всего было проанализировано 17 проб почвы, 4 пробы донных отложений и 4 пробы техногенных грунтов.

При оценке общего содержания частиц микропластика полистирола в пробах почвы и других субстратов суммировали данные по фракциям от <1 до 5 мм. Количество частиц микропластика пересчитано на килограмм сухой массы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полистирол в пробах почв и грунтов промплощадки. Результаты исследований показали, что во всех пробах содержатся частицы полистирола. При этом в пробах наносных грунтов, сформированных вблизи цеха по производству плит и места хранения готовой продукции на расстоянии от 5 до 20 м, хорошо выделяются фрагменты пенополистирольных плит размером от 5 до 25 мм, а также отдельные гранулы вспененного полистирола белого цвета. Во фракциях проб размером от 2 до 5 мм также присутствуют фрагменты пенопласта и гранулы серого и белого вспененного полистирола. Во фракциях 1–2 и <1 мм количество таких частиц особенно высоко и достигает сотен и тысяч единиц на килограмм грунта (табл. 2).

Суммарное содержание частиц микропластика полистирола (размером <5 мм) в наносных грунтах варьирует в пределах 621–5594 ед./кг грунта. Максимальное количество частиц полистирола размером <5 мм зафиксировано вблизи цеха по производству пенополистирольных плит (проба 237). Обращает на себя внимание большое содержание частиц полистирола в пробах наносного грунта, отобранного у ливневой решетки (проба 239) – примерно 2900 ед./кг субстрата. В пробе грунта, отобранного на удалении от источников на 340 м, обнаружены частицы размером 1–2 и <1 мм, что свидетельствует о рассеянии на промплощадке гранул сырья полистирола.

В пробах почвы, отобранной на промплощадке на разном удалении от цеха по производству пенополистирольных плит, содержание частиц микропластика варьирует от 90 до 315 ед./кг сухого вещества. Фрагменты готовых изделий (пенопласта) обнаружены в почве на ближайшем к цеху газоне (проба 236); в других пробах присутствуют гранулы вспененного полистирола и гранулы сырья. Максимальное количество частиц полистирола, представленных в основном фракцией <1 мм, зафиксировано в почве на глубине 10–15 см, что может означать перемещение микропластика вниз по профилю (с водой по корням растений, ходам землеройных животных и дождевых червей).

В целом основное количество выявленных частиц микропластика в техногенных грунтах и почве на территории промплощадки представлено фракциями 1–2 и <1 мм, на долю которых в техногенных грунтах приходится иногда до 99–100% (рис. 4, А). В пробах поверхностных горизонтов почвы доминируют частицы полистирола размером 1–2 мм, на глубине 10–15 см – <1 мм (рис. 4, В).

Рис. 4.

Доля частиц полистирола различных фракций в пробах наносных грунтов (a) и почв (b), отобранных на промплощадке предприятия по производству пенополистирольных плит.

Полистирол в почвах зоны влияния предприятия. В пробе почвы, отобранной вблизи предприятия на газоне, общее количество зафиксированных частиц полистирола размером <5 мм оценивается в 86 ед./кг сухого вещества, в том числе размером менее <1 мм – 64 ед./кг сухого вещества. Это означает, что несмотря на слабо выраженный уклон поверхности, поступление сюда частиц полистирола (прежде всего, в виде гранул сырья) осуществляется с поверхностным стоком с промплощадки.

Значительно больше содержание частиц полистирола в пробах почв, отобранных в пойме р. Мышка (табл. 3).

Максимальное содержание (8875 ед./кг сухого вещества) зафиксировано в поверхностных горизонтах почвы (проба 289, 0–5 см) возле потенциального места поступления поверхностного стока с промплощадки. Именно вблизи заложения данной точки обнаруживаются скопления фрагментов пенопласта и вспененных гранул полистирола, которые частично перекрыты опавшими листьями. В почве доминируют вспененные гранулы с размерами частиц от 2 до 5 мм, на долю которых приходится 88% общего количества частиц микропластика. Отобранная рядом проба донных отложений в русле (проба 271-2) с глубины 5–10 см характеризуется сходным содержанием частиц полистирола (5977 ед./кг), хотя соотношение здесь вспененных гранул размером от 2 до 5 мм и гранул сырья (<2 мм) примерно одинаково.

