Гигиенические подходы к определению безопасного уровня микропластика в воде

Введение

О микропластике (МП) как о новом вызове здоровью человека заговорили после использования этого термина в статье Thompson R.C. и соавт. в 2004 г. [1] для описания мелких пластиковых частиц. Однако только в 2008 г. на совещании, организованном Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) (англ. National Oceanic and Atmospheric Administration) Министерства торговли США, эксперты предложили рабочее определение, ставшее наиболее часто используемым: «микропластик – это все пластиковые частицы диаметром менее 5 мм» [2]. С этого момента МП был обнаружен во всех объектах окружающей среды, а с 2020 г. отнесён к новым соединениям, вызывающим озабоченность в соответствии с Директивой ЕС 2020/2184 от 16 декабря 2020 г. о качестве воды¹. Поскольку накопление пластика в объектах окружающей среды возрастает, можно предположить, что и количество микропластиковых частиц в воде будет только увеличиваться.

Другим аспектом обеспокоенности по поводу распространения МП в воде Мирового океана является большое количество публикаций на эту тему. Однако наш собственный анализ научных работ из ресурса Google Scholar за период с 2004 по 2025 г. показал, что более 74% – это обзорные статьи, ~ 25% работ касаются распространённости микропластиковых частиц в объектах окружающей среды, и лишь ~ 12% публикаций включает результаты токсикологических исследований. В работе Liu M. и соавт. [3], посвящённой библиометрическому анализу публикаций о МП с 2010 по 2022 г., указано следующее: «Мы обнаружили в общей сложности 17 908 авторов, работающих над МП, при этом 12 810 авторов опубликовали только по 1 статье о МП, что составляет 71,53%». Эти же авторы указывают на то, что работы, в которых приводятся данные об идентификации и количественных оценках МП в органах человека, о токсических эффектах воздействия на человека, составляют не более 6% от общего количества публикаций. Необходимо отметить, что за последние три года информации о том, что МП обнаруживается в организме человека, стало больше. МП идентифицируют в образцах кала, плаценте и меконии [4], кишечнике [5], лёгких [6], крови [7], печени, почках и головном мозге [8].

Анализ данных литературы показывает, что основные риски для здоровья человека, обусловленные присутствием МП в воде, связывают не только с его механическим действием, но и возможностью адсорбировать на себе вредные вещества и тем самым способствовать их переносу, накоплению в окружающей среде и увеличению вероятности попадания в организм человека [9, 10]. Особенно это касается стойких органических загрязнителей (перфторалкильных и полифторалкильных веществ), а также антибиотиков [11–13].

Обнаруженные в кишечнике и кале микропластиковые частицы подтверждают реальную нагрузку на организм, которая может приводить к нарушению микробиома кишечника, вызывать каскад иммунных и метаболических нарушений в просвете кишечника, индуцировать развитие метаболических патологий в дальнейшем [14–16].

В то же время результаты опубликованных исследований не всегда являются репрезентативными. По нашему мнению, причины заключаются в следующем:

• отсутствует единое мнение по поводу определения и классификации микропластиковых частиц;
• рассматривается поступление МП из разных источников и различными путями;
• используются противоречивые эмпирические модели для расчёта диапазона доз воздействия МП;
• аналитические методы определения МП в биологических матрицах пока малодоступны и ограничены в точности;
• условия экспериментального изучения опасности МП для здоровья человека, обусловленной механическим, химическим и микробиологическим воздействием, разнообразны и не поддаются стандартизации;
• процессы деструкции и трансформации МП под влиянием технологий водоподготовки (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение) практически не учитываются;
• специфические для МП показатели и критерии, детерминирующие опасность МП в зависимости от особенностей его различных видов и фракций, для гигиенического нормирования не определены.

Прежде всего необходимо помнить, что пластики являются промышленными материалами, к которым применимы уже существующие методы отбора проб, идентификации, очистки воды и оценки их токсичности [17–21].

На международном уровне разрабатываются стратегии оценки опасности новых химических соединений и принимаются директивы, которые будут способствовать решению наиболее значимых задач в сфере предотвращения загрязнения окружающей среды, в том числе МП¹ [22].

С учётом вышеизложенного применение гигиенических подходов к определению безопасного уровня МП в воде как к новому фактору опасности необходимо для достижения санитарно-эпидемиологического благополучия населения Российской Федерации.

Цель исследования – на основании данных литературы и результатов собственных санитарно-химических и санитарно-микробиологических экспериментов сформировать программу аналитических и токсикологических исследований, которые позволят обосновать показатели и критерии оценки опасности МП, необходимые для определения допустимого уровня его содержания в воде.

