Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 4, стр. 411-420

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время пластик – один из наиболее востребованных искусственных материалов, широко применяемых во всех сферах потребления. Объемы мирового производства пластика возрастают с каждым годом. Под пластиком в широком смысле слова в данной работе понимаются искусственно синтезированные высокомолекулярные соединения (полимеры), получаемые с помощью реакции полимеризации и поликонденсации из низкомолекулярных веществ, выделяемых из угля, нефти и природного газа. К ним относятся различные виды пластмасс, резин, синтетических тканей. Наиболее распространенные виды пластика – полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат [10].

Основная часть пластиковых отходов после использования попадает в окружающую среду, в частности в водные экосистемы. При этом процесс полного разложения пластика в природных условиях может занимать сотни и тысячи лет [6]. Однако пластик легко распадается на более мелкие частицы в широком размерном диапазоне. Частицы размером <5 мм называются микропластиком [4]. В зависимости от происхождения микропластик разделяют на первичный и вторичный [8]. Первичный микропластик – это специально произведенные и добавленные в различную продукцию микрогранулы пластика, применяемые в производстве косметики, чистящих средств и наполнителей [11]. Вторичный микропластик – продукты распада в природной среде крупных фрагментов пластика на микроскопические частицы. Микропластик в окружающей среде присутствует в виде обломков различной формы, первичных микрогранул, волокон.

Основные источники попадания пластика в природную среду – бытовые и промышленные сточные воды. Синтетические волокна отделяются от различных вещей при стирке и разрушении тканей. Другой источник пластиковых волокон – рыболовные сети.

Фрагменты микропластика крайне сложно изъять из окружающей среды, и они становятся потенциально опасными для экосистем. Частицы пластика в водной среде обрастают биопленкой, состоящей из микроорганизмов и гумусовых веществ. Микропластик может сорбировать на поверхности токсичные вещества, включая устойчивые органические загрязнители и тяжелые металлы [20]. Частицы пластика вместе с токсикантами могут попадать в живые организмы, передаваясь по пищевым цепям.

Финский залив – крупнейший водный объект Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Он расположен в восточной части Балтийского моря и омывает берега России, Финляндии и Эстонии. Финский залив активно используется в хозяйственных и рекреационных целях. Акватория Финского залива – конечный бассейн стока, куда попадает множество загрязнителей, включая пластиковые частицы, с городскими сточными водами, стоком р. Невы, а также в результате распада на мелкие частицы рыболовных сетей и крупного мусора [1].

Цель данной работы – исследование содержания частиц микропластика на прибрежной территории и мелководной части акватории Невской губы Финского залива.

Задачи работы – анализ концентрации частиц микропластика в воде, донных отложенияx и прибрежных грунтаx, а также исследование химического состава преобладающих типов полимеров на данной территории.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования – вода, прибрежные грунты и донные отложения Невской Губы Финского залива. Пробы были отобраны в 13-ти точках (рис. 1).

Рис. 1.

Картосхема территории отбора проб на побережье восточной части Финского залива. Кружки с числами – точки отбора проб.

Пробы воды поверхностного слоя отбирались при помощи фильтровальной установки в прибрежной зоне на расстоянии ~10 м от уреза воды. Вода фильтровалась через сетку с размером ячейки 100 мкм. Осажденный на сетке материал в дальнейшем исследовался при помощи оптических и спектральных методов.

В точках отбора воды также взяты пробы прибрежных грунтов и донных отложений по методике, разработанной на основе подхода, реализованного в ряде научных исследований [7]. Согласно методике, пробы прибрежных осадков и донных отложений отбирались в ясную погоду в отсутствие объектов и факторов, ограничивающих волновые процессы в зоне контакта морской среды и суши.

На исследуемых участках пляжей были выбраны полигоны протяженностью 100 м вдоль береговой линии.

Для исследования концентрации частиц микропластика в прибрежных грунтах и донных отложениях отбор проб был проведен в трех зонах в пределах одного полигона длиной 100 м (рис. 2):

Рис. 2.

Схема отбора проб прибрежных грунтов и донных отложений.

