Autoři
Tomáš Mackuľak, Anna Grenčíková, Paula Brandeburová
Kľúčové slová
mikroplasty a ich zdroje – čistiarne odpadových vôd – potravový reťazec – ekotoxicita
Mikroplasty predstavujú novo objavujúce sa polutanty globálnych rozmerov. Sú dostatočne malé aby mohli byť prijímané širokou škálou organizmov a v rozmeroch nano škály prestupovať niektoré biologické bariéry. Rovnako ako mikroplasty, i chemické aditíva pridávané do plastov v priebehu ich výroby a ktoré môžu byť následne z plastov uvoľňované, vstupujú do potravového reťazca a predstavujú potenciálnu hrozbu i pre ľudské zdravie. V predkladanom článku, rozoberáme zdroje mikroplastov, sumarizujeme doposiaľ známe informácie o ich správaní sa na čistiarňach odpadových vôd a ich možný dopad na životné prostredie.
Úvod
Vek plastov, odštartovaný v roku 1907 vývojom prvého umelého polyméru – bakelitu, naberá v 40. rokoch exponenciálny ráz a vďaka optimalizácii nenákladných výrobných techník trh spotrebného priemyslu zaplavuje plejáda ľahkých, trvácnych, inertných a korózii odolných materiálov [1]. Záujem mnohých vedeckých skupín už niekoľko rokov púta snaha odhadnúť množstvo vyrobených syntetických a polysyntetických polymérov za posledných 80 rokov. Gayer a kolektív vo svojej štúdii odhadujú množstvo vyrobených plastov do roku 2015 na 8,3 miliardy ton, pričom recyklácia tejto masy materiálu nedosahuje ani desatinu z celkového množstva [2]. Za posledných 15 rokov sa výroba plastov celosvetovo minimálne zdvojnásobila a ak bude súčasný trend pokračovať, do roku 2050 je možné očakávať až 12 miliárd ton plastového odpadu. Rovnaká vedecká skupina vo svojich prácach upozorňuje na prienik plastového odpadu z pobrežných oblastí do oceánov. Podľa tejto štúdie končí v oceánoch každoročne približne 8 miliónov ton plastového odpadu, a to predovšetkým vo forme obalových produktov rôznych veľkostí. Plávajúci plast pritom tvorí len približne 10 % z celkového množstva, zvyšných 90 % je možné nájsť v morskom sedimente alebo rozptýlené v objeme morskej vody [3]. V súčasnosti je možné pozorovať vedecký záujem najmä v oblasti monitoringu či správania sa nie len makro plastových objektov ale aj ich mikro či nano ekvivalentov [4–7]. Prítomnosť malých plastových fragmentov v otvorenom oceáne bola popisovaná už v 70. rokoch minulého storočia Carpenterom a Smithom [8]. Úsilie vedcov za poslednú dekádu však odhalilo, že sa jedná o široko rozšírenú skupinu kontaminantov vykazujúcu potencionálne toxický účinok na prítomnú biotu, vrátane ľudskej populácie [9].
Zdroje mikroplastov v životnom prostredí
Mikroplasty typicky predstavujú skupinu syntetických polymérov s veľkosťou < 5 mm [10]. Ako primárny zdroj mikroplastov je možné považovať automobilový a kozmetický priemysel i nové aplikácie v oblasti modernej medicíny [9, 19, 20]. Pre kozmetické účely sú obvykle používané polyetylénové či polypropylénové granuláty (< 5 mm) a polystyrénové sférické častice (< 2 mm) [11]. Je možné pozorovať aj nárast štúdií popisujúcich diagnostiku menších častíc rôznych i nepravidelných tvarov s typickými rozmermi v rozsahu < 0,5 mm až < 0,1 mm približujúcich sa tým, využívaným na poli farmakologického výskumu [12, 13]. Rovnaké je zaradenie i priemyselných odpadov v podobe plastových peliet v rozmeroch 2 až 5 mm či odpadov vznikajúcich novo pri technológii 3D tlače [4, 14]. Zaujímavosťou je vznik mikroplastového odpadu pri úprave povrchov tlakovými abrazívnymi čistiacimi technológiami, pri ktorých sú ako pieskovacie prostriedky využívané mikroplasty na báze akrylu, melamínu alebo polyesteru. V priebehu procesu pieskovania sa tieto častice dostávajú do styku i s toxickými kovmi a môžu byť nimi kontaminované [14].