Материалы и методы

Поиск репрезентативных опубликованных результатов экспериментальных исследований проводили с использованием баз данных научной литературы MedLine/PubMed/PubChem, Scopus, eLIBRARY. Методы исследований: сортировка информации и её экспертная оценка.

Объектом собственных экспериментальных исследований служили промышленно производимые гранулы первичного МП размером 5 мм из полистирола (ПС) и из полиэтелентерфталата (ПЭТФ).

Для проведения грануло-, морфометрических и аналитических исследований первичные гранулы (5 мм) из ПС и ПЭТФ измельчали, с помощью системы сит делили на фракции с размерами 0–100 и 100–250 мкм.

Определение размера, формы и однородности химического состава микропластиковых частиц методом лазерной дифракции и динамического анализа изображений проводили в «слепых» пробах с концентрацией МП из ПС (фракция 100–250 мкм) 5; 50 и 100 мг/л на приборе Bettersizer S3Plus (Dandong Bettersize Instruments, Китай).

В опытах по изучению влияния МП на процессы самоочищения водоёмов образцы предварительно вымачивали в дехлорированной водопроводной воде в течение 10 дней, чтобы добиться смачиваемости гранул. В помещении поддерживали температуру плюс 20–21 °С.

Влияние МП из ПС размером 5 мм на процессы самоочищения водных объектов в модельных водоёмах, созданных с использованием хозяйственно-бытовых сточных вод в соответствии с МУ 2.1.5.720–98², с концентрациями МП 10 и 100 г/л (далее – МП₁₀ и МП₁₀₀) изучали по изменению интенсивности и динамики БПК, минерализации азотсодержащих органических веществ (аммиака, нитритов, нитратов). Процессы биохимического окисления в водоёме исследовали по методике РД 52.24.420–2019³. Бактериологический контроль воды модельных водоёмов с оценкой интенсивности развития и отмирания сапрофитной микрофлоры проводили по общему микробному числу (ОМЧ) при температуре плюс 22 и плюс 37 °С (далее – ОМЧ₂₂ и ОМЧ₃₇) в соответствии с методическими указаниями МУК 4.2.3963–23⁴.

Хлорирование проб воды, содержащей МП из ПЭТФ размером до 100 мкм в концентрациях 0,1; 1 и 10 г/л, проводили гипохлоритом натрия (ГПХ). Концентрация активного хлора составляла 1 г/л. Для удаления остаточных загрязнений с поверхности частиц МП предварительно проводили их отмывку ацетоном или метанолом.

Продукты трансформации МП, образующиеся после хлорирования водных суспензий, определяли с использованием метода, сочетающего твердофазную микроэкстракцию и газовую хроматографию с масс-спектрометрическим детектированием (ТФМЭ-ГХ-МС). В качестве волокна для ТФМЭ использовали Car/DVB/PDMS. Содержание химических веществ в реакционных смесях оценивали полуколичественно по изменению площади пиков на хроматограммах по сравнению с контрольными пробами. Контролем служили пробы с ГПХ и пробы с МП.

Результаты

Наиболее важные параметры, способные расширить наше понимание опасности МП для здоровья человека, – это характеристика частиц с точки зрения их размера, формы, химического состава, поверхностного заряда, степени деструкции.

Метод лазерной дифракции показал воспроизводимые результаты на всех образцах воды с концентраций МП из ПС 50 и 100 мг/л. Медианный диаметр частиц (D₅₀) находился в диапазоне 195–205 мкм. Показатель преломления свидетельствовал об однородности химического состава частиц в пробе. Анализ DIA позволил дополнительно охарактеризовать морфологию частиц по нескольким показателям. Распределение по соотношению «длина – ширина» имело максимум в диапазоне 1,5–1,7, что является типичным для изометричных частиц с лёгкой вытянутостью. Показатель округлости находился в пределах 0,65–0,75 для всех образцов, что свидетельствовало о гладкой поверхности и неугловатой морфологии. Отсутствовали острые частицы, которые характерны, например, для фрагментированных материалов или абразивных порошков. Пробу воды с концентрацией МП 5 мг/л анализировать не удалось из-за малого количества частиц в пробе.

Результаты исследования подтвердили размер частиц, однородность химического состава (по показателю преломления) и их морфологию, а также показали высокую воспроизводимость измерений в пробах воды с концентраций МП 50 и 100 мг/л.

При разработке гигиенических подходов к нормированию МП в различных видах вод необходимо понимать не только уровень загрязнённости им воды в зонах рекреации, местах водозабора, но и степень его влияния на процессы самоочищения водных объектов.