1) зона заплеска волн – наивысшая отметка максимальной волновой активности, фиксируемая чаще всего по остаткам биогенного и антропогенного материала (сухой тростник, древесные щепки, пластик);

2) линия уреза воды – зона непосредственного контакта кромки воды с сушей;

3) зона донных отложений ниже уреза воды на глубине ~0.5 м.

В каждой зоне проводился отбор проб из пяти точек, распределенных равномерно вдоль всей длины полигона. Таким образом, сформирована усредненная проба для каждой зоны.

В мировой практике аналогичных исследований применялся послойный анализ микропластика в пляжных отложениях. Результаты показали сходные концентрации частиц на глубинах 1–5 см. В связи с этим в данном исследовании глубина отбора проб отложений в береговой зоне составила от 1 до 5 см для всех обследуемых зон прибрежной территории [7].

Для исследования прибрежных грунтов и донных отложений пробы были предварительно подготовлены – микропластик отделен от минерального и органического вещества осадка [19, 22]. В зависимости от вещественного и гранулометрического состава и типа грунта методы выделения частиц микропластика могут несколько различаться. Однако большинство методик зарубежных и российских исследований обязательно включают в себя этапы плотностного разделения составляющих грунта, а также их последующего химического окисления для растворения лабильного органического вещества.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проб воды, прибрежных и донных отложений при помощи оптического микроскопа позволило предварительно оценить количество частиц микропластика, а также их морфологические характеристики.

По форме частиц во всех пробах воды и осадков прибрежной зоны преобладают волокна/нити (рис. 3, 4), что также соотносится c исследованиями в других странах [12, 13, 15].

Рис. 3.

Доли (%) частиц микропластика различной формы в воде по результатам исследования проб Невской губы Финского залива.

Рис. 4.

Доли (%) частиц микропластика различной формы в донных осадках и прибрежных грунтах по результатам исследования проб Невской губы Финского залива.

В пробах воды, донных осадков и в прибрежных грунтoв преобладают частицы размером ≤1.5 мм (1500 мкм) (рис. 5). Это также соотносится с другими исследованиями [18, 21]. Процесс разрушения пластика на мельчайшие фрагменты в природной среде ускоряется под влиянием таких факторов, как ультрафиолетовая радиация и ветер [18].

Рис. 5.

Доли (%) частиц микропластика различных размеров по результатам исследования проб воды и осадков прибрежной зоны Невской губы Финского залива.

Химический состав фрагментов, предварительно идентифицированных как пластик, проанализирован при помощи спектроскопии Рамановской (рис. 6) [5]. Среди нитевидных фрагментов найдены единичные образцы волос и хлопковых нитей. Однако большинство нитевидных частиц идентифицировано как пластик. На большинстве полученных спектров пластика из исследуемого образца наблюдались полосы поглощения, соответствующие полиэтилентерефталату (рис. 6, 7).

Рис. 6.

Полосы комбинационного рассеяния на полученном спектре, соответствующие колебанию молекулярных связей в полиэтилентерефталате.

Рис. 7.

Строение молекулы полиэтилентерефталата.

Полученные данные дополнительно верифицированы при помощи методов спектроскопии ИК-Фурье. На полученных спектрах также наблюдались полосы поглощения, соответствующие полиэтилентерефталату (рис. 8) [20].

Рис. 8.

ИК-спектр исследуемого образца микропластика.

Наличие дополнительных полос поглощения, относящихся к колебанию молекулярных связей, объясняется особенностями пробоподготовки и невозможностью полностью очистить анализируемый образец от примеси соединений, особенно в условиях пресноводных объектов, содержащих большое количество органического вещества. Существующие на данный момент методики пробоподготовки не позволяют полностью избавиться от биологического материала и хлопковых нитей, не повреждая при этом пластиковые фрагменты.

Полученные результаты количественной оценки показали, что концентрации частиц микропластика в грунтах прибрежной зоны значительно выше, чем в воде. Результаты исследования концентрации частиц микропластика в воде, прибрежных грунтах и донных осадках представлены в табл. 1.

Донные отложения служат депонирующей средой, в которой происходит осаждение и накопление частиц микропластика, что подтверждают данные исследований [14]. Это происходит в основном за счет нарастания биопленки (микроорганизмов, детрита, гумусовых веществ). Концентрация микропластика в донных отложениях – наиболее стабильный показатель, чем концентрация в поверхностном слое воды и водной толще, и отражает долгосрочные процессы загрязнения.