Ako sekundárne mikroplasty je možné označiť fragmenty príslušných rozmerov odvodené z ich makroštruktúr narušením ich pôvodnej integrity účinkom rôznych degradačných postupov. K fragmentovaniu dochádza účinkom žiarenia, oxidujúcich prvkov ale i hydrodynamických pomerov vo vodných tokoch či oceánoch [15]. Výsledkom tejto činnosti sú mikroelementy detekované vo veľkosti už 1,6 μm, pričom je predpoklad, že dochádza k ich ďalšiemu fragmentovaniu [16]. K sekundárnym mikroplastom sú zaraďované i tie, vznikajúce opotrebovaním textilných materiálov, a to už priamo v práčovniach či pracích zariadeniach bežných domácností a sušiarňach.Čistiarne odpadových vôd a mikropolutanty
Prítomnosť mikroplastov v rôznych zložkách životného prostredia v globálnom rozsahu vzbudzuje signifikantné obavy, spájané s identifikáciou nových a potenciálnych zdrojov mikro až nanopolutantov [17]. Niekoľko štúdií odkazuje na čistiarne odpadových vôd ako na možné kontinuálne bodové zdroje znečistenia povrchových vôd mikroplastami. Tie sa môžu následne šíriť vodnou cestou až do oceánov, kde sa koncentrujú [18–20]. Jedná sa prevažne o mikroplasty na báze polyetylénu (PE) a polypropylénu (PP), polystyrénu (PS), polyamidu a nylonových vláken, ktoré sú do odpadových vôd emitované najmä z kozmetických výrobkov, opotrebovávaním materiálov textilného priemyslu či odpadovými prúdmi automobilového priemyslu. Štúdia realizovaná na čistiarni v Škótsku popisuje značné množstvá mikroplastov, a to viac ako 6,5.107 častíc, prechádzajúcich do recipienta za jeden deň [21]. Existujú však aj štúdie, ktoré poukazujú na dobrú účinnosť sekundárného a terciálne čistenia odpadových vôd od mikroplastov. Príkladom je štúdia Carr a kol., ktorá poukazuje až na 99,9 % odstránenia mikroplastov, čo vedie k priemernému vypúšťaniu jedného mikroplastu na každých 1400 litrov čistenej odpadovej vody [22].
Všeobecne klasické komunálne čistiarne odstraňujú mikroplasty s účinnosťou v rozsahu 60 až 98 %. Stále však značné množstvo preniká do recipientu [23, 24]. Michielssen vo svojej štúdii [23] porovnáva tri čistiarne využívajúce sekundárne čistenie za pomoci aktivovaného kalu, terciárne čistenie využívajúce pieskové filtre a membránové čistenie využívajúce mikrofiltráciu. Čistiareň so sekundárným čistením bola schopná odstraňovať mikročastice a mikrovlákna s účinnosťou do 96 % (1), s terciárnym dočistením do 97 % (2) a s využitím membrány až 99 %, čo predstavovalo 0,5 MP na liter čistenej vody. Mikročastice, ktoré boli následne identifikované v odtoku zo všetkých troch čistiarní, pozostávali zväčša z mikrovlákien, teda pôvodom z textílií. Na obrázku 1 je možné vidieť rozdielne zastúpenie mikrovlákien v mikroplastoch, ktoré prechádzajú do odtoku. Čistiareň s terciárnym dočistením a membranový bioreaktor mali vyššie zastúpenie mikrovlákien v prechádzajúcich mikroplastoch, u MBR až 83 %.