Анализ динамики концентраций аммиака (ионов аммония), нитритов и нитратов в модельных водоёмах не выявил различий между опытными и контрольными пробами, что свидетельствует об отсутствии влияния МП из ПС в концентрациях ≤ 100 г/л на процессы нитрификации органического загрязнения водных объектов.

Отклонения величин БПК в модельных водоёмах с различным содержанием в них МП из ПС от значений в контроле представлены в табл. 1. Загрязнение воды МП из ПС с размером частиц 5 мм в концентрации 10 г/л не влияло на процессы самоочищения воды водного объекта, а в концентрации 100 г/л создавало благоприятные условия для развития микроорганизмов и стимулировало процессы БПК, максимально выраженные через 5 сут инкубации более чем в 2 раза по сравнению с контролем.

О формировании благоприятных условий для усиления роста микрофлоры в воде в присутствии МП свидетельствуют результаты бактериологических исследований. Так, в воде модельных водоёмов с различным содержанием МП на 7-е сутки увеличение ОМЧ отставало от контрольного водоёма на 1–3 порядка. К 15-м суткам опыта в контроле наблюдали естественное отмирание как аллохтонной, так и аутохтонной микрофлоры при нарастании ОМЧ₂₂ и ОМЧ₃₇ в опыте (см. рисунок). В модельном водоёме с МП₁₀ наблюдали фазу замедления роста микрофлоры с 15-х по 20-е сутки, при этом соотношение ОМЧ₂₂/ОМЧ₃₇ на 15-е и 20-е сутки практически не изменялось и составляло 2,3 и 2,4 соответственно.

Аналогичные закономерности отмечены и в водоёме с МП₁₀₀, но замедление роста микрофлоры в воде наблюдалось в более ранние сроки – с 10-х по 15-е сутки, а на 20-е сутки эксперимента выявлено превалирование сапрофитной микрофлоры (ОМЧ₂₂) над аллохтонной (ОМЧ₃₇), о чём свидетельствует отношение ОМЧ₂₂/ОМЧ₃₇ = 6,8.

К 25-м суткам наблюдался рост микрофлоры в обоих опытных водоёмах, за исключением ОМЧ₂₂ в присутствии МП₁₀₀. Судя по соотношению ОМЧ₂₂/ОМЧ₃₇ (1,3 и 0,8 соответственно), происходило перераспределение индикаторных микроорганизмов в сторону тех, которые характеризуют антропогенное загрязнение, в том числе фекальное.

Одним из важных критериев опасности загрязняющих воду химических веществ, к которым может быть отнесён и МП, является процесс их деструкции и трансформации под влиянием наиболее распространённых технологий водоподготовки – хлорирования, озонирования, ультрафиолетового облучения. Изучение этих процессов характеризуется прежде всего сложностью и дороговизной поисковых исследований. Нами совместно с лабораторией химии природных соединений и биоаналитики ЦКП НО «Арктика» САФУ им. М.В. Ломоносова проведены эксперименты с хлорированием проб воды, содержащей различные концентрации МП из ПЭТФ.

В ходе экспериментов отработаны условия предварительной промывки микропластиковых частиц для использования их в дальнейших опытах. Установили, что для этих целей метанол имеет преимущества по сравнению с ацетоном, так как этот способ позволил детектировать большее количество веществ, предположительно являющихся продуктами трансформации МП.

На данном этапе исследований об образующихся продуктах трансформации в контрольных пробах (проба с ГПХ и проба с МП из ПЭТФ) и опытных образцах (концентрация МП 0,1; 1 и 10 г/л) после проведения экстракции косвенно судили по площади пика на хроматограмме.

В результате анализа реакционных смесей идентифицировали 50 веществ, из которых три вещества, вероятно, являются продуктами трансформации ПЭТФ, поскольку они отсутствовали в пробах и с ГПХ, и с МП: 3-хлор-2-бутанон (CAS 4091-39-8), 2-хлорпентан (CAS 625-29-6) и 3,4-дихлорциклобутен (CAS 1194-30-5).

Как потенциальные продукты, образующиеся после хлорирования водных растворов с микропластиковыми частицами ПЭТФ, можно рассматривать ещё 10 веществ (табл. 2), поскольку площадь их пиков на хроматограммах опытных проб в присутствии тех или иных концентраций МП в два раза и более отличалась от контрольных проб.

В условиях данного эксперимента наибольшее количество веществ, площадь пика которых увеличивалась после хлорирования водных растворов, наблюдали при обработке пробы с концентрацией МП 10 г/л.