По мере удаления от г. Санкт-Петербурга и устья Невы вдоль как северного, так и южного побережья происходит уменьшение концентраций микропластика на урезе воды от 336 частиц на литр в районе Парка 300-летия в Приморском районе г. Санкт-Петербурга до 74 частицы на литр в районе Сестрорецка (рис. 9). Очевидно, что сток р. Невы – один из основных источников загрязнения вод Невской губы; при впадении Невы в Финский залив происходит разбавление вод, загрязненных частицами микропластика, и дальнейший их транзит и распределение в соответствии с господствующим гидродинамическим переносом в западном направлении.

Рис. 9.

Распределение микропластика в донных отложениях и прибрежных грунтах по результатам исследования проб Невской губы Финского залива (частицы/литр).

Для донных отложений закономерность уменьшения концентраций микропластика с востока на запад прослеживается только вдоль южного побережья Невской губы, а на севере данная закономерность, вероятно, нарушается наличием локальных источников загрязнения. Так, в районе пос. Солнечного наблюдается увеличение концентраций микропластика в донных отложениях по сравнению с районом Лисьего носа, что может быть объяснено поступлением частиц со стоком р. Сестры, их выносом и постепенным осаждением в непосредственной близости от устья.

По данным о содержании микропластика в прибрежных грунтах, отобранных в зоне заплеска, невозможно проследить таких очевидных тенденций, однако в целом по северному побережью получены более высокие концентрации. Возможно, это связано с преобладанием аккумуляционных типов берегов в северной части залива.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выбор методик пробоотбора и пробоподготовки зависит напрямую от особенностей конкретного водного объекта, егo географического положения, сезона отбора проб и, как следствие, количества биологического материала и взвешенных частиц в воде.

В связи с большим количеством биологического материала, содержащегося в пробах воды, прибрежных грунтах и донных отложениях Невской губы Финского залива, требуются дополнительные этапы лабораторной пробоподготовки. Методика, предложенная в данной работе, не позволяет полностью удалить биологический материал и другие факторы, которые могут искажать данные визуального и спектрального анализа.

Полученные в работе результаты показали, что исследование распределения концентраций частиц микропластика должно проводиться по данным, полученным отдельно для однотипных мест отбора –зоны уреза воды, зоны заплеска волн, проб донных отложений в прибрежной зоне. На данный момент сравнение концентраций микропластика из трех зон в каждой точке в отдельности нецелесообразно из-за множества факторов распределения частиц в этих зонах. Среди этих факторов стоит выделить поступление частиц с поверхностным стоком (смыв с водосборной площади), характер волнения и береговых процессов, определяющих поступление частиц из водной среды в зону заплеска, а также их смыв с поверхности пляжа обратно в водную среду. Определить степень участия каждого из перечисленных факторов в распределении частиц микропластика по зонам в каждой конкретной локации на сегодня невозможно из-за ограниченности да-нных.

В зоне заплеска волн влияние факторов, определяющих концентрации частиц пластика, наиболее неоднородно и определяется погодными условиями, характером волновых процессов, штормами, предшествовавшими моменту отбора проб в береговой зоне. При этом, вероятно, в зоне, где господствуют аккумуляционные береговые процессы, возможны концентрации, повышенные по сравнению с зоной, где развита абразия берегов. Концентрации микропластика на урезе воды характеризуют поступление частиц из поверхностного слоя воды; эти данные в меньшей степени искажаются погодными условиями при соблюдении рекомендаций по отбору проб, предусматривающих проведение отбора в период со слабым ветровым волнением или при штиле.

Основной источник загрязнения вод Невской губы – г. Санкт-Петербург с р. Невой, выносящей частицы микропластика в Финский залив, где они далее распределяются в соответствии с господствующим гидродинамическим атмосферным переносом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема загрязнения водных объектов микропластиком – относительно нова и с каждым годом привлекает все больше внимания исследователей. В настоящее время в России эта тема только начинает развиваться. В настоящей работе исследованы воды, донные отложения и прибрежные грунты Невской губы Финского залива. Выявлены преобладающие формы частиц, их размерный диапазон, химический состав полимеров и их количественное содержание.