Obrázok 1. Porovnanie schopností čistiarní využívajúce vo svojej technologickej linke sekundárne, terciárne a membránové čistenie odpadových vôd odstraňovať mikroplasty a mikrovlákna [23]
Štúdia zdôrazňuje, že zaradenie pieskových filtrov alebo membrán zvyšuje celkovú účinnosť odstránenia mikroplastov z odpadovej vody.
Je však potrebné zdôrazniť, že osud mikroplastov aj keď sú odstránené z odpadovej vody je potrebné riešiť. Dôvodom je ich koncentrovanie v kaloch [23]. Mikroplasty deponované na poľnohospodárske a iné pôdy, samospádom z atmosféry alebo aplikáciou čistiarenských kalov majú schopnosť akumulovať sa v tejto pôde a následne prestupovať koreňovou sústavou do nižších i vyšších rastlín, pričom zasahujú i symbiotické spoločenstvá mikroorganizmov [25]. Mnohé z prítomných živočíchov, a to najmä pôdne červy, sú schopné mikroplasty inkorporovať do svojich tiel a prostredníctvom svojich výlučkov prispievať k ich vertikálnemu i horizontálnemu rozptylu [26]. Iné odborné štúdie poukazujú aj na schopnosť mikroplastov kumulovať sa v telách vodných živočíchov a touto cestou prenikať do potravového reťazca [27, 28].Konvenčné spôsoby degradácie mikroplastov
Správanie sa mikroplastov a ich degradácia v povrchových vodách i na čistiarňach odpadových vôd stále vyvoláva množstvo otáznikov. Degradácia mikroplastov môže všeobecne prebiehať účinkom mikroorganizmov a ich spoločenstiev priamo vo vode, resp. riečnom sedimente, abiotickými cestami, resp. ich rôznou kombináciou [29, 30].
Mikroorganizmy vyskytujúce sa v riekach sú schopné do určitej miery rozkladať niektoré typy mikroplastov na menšie fragmenty. Štúdie v oblasti biodegradácie syntetických polymérov naznačujú, že biodegradácia mikroplastov v životnom prostredí je značne obmedzená, no môže byť reálna napríklad v kanalizácii, v mechanickej a biologickej časti čistiarne komunálnych vôd či v kaloch aplikovaných na pôdy. Dôvodom je skutočnosť, že mikroorganizmy ktoré sú často krát využívané v odborných štúdiách na biodegradáciu syntetických polymérov sú vyizolované z kalov získaných z komunálnych čistiarní [31]. Biodegradácia môže taktiež prebiehať aj priamo na pôde, kde je kal aplikovaný. Tu je však predpoklad, že na rozklade mikroplastov sa podieľajú prevažne abiotické procesy ako napríklad UV žiarenie alebo oxidácia [32, 33].
Obrázok 2. Mikroplasty sú schopné na svoj povrch adsorbovať množstvo polutantov a tiež byť nosičom mikroorganizmov či génov rezistencie
Obrázok 3. Pri štiepení mikroplastov v životnom prostredí dochádza k uvoľňovaniu rôznych zlúčenín či kovov, ktoré sa využívajú pri ovplyvňovaní ich vlastností
Okrem len obmedzene účinnej biodegradácie môže v povrchových vodách dochádzať aj k priamej a nepriamej fotodegradácii. Priama fotodegradácia je spôsobená absorpciou slnečného svetla v oblasti okolo 290 nm. Nepriama fotodegradácia prebieha za prítomnosti fotosenzitizérov a je ovplyvnená hlavne žiarením v oblasti UV-A (315–400 nm) a UV-B (280–315 nm). Priama fotolýza nano a mikroplatov závisí od schopnosti polyméru absorbovať slnečné žiarenie. Práve absorpčné spektrum molekuly rozhoduje, či je tento spôsob degradácie účinný. Rozklad mikroplastov je taktiež ovplyvnený intenzitou slnečného žiarenia počas roka i miestom, v akom sa v rieke nachádza. V hlbších častiach toku je žiarenie menej intenzívne, pretože je pohlcované molekulami vody a množstvom prítomných zlúčenín. Taktiež vieme, že nano a mikroplasty sa usadzujú v sedimentoch, kde je intenzita slnečného žiarenia obmedzená, no môže prebiehať biodegradácia. Je predpoklad, že degradácia mikroplastov v povrchových vodách sa môže realizovať najmä cez radikálové mechanizmy iniciované singletovým kyslíkom alebo hydroxylovým radikálom [22, 30, 34, 35].