Для ряда проб применяли лишь метод флотации с нагревом, поскольку полистирол был прочно сцеплен с почвой и остатками растительности и находился как во вспененной форме, так и в виде сырья. Содержание частиц полистирола в таких пробах варьировало от 200 до 1300 ед./кг сухого вещества в почве и от 100 до 700 ед./кг сухого вещества в донных отложениях.

Во всех смешанных пробах, характеризующих почву поймы на данном участке на глубину до 15–18 см, обнаружены частицы полистирола. Их содержание находилось в диапазоне от 94 до 2100 ед./кг сухого вещества. Во всех случаях преобладали частицы полистирола размером <2 мм, выявляемые только при нагревании пробы за счет их вспенивания. Сравнение результатов определения микропластика в пробах почвы, отобранных на левом и правом берегах реки, позволяет сделать вывод о вариабельности их содержания и достаточно близких уровнях. Так, количество частиц полистирола размером <2 мм соответственно составило 272–1425 и 69–689 ед./кг сухого вещества. Тем самым подтверждается предположение о распространении и латеральном перераспределении микропластика при колебаниях уровня воды в реке и при затоплении поймы. Легкие частицы полистирола могут всплывать на поверхность и при подъеме воды перемещаться от непосредственного места их поступления, закрепляясь в последующем за растения и частицы почвы. На миграцию микропластика в пределах водосборов и их поступление в почву пойменных ландшафтов указано в работах [26, 33, 36], хотя и собственно аквальные системы могут быть источником загрязнения почв микропластиком [6].

Получены подтверждения радиального распространения частиц полистирола в пределах поймы, о чем свидетельствуют результаты их определения на глубинах 5–20 (проба 288) и 15–20 см (проба 290). Содержание частиц микропластика в указанных пробах составило 694 и 3252 ед./кг соответственно. Как и в поверхностных отложениях, преобладали частицы размером <2 мм. В пробе 290 содержание частиц полистирола разных фракций на глубине 15–20 см оказалось гораздо большим по сравнению с поверхностным горизонтом (рис. 5). Вероятно, это связано с характером формирования пойменных отложений и их пополнением привнесенными с ливневыми или паводковыми водами минеральными частицами, которые могут перекрывать поступившие ранее частицы полистирола. Содержание частиц микропластика полистирола в наносных грунтах на территории промплощадки варьирует в пределах 621–5594 ед./кг грунта, что близко значениям, полученным для пойменной почвы в зоне влияния предприятия. Не исключаются и другие механизмы миграции частиц полистирола вниз по профилю, как и других полимеров [29, 37].

Рис. 5.

Распределение частиц полистирола в пробах почвы поймы р. Мышка по фракциям: а – проба 288, b – проба 290.

Обнаружен полистирол и в пробе донных отложений (34 ед./кг) даже на удалении более 800 м от предполагаемого места поступления (проба 292), что свидетельствует о его дальнейшем перераспределении вниз по течению реки и возможном выносе в принимающую р. Лошица и далее р. Свислочь.

ОБСУЖДЕНИЕ

Большое количество частиц полистирола в почве, зафиксированное на территории и в зоне влияния предприятия по производству пенополистирольных изделий, свидетельствует о необходимости более пристального внимания к данной категории объектов. Именно промышленные предприятия могут являться значительным источником поступления в почву частиц микропластика разного генезиса – и первичных гранул, и вторичных полимеров в виде отходов. Следует отметить, что в зависимости от технологии производства и назначения выделяются вспененный, экструдированный или ударопрочный полистирол, различающиеся физико-химическими свойствами и составом используемых добавок. Соответственно их отходы, как и первичные гранулы сырья, будут отличаться поведением в окружающей среде. По сравнению с другими полимерами полистирол обладает гораздо более высокой способностью сорбировать загрязняющие вещества, как это показано на примере полициклических ароматических углеводородов [32]. Экологические риски могут быть существенно больше при условии присутствия в полистироле гексабромциклододекана, который на протяжении многих лет использовали в качестве антипирена и который является стойким органическим загрязнителем.

В целом уровни накопления частиц полистирола в почвах поймы оказались самыми высокими, что связано с длительным периодом функционирования предприятия и аккумуляцией микропластика в почве и русловых отложениях. Сохранившийся участок поймы в данном случае, являясь соподчиненным в системе местных ландшафтов, выступает природным “депо” по отношению к частицам полистирола (возможно и другим загрязняющим веществам).