Независимо от концентрации МП в реакционной смеси в опытных образцах произошло увеличение на 2–3 порядка содержания диизобутилфталата и дибутилфталата, которые, вероятно, использовались при производстве первичного МП в качестве пластификаторов.

Гигиеническая оценка опасности веществ, идентифицированных в реакционных смесях продуктов хлорирования микропластиковых частиц ПЭТФ, проведена на основании информации о токсичности и опасности, представленной в базе данных Федерального регистра потенциально опасных химических и биологических веществ⁵. В табл. 3 представлены вещества, обладающие отдалёнными эффектами действия.

Обсуждение

Принято считать, что верхняя граница размеров МП ограничена ≤ 5 мм, а по поводу нижней границы единое мнение и тем более стандарт отсутствуют. В настоящее время ограничение размера связано не с фактическими данными, а скорее основано на прагматизме. Например, в работе Лесли Х.А. и соавт. указано, что их метод исследования был нацелен на частицы, которые могли задерживаться на фильтре с размером пор 700 нм, а в качестве верхнего предела частиц рассматривался внутренний диаметр иглы, используемой для венепункции. Это означает, что в исследовании изучены микропластиковые частицы размером от ≥ 700 нм до < 0,514 мм [7].

В исследованиях проб воды, содержащей или предположительно содержащей МП, в качестве компромиссного решения о нижней границе диапазона размеров, с нашей точки зрения, её можно обосновать на уровне 3 мкм, поскольку в наиболее распространённых методах пробоподготовки воды для исследований применяют фильтры «Синяя лента» с размером пор 2–3 мкм (по ТУ 2642-001-68085491-2011) при фильтрации проб.

В области гигиены воды и окружающей среды в большинстве случаев ограничиваются определением массовых концентраций или агрегированного содержания взвешенных веществ, что не позволяет детализировать гранулометрический состав частиц. С этой целью используют стандартизованные методы отбора проб⁶. В то же время необходимы аналитические методы, позволяющие в режиме экспресс-анализа оценивать распределение микропластиковых частиц как по размерам, так и по морфологическим параметрам.

В настоящее время определение морфометрических характеристик частиц и одновременное распределение их по размеру позволяют получать более полное представление о свойствах материала и его поведении в различных технологических процессах [23]. Лазерная дифракция позволяет быстро и воспроизводимо распределять по размерам в широком диапазоне от субмикронных до макрочастиц [24], в то время как динамический анализ изображений даёт количественную характеристику морфологических параметров частиц, в том числе их формы, соотношения сторон и степени округлости [25]. Совмещение этих методов в одном аналитическом комплексе позволяет не только повысить точность анализа, но и минимизировать риск ошибочных интерпретаций при наличии аномальных фракций или агломератов [26]. Наши исследования проб воды с разным содержанием в них МП позволили рассматривать оптические методы (LD и DIA) как перспективные для определения микропластиковых частиц в воде.

Общее микробное число в воде водоёмов в зонах рекреации, а также местах действующих водозаборов централизованного питьевого водоснабжения не нормируется, так как уровень этой группы микроорганизмов зависит в основном от природных особенностей водного объекта, температурного режима (времени года) и др. Однако известно, что численность колоний и их состав зависят от температуры инкубации. При температуре плюс 22 °С, как правило, вырастает больше сапрофитной микрофлоры, в то время как при температуре плюс 37 °С развивается индикаторная группа микроорганизмов, в которой преобладает аллохтонная микрофлора, внесённая в водоём в результате антропогенного загрязнения, в том числе фекального⁷.

Известно, что на поверхности пластиковых частиц, находящихся в воде различных водных объектов, может нарастать микрофлора с образованием биоплёнки. Это явление приводит к формированию «убежища» для внутри- и внеклеточных генов антибиотикорезистентности для патогенных таксонов микроорганизмов и др. [27].

Наши исследования динамики развития и отмирания микрофлоры по показателю ОМЧ и соотношению ОМЧ₂₂/ОМЧ₃₇ в различные сроки эксперимента позволяют предположить, что значительный рост ОМЧ в контроле и замедленный рост в присутствии МП к 7-м суткам может характеризовать этап адгезии микроорганизмов на поверхности гранул. Замедление роста в воде водоёмов с МП может свидетельствовать о стадии фиксации биоплёнки. В водоёме с большей концентрацией МП этот этап сдвигается во времени. В обоих опытных водоёмах мы наблюдали всплеск роста ОМЧ на 25-е сутки инкубации. Вероятно, такой эффект можно объяснить явлением дисперсии (выброса бактерий) – способностью клеток покидать биоплёнку и находиться в планктонной форме при низком содержании питательных веществ [28].