Riziká spojené s výskytom mikroplastov v životnom prostredí
Všeobecne prevláda názor, že samotné plasty nevykazujú výraznú toxicitu, no napriek tomu pre živý organizmus môžu byť chemickou hrozbou. Rizikový faktor predstavujú najmä rôzne aditívne látky, ktoré sú do plastov pridávané za účelom zlepšenia mechanických vlastností či predĺženia životnosti, a po narušení stability mikromateriálu z neho môžu byť lúhované do vodného prostredia [36]. Prítomnosť mikroplastov v pôde i vode môže následne ovplyvňovať výskyt toxických kovov ako je olovo, kadmium a tiež zinok či prítomnosť perzistentných organických zlúčenín potencionálne vyvolávajúcich zápal, oxidačný stres i zmeny rastu organizmu [37, 38]. Štúdia McCormick a kolektív [19] poukazuje na schopnosť mikroplastov ovplyvňovať mikrobiálne spoločenstvo v rieke. Výsledky štúdie poukázali na skutočnosť, že bakteriálne spoločenstvá kolonizujúce mikroplasty v rieke boli menej rôznorodé, a naopak bohatšie na patogény. Fakt že mikroplastické častice sú hostiteľmi špecifických mikrobiálných spoločenstiev viedol k formulácii termínu plastisféra [39]. Existuje predpoklad, že mikroplasty môžu byt vo vodnom prostredí nosičmi patogénnych mikroorganizmov, ktoré nie sú schopné sa samostatne šíriť [40]. Príkladom je potenciálny patogén Vibrio parahaemolyticus identifikovaný na plávajúcich mikroplastoch [41]. Ďalším problémom je skutočnosť, že mikroplasty sa môžu v biofilme podielať na horizontálnom prenose génov (HGT) medzi rôznymi baktériami a môžu tak podporovať prenos rezistencie voči antibiotikám [42]. Popisované procesy môžu prebiehať aj v kanalizácii či v biologických procesoch na čistiarni odpadových vôd [43].
Záver
Hromadenie plastov v moriach a oceánoch popisujú štúdie už zo začiatku tohto tisícročia. Ich mikro a nanofragmenty sa stavajú do centra pozornosti súčasného environmentálneho výskumu. Odborné štúdie zdôrazňujú problematiku makro i mikroplastov a ich možný negatívny vplyv, čím podnecujú výrobcov kozmetiky k nachádzaniu ekologických alternatív mikroplastov vo svojich výrobkoch. Distribúcia i správanie sa doposiaľ emitovaných mikročastíc v životnom prostredí však stále vyvoláva mnoho otázok, podobne ako je to i pri iných mikropolutantoch. Výskum tejto oblasti teda naďalej zostáva veľkou výzvou.
Poďakovanie: APVV-16-0124, APVV-16-0171, VEGA 1/0543/15
Literatúra/References
[1] Crawford, C. B; Quinn, B. 1. The emergence of plastics, in Microplastic Pollutants. 2017; 1–17.
[2] Geyer, R; Jambeck, J. R; Law, K. L. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances 2017; 3; e1700782.
[3] Jambeck, J. R a kol. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science 2015; 347; 768–771.
[4] Cole, M. a kol. Microplastics as contaminants in the marine environment: A review. Marine
Pollution Bulletin 2011; 62; 2588–2597.
[5] da Costa, J. P. Micro- and nanoplastics in the environment: Research and policzmaking. Current Opinion in Environmental Science & Health 2018; 1: 12–16.