Полученные данные не являются исчерпывающими ни в отношении дальности переноса частиц полистирола, ни глубины его миграции. Однако они указывают на потенциальную опасность дальнейшего рассеяния микропластика и выноса его в городские речные экосистемы.

Следует отметить, что пока крайне мало публикаций, касающихся изучения частиц полистирола в почве, хотя именно гранулы полистирола (размером от 0.1 до 2 мм) были впервые идентифицированы в прибрежных водах южной части Новой Англии [8, 9]. В целом разнообразие типов пластика и применяемых единиц измерения, в том числе в отношении размеров частиц микропластика, затрудняют сопоставление полученных данных. К настоящему времени в почве идентифицированы частицы полиэтилена (ПЭ), полиэтилентерефталата (ПЭТ), полипропилена (ПП), полистирола (ПС), поливинилхлорида (ПВХ), акрил-бутадиен-стирола (АБС), полиамида, полиэфира и др. [25, 36].

Например, в пойменных почвах Швейцарии общее количество микропластика оценено в 593 ед./кг или 55.5 мг/кг; 88% частиц представлены размерами 125–500 µм; в перечне типов пластика – ПЭ, ПС, ПВХ и другие полимеры [33]. Здесь пойменные почвы рассматриваются как нижнее звено в системе сопряженных ландшафтов в водосборе. Приведенные в ряде работ данные о доле частиц полистирола в почвах наряду с другими типами полимеров касаются почв сельскохозяйственных угодий [10, 28], пляжей [40] и связаны с другими источниками их загрязнения. В почвах промплощадок, исследованных в г. Сидней (Австралия), более 80% выявленных частиц микропластика было представлено ПВХ; общее же количество частиц микропластика варьировало от 300 до 67500 мг/кг при среднем значении 2000 мг/кг [12]. Если говорить об изученности проблемы, то сельскохозяйственным почвам, которые подвергаются воздействию мульчирования осадками сточных вод и соответственно загрязнению частицами микропластика, посвящено наибольшее количество работ; обобщение количественных данных представлено в литературе [11, 27].

Большое количество частиц микропластика в почве в зоне влияния предприятия по производству пенополистирольных плит, выявленное в ходе наших исследований, свидетельствует о необходимости принятия природоохранных мер по предотвращению рассеяния гранул сырья, а также минимизации распространения отходов пенопласта.

Особого внимания заслуживают наносные грунты на промплощадке, которые помимо перераспределения с ливневыми и талыми водами на прилегающие территории, поступают в ливневую канализацию, а также при уборке территории на полигоны отходов. Это означает, что влияние предприятия значительно шире и должно приниматься во внимание при развитии исследований, касающихся загрязнения окружающей среды микропластиком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые выполнены исследования в зоне воздействия промышленного предприятия по производству пенополистирольных плит, которое представляет собой один из важнейших, весьма распространенных источников поступления частиц полистирола в почву и другие компоненты природной среды. Показано, что рассеяние гранул сырья полистирола (с размером <2 мм) и отходов производимой продукции (в виде вспененных гранул и крошки пенопласта) приводит к загрязнению почв не только на промплощадке, но и за ее пределами. Зафиксированные высокие уровни загрязнения почвы пойменного участка малой реки, расположенного на удалении 500–600 м от предприятия, свидетельствуют о миграции частиц полистирола, прежде всего с поверхностным стоком.

Количество частиц микропластика размером <5 мм достигает сотен и тысяч единиц в пересчете на килограмм сухого вещества, при этом доминирующей фракцией является микропластик размером <1, иногда 1–2 мм, которыми представлены различные типы сырья. Микропластик зафиксирован как в верхних горизонтах почвы (0–5 см), так и на глубине до 15–20 см. Установлено, что в верхних горизонтах преобладают фрагменты вспененного полистирола (осколки плит, либо отдельные вспененные гранулы), тогда как глубже полистирол присутствует в виде гранул сырья.

Выполненные исследования являются первым шагом освоения методов выявления и количественного определения частиц микропластика полистирола. В дальнейшем необходимо привлечение дополнительных методов идентификации частиц микропластика, поскольку помимо гранул полистирола размером <1 мм, которые могут вспениваться при нагревании, в почве могут присутствовать частицы пенопласта, не обладающие такой способностью.