Изменение соотношения сапрофитной и аллохтонной флоры в сторону последней может приводить к нарушению процессов самоочищения воды водного объекта, а также к развитию и накоплению в нём патогенной микрофлоры.

В настоящее время токсичность побочных продуктов трансформации, образующихся в воде в результате водоподготовки с применением хлора, хорошо известна [29, 30]. Если ранее в работах по изучению трансформации веществ в воде под действием хлорных агентов рассматривали растворимые химические загрязнители, то микропластиковые частицы могут привнести свои особенности в механизм образования побочных продуктов. Поэтому изучение трансформации МП под действием различных физических и химических факторов – один из важных этапов работы, который наряду с определением образующихся продуктов деструкции осложняется не только идентификацией веществ, но и интерпретацией полученных данных. Это связано с отсутствием стандартов точного определения концентраций веществ, а также с возможным загрязнением гипохлорита натрия продуктами хлорирования пластиковой тары. Кроме того, гигиеническая оценка опасности большинства определяемых соединений затруднена отсутствием токсикологических данных и гигиенических нормативов. Тем не менее первоначальные результаты позволяют планировать дальнейшие исследования по определению безопасных уровней микропластиковых частиц в воде. К основным задачам такой научно-исследовательской работы следует отнести:

• изучение процессов деструкции и трансформации микропластиковых частиц под влиянием различных технологий водоподготовки с проведением гигиенической оценки опасности мигрирующих в воду веществ;
• установление характера токсического действия МП в зависимости от физико-химических и морфологических характеристик по физиологическим, биохимическим, структурно-функциональным показателям и состоянию микробиоценоза кишечника в условиях хронического эксперимента;
• проведение сравнительной оценки общетоксического, цитотоксического, мутагенного и цитогенетического действия МП в опытах in vivo и in vitro;
• изучение сочетанного влияния МП и чужеродной потенциально патогенной микрофлоры водной среды на микроэкологическую систему кишечника лабораторных животных.

Заключение

Один из принципов гигиенического нормирования – использование системы последовательного обоснования нормативов веществ как основы планирования исследований. Согласно этому принципу, на первом этапе исследований МП («принятие предварительного решения»²) проведены анализ литературы, информационных баз данных о физико-химических свойствах, биологической и токсикологической опасности известных видов микропластиковых частиц, обусловленной присутствием их в воде.

При планировании исследований по определению в пробах различных вод микропластиковых частиц провели апробацию метода лазерной дифракции и динамического анализа изображений с применением анализатора размера и формы частиц. Результаты показали применимость предложенного подхода для комплексной оценки структуры МП в пробах воды «слепым» способом, то есть при отсутствии данных о происхождении образцов.

Санитарно-химические и санитарно-микробиологические эксперименты в лабораторных условиях показали, что влияние МП на изменение процессов самоочищения воды водных объектов выражается в стимуляции биохимического потребления кислорода, сопровождающемся нарушением формирования биоплёнки на стадиях фиксации и стабилизации. Микропластик из полистирола с размером гранул 5 мм в концентрации 100 г/л приводил к стимуляции БПК.

Анализ результатов поисковых химико-аналитических исследований позволил определить вещества, которые потенциально образуются в воде, содержащей МП из ПЭТФ, после её хлорирования. Некоторые из идентифицированных веществ обладают мутагенными, репротоксическими, тератогенными свойствами, оказывают влияние на эндокринную систему.

На основании анализа российских и зарубежных нормативных и методических документов, отечественных и зарубежных научных публикаций, содержащих информацию о влиянии микропластиковых частиц на организм лабораторных животных и человека, в том числе на перенос опасных химических соединений и микробиологических патогенов, а также результатов собственных исследований сформирована программа исследований МП.

¹ Директива Европейского парламента и Совета Европейского союза 2020/2184 от 16 декабря 2020 г. о качестве воды, предназначенной для употребления людьми (в новой редакции). Доступно: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32020L2184

² МУ 2.1.5.720–98 «Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

³ РД 52.24.420–2019. Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом.

⁴ МУК 4.2.3963–23 «Бактериологические методы исследования воды».

⁵ Федеральный регистр потенциально опасных химических и биологических веществ; https://rpohv.ru/online/detail.html?id=11354

⁶ ГОСТ Р 59024–2020. Вода. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2020. 16 с.

⁷ МУК 4.2.1884–04 Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов; https://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293851/4