[6] Jiang, J. Q. Occurrence of microplastics and its pollution in the environment: A review. Sustainable Production and Consumption 2018; 13; 16–23.
[7] Koelmans, A. A; Besseling, E; Shim, W. J. Nanoplastics in the Aquatic Environment. Critical Review, Marine Anthropogenic Litter 2015; 325–340.
[8] Carpenter. E. J; Smith, Jr. K. L. Plastics on the Sargasso sea surface. Science 1972; 175; 1240–1241.
[9] Rios Mendoza, L. M; Karapanagioti, H; Álvarez, N. R. Micro(nanoplastics) in the marine environment: Current knowledge and gaps. Current Opinion in Environmental Science & Health 2018; 1; 47–51.
[10] Crawford, C. B; Quinn, B. 5 – Microplastics, standardisation and spatial distribution, in Microplastic Pollutants 2017;101–130.
[11] Gregory, M. R. Plastic ‘scrubbers’ in hand cleansers: a further (and minor) source for marine pollution identified. Marine Pollution Bulletin 1996; 32; 867–871.
[12] Fendall, L. S.; Sewell, M. A. Contributing to marine pollution by washing your face: Microplastics in facial cleansers. Marine Pollution Bulletin 2009; 58; 1225–1228.
[13] UNEP. Plastic in Cosmetics. 2015; Available from: http://www.cep.unep.org/meetings/documents/b6c319cbb05794c3249abd6a3067be54
[14] da Costa, J. P.; Duarte, A. C; Rocha-Santos, T. A. P. Chapter 1 – Microplastics – Occurrence, Fate and Behaviour in the Environment, in Comprehensive Analytical Chemistry 2017; 1–24.
[15] Barnes, D. K, a kol. Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 2009; 364; 1985–98.
[16] Galgani, F. Task Group 10 Report: Marine litter 2010; Available from: http://ec.europa.eu/environment/marine/pdf/9-Task-Group-10.pdf.
[17] Ogonowski, M; Gerdes, Z; Gorokhova, E. What we know and what we think we know about microplastic effects – A critical perspective. Current Opinion in Environmental Science & Health 2018; 1; 41–46.
[18] Gallagher, A. a kol. Microplastics in the Solent estuarine complex, UK: an initial assessment. Marine Pollution Bulletin 2016; 102; 243–249.
[19] McCormick, A. a kol., Microplastic is an abundant and distinct microbial habitat in an urban river. Environmental Science & Technology 2014; 48; 11863–11871.
[20] Talvitie, J. a kol. Do wastewater treatment plants act as a potential point source of microplastics? Preliminary study in the coastal Gulf of Finland, Baltic Sea. Water Science and Technology 2015; 72; 1495–1504.
[21] Murphy, F. a kol., Wastewater Treatment Works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment. Environmental Science & Technology 2016; 50; 5800–5808.
[22] Carr, S. A. a kol. Transport and fate of microplastic particles in wastewater treatment plants. Water Research 2016; 91; 174–182.
[23] Michielssen, R. M.; Michielssen, R. E. Ni J. Duhaime, B.M. Fate of microplastics and other small anthropogenic litter (SAL) in wastewater treatment plants depends on unit processes employed. Environmental Science: Water Research & Technology 2016; 2; 1064–1073.
[24] Dris, R.; Gasperi, J.; Rocher, V.; Saad., M; Renault, N.; Tassin, B. Microplastic contamination in an urban area: a case study in Greater Paris. Environmental Chemistry 2015; 12; 592–599.
[25] Horton, A. A. a kol. Microplastics in freshwater and terrestrial environments: Evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities. Science of Total Environment 2017; 586; 127–141.
[26] Rillig, M. C. a kol. Microplastic transport in soil by earthworms. Scientific Reports 2017; 7; 1362.
[27] Setala, O. a kol. Ingestion and transfer of microplastics in the planktonic food web. Environmental Pollution 2014; 185; 77–83.
