Микропластик оказался химически активным даже в обычной воде
Микропластик способен вступать в химические взаимодействия с окружающей водой и создавать условия для образования высокоактивных частиц, потенциально опасных для живых клеток. К такому выводу пришли исследователи Колумбийского университета и Калифорнийского университета в Беркли, обнаружившие ранее неизвестный механизм химической активности распространённых пластиков.
Долгое время полиэтилен, полипропилен и многие другие полимеры считались относительно химически инертными материалами, то есть слабо вступающими в реакции при обычных условиях. Однако новое исследование показало, что при измельчении пластика до микроскопических частиц ситуация меняется: граница между пластиком и водой становится местом протекания химических процессов, которые могут влиять на окружающие молекулы.
Когда крупный пластиковый предмет распадается на множество мелких фрагментов, общая площадь поверхности материала значительно увеличивается по отношению к его объёму. В результате гораздо большая часть полимера непосредственно контактирует с водой и растворёнными в ней веществами.
Учёные исследовали шесть распространённых видов пластика: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и полиметилметакрилат. С помощью флуоресцентной микроскопии и химических индикаторов они обнаружили образование активных форм кислорода непосредственно вблизи поверхности частиц всех шести материалов.
Особое внимание исследователи уделили гидроксильным радикалам (•OH) — чрезвычайно реакционноспособным частицам, способным окислять органические молекулы. Их образование наблюдалось при контакте микропластика с водой в обычных лабораторных условиях, без необходимости предварительно облучать материал ультрафиолетом или подвергать его сильному нагреву.
При этом интенсивность процесса зависела от химического состава полимера. Наиболее выраженная активность наблюдалась у полиэтилена и полипропилена, тогда как полиэтилентерефталат и полиметилметакрилат демонстрировали существенно более слабый эффект.
Чтобы выяснить причину необычного поведения микропластика, исследователи использовали компьютерное моделирование молекулярных взаимодействий и квантово-химические расчёты. Оказалось, что важнейшую роль играет гидрофобность поверхности — её способность отталкивать воду.
Вблизи гидрофобного пластика структура водородных связей между молекулами воды отличается от той, которая характерна для основного объёма жидкости. Одновременно на границе раздела возникают электрические поля, способные влиять на энергетические условия химических реакций.
Согласно расчётам, в такой среде гидроксид-ионам (OH⁻) становится энергетически легче отдавать электрон, что создаёт предпосылки для образования гидроксильных радикалов. Чем более гидрофобной была поверхность исследованного полимера, тем сильнее проявлялась эта химическая активность.
Эксперименты подтвердили связь между свойствами поверхности и образованием активных частиц. В частности, добавление поверхностно-активного вещества, изменяющего взаимодействие полистирола с водой, заметно снижало интенсивность наблюдаемых реакций.
Таким образом, источником необычной активности оказывается не обязательно разложение самого пластика или выделение содержащихся в нём добавок. Существенную роль могут играть физико-химические процессы, возникающие непосредственно на границе контакта полимерной поверхности с водой.
Исследователи также проверили, способны ли обнаруженные процессы влиять на биологические молекулы. Эксперименты показали, что на поверхности микропластика могут накапливаться белки и фрагменты ДНК, причём характер их взаимодействия зависит от электрических свойств и гидрофобности полимера.
При контакте с частицами полистирола наблюдалась агрегация лизоцима — белка, выполняющего защитные функции в организме. Добавление вещества, способного улавливать свободные радикалы, уменьшало этот эффект, что указывает на участие окислительных процессов в изменении структуры белка.
В отдельной серии экспериментов учёные использовали эритроциты мышей. После контакта с частицами полистирола некоторые клетки теряли характерную дискообразную форму, деформировались и повреждались. Анализ высвобождения гемоглобина подтвердил разрушение части эритроцитов, причём степень повреждения различалась в зависимости от типа пластика.
Полученные результаты указывают на возможный дополнительный механизм биологического воздействия микропластика. Помимо механического взаимодействия с тканями и переноса химических загрязнителей, сами поверхности пластиковых частиц могут способствовать образованию реакционноспособных соединений.
Микропластик уже обнаруживали в различных природных средах, пищевых продуктах и биологических образцах. Поэтому способность его поверхности создавать условия для окислительных реакций представляет интерес не только для химии материалов, но и для исследований возможных последствий загрязнения окружающей среды.
Однако авторы подчёркивают, что обнаружение химической активности не означает автоматического подтверждения вреда для человека при обычных уровнях воздействия. Эксперименты с белками и эритроцитами проводились в контролируемых лабораторных условиях, а реальные биологические среды содержат множество веществ, способных изменять или подавлять подобные реакции.
Пока остаётся неизвестным, насколько интенсивно этот механизм проявляется в человеческом организме, какие концентрации микропластика необходимы для заметного повреждения тканей и как долго сохраняется химическая активность частиц в различных условиях.
Тем не менее исследование меняет представление о поведении пластиковых частиц в водной среде. Оно показывает, что при оценке потенциальной опасности микропластика необходимо учитывать не только размер, количество и химический состав частиц, но и свойства их поверхности. В дальнейшем это может помочь разработать полимерные материалы, которые будут создавать меньше реакционноспособных соединений при контакте с водой.
Результаты исследования в научном журнале Nature.