[28] Cole, M. a kol. Microplastic Ingestion by Zooplankton. Environmental Science & Technology 2013; 47; 6646–6655.
[29] Kotyza, J.; Soudek, P.; Kafka, Z.; Vaněk, T. Pharmaceuticals – New Environmental Pollutants. Chemické listy 2009; 103; 540–7.
[30] Mackuľak, T.; Bodík I; Bírošová L. Drogy a liečivá ako mikropolutanty. 1. vyd. Bratislava FCHPT STU v Bratislave 2016. 137 s. ISBN 978-80-89597-34-5.
[31] Skariyachana, S.; Patila, A. A.; Shankara, A.; Manjunatha, M.; Bachappanavara, N.; Kirana, S. Enhanced polymer degradation of polyethylene and polypropylene by novel thermophilic consortia of Brevibacillus sps. and Aneurinibacillus sp. screened from waste management landfills and sewage treatment plants. Polymer Degradation and Stability; 2018; 149; 52–68.
[32] Andrady, A. L.; Hamid, S. H.; Hu, X.; Torikai, A. Effects of increased solar ultraviolet 515 radiation on materials. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 1998; 46; 96–103.
[33] Contat-Rodrigo, L. Thermal characterization of the oxo-degradation of polypropylene 519 containing a pro-oxidant/pro-degradant additive. Polymer Degradation and Stability 2013; 98; 2117–2124.
[34] Mackuľak, T.; Tichý, J.; Hanusová, A.; Špalková, V.; Vojs, M.; Marton, M.; Behúl, M.; Gál, M.; Semerád, M.; Takáčová, A.; Ryba, J.; Grabic, R.; Vojs Staňová, A. Environmentálne vedy – výskyt a možnosti degradácie polutantov. 1. vyd. Bratislava FCHPT STU v Bratislave 2016. 368 s. ISBN 978-80-89597-33-8.
[35] Mackuľak, T.; Takáčová, A.; Gál, M.; Marton, M.; Ryba, J. PVC degradation by Fenton reaction and biological decomposition. Polymer Degradation and Stability 2015; 120; 226–231.
[36] Teuten, E. L., a kol. Transport and release of chemicals from plastics to the environment and to wildlife. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 2009; 364; 2027–2045.
[37] Rochman, C. M., a kol. Ingested plastic transfers hazardous chemicals to fish and induces hepatic stress. Scientific Reports 2013; 3; 3263.
[38] Ashton, K.; Holmes, L.; Turner, A. Association of metals with plastic production pellets in the marine environment. Marine Pollution Bulletin 2010; 60; 2050–2055.
[39] Zettler ER; Mincer TJ; Amaral-Zettler LA. Life in the “plastisphere”: microbial communities on plastic marine debris. Environmental Science & Technology 2013; 47; 7137–7146.
[40] Keswani, A.; Oliver, D, M.; Gutierrez, T; Quilliam, R. S. Microbial hitchhikers on marine plastic debris: human exposure risks at bathing waters and beach environments. Marine Environmental Research 2016; 118; 10–19.
[41] Kirstein, I. V.; Kirmizi, S.; Wichels, A.; Garin-Fernandez, A.; Erler, R.; Loder, M.; Gerdts, G.; Dangerous hitchhikers? Evidence for potentially pathogenic Vibrio spp. on microplastic particles. Marine Environmental Research 2016; 120; 1–8.
[42] Costerton, J. W.; Stewart, P. S.; Greenberg EP. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 1999; 284; 1318–1322.
[43] Suzuki, S.; Pruden, A.; Virta, M.; Zhang, T. Antibiotic resistance in aquatic systems. Frontiers in Microbiology 2017; 8; 14.
doc. Ing. Tomáš Mackuľak, PhD. (autor pre korešpondenciu)
Ing. Anna Grenčíková
Ing. Paula Brandeburová
Oddelenie environmentálneho inžinierstva
ÚCHEI FCHPT STU
Radlinského 9
812 37 Bratislava
tomas.mackulak()stuba.sk
