Pomorska Platforma Komunikacji Społecznej

1.      Ogólne informacje o plastiku i mikroplastiku

Plastiki (tworzywa sztuczne), są to materiały syntetyczne, wykonane z polimerów organicznych, które otrzymane są z ropy naftowej i produktów ubocznych przerobu ropy naftowej, a także mogą być one otrzymywane z nie-syntetycznych polimerów, takich jak kauczuk naturalny i bitum modyfikowany polimerem [1].

W ciągu ostatnich 60 lat produkcja tworzyw sztucznych wzrosła z 1,5 do 311 milionów ton [2]. Z powodu wzrostu produkcji polimerów syntetycznych oraz ich niskiej podatności na biodegradację, zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi stało się poważnym zagrożeniem dla środowiska morskiego. Rozprzestrzenianie się w środowisku morskim odpadów

z tworzyw sztucznych różnej wielkości jest przedmiotem szczególnej troski - z powodu ich rosnącej  akumulacji w środowisku naturalnym oraz tendencji do rozprzestrzeniania się  na znaczne tereny, często odległe od aglomeracji miejskich [3].  

Rys 1. Klasyfikacja tworzyw sztucznych zanieczyszczających środowisko morskie [4]

Mikroplastiki (MP) to cząstki tworzyw sztucznych, o średnicy lub długości poniżej pięciu milimetrów, mogą to być granulki, włókna lub niesymetryczne fragmenty plastiku. Obecnie naukowcy koncentrują się na badaniach właściwości i rozprzestrzeniania się w środowisku naturalnym w znacznie większym stopniu mikroplastików niż mezo- i makro- plastików (patrz rys. 1), ponieważ stwarzają one większe zagrożenie dla morskiej fauny i flory na całym świecie oraz powodują zmiany w ekosystemach wodnych w alarmującym tempie [5]. Przykładowo, połknięte mikroplastiki, powodujące poważne zaburzenia fizjologiczne, zaobserwowano u wielu gatunków organizmów morskich [6].

2.     Typy plastiku i mikroplastiku

Tabela 1. Typy polimerów i możliwości ich zastosowania  [10]

MP w środowisku reprezentowane są przez rozmaite materiały, które różnią się następującymi właściwościami:

-        fizycznymi (np. wielkością cząstek, kształtem, powierzchnia właściwą, kolorem i stopniem krystalizacji),

-        chemicznymi (np. skład chemiczny w tym typ polimeru, wypełniacza i dodatków). [11]

Istnieje wiele typów tworzyw sztucznych różniących się właściwościami, takimi jak pływalność, toksyczność czy degradowalność. Najbardziej powszechnymi polimerami znalezionymi w wodzie morskiej są: polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), polichlorek winylu (PVC), poliamid (PA), poli(tereftalan etylenu)  (PET) i alkohol poliwinylowy (PVA) [3,6,7] (zobacz Tabela 1). Plastiki zawierają również substancje dodatkowe, aby zapewnić im pożądane właściwości użytkowe, takie jak stabilizatory, pigmenty i środki zmniejszające palność (antypireny). Niektóre z tych substancji mogą być uwalniane do środowiska wodnego, np. inhibitory fotodegradacji plastiku oraz antypireny dodane do tworzywa sztucznego podczas procesu wytwarzania. Do takich substancji należy bisfenol A (BPA) – monomer poliwęglanów, ftalany i bromowane substancje ograniczające palność. Substancje te przedostając się do środowiska mogą powodować zaburzenia hormonalne organizmów wodnych [8,9].

3.  Źródła plastiku i mikroplastiku w środowisku

Tworzywa sztuczne, znajdują zastosowanie w różnych branżach przemysłowych. Współcześnie są nieodłączną częścią życia każdego z nas. Tworzywa sztuczne są głównie produkowane dla potrzeb sektorów przemysłowych, takich jak: opakowania, budownictwo, motoryzacja, przemysł elektrotechniczny i elektroniczny, rolnictwo i innych (zobacz Rys. 2). Znajdują one zastosowanie w wielu produktach i różnych procesach przemysłowych [2]. Zmniejszenie ilości syntetycznych tworzyw sztucznych i mikroplastików, które odprowadzane są do środowiska wodnego, oraz zastąpienie ich przez materiały bardziej przyjazne dla środowiska stanowi duże wyzwanie dla społeczności naukowej.

Rysunek 2. Podział europejskiego (UE-28 + NO/CH) zapotrzebowania na tworzywa sztuczne w poszczególnych branżach w 2015 r [2]

Mikroplastiki przedostają się do środowiska poprzez następujące źródła:

·         Pierwotne – mikroplastiki produkowane jako surowce przemysłowe (np. substancje złuszczające wykorzystywane w kosmetykach, materiały ścierne w gospodarstwach domowych, materiały do szlifowania kadłubów statków oraz przemysłowe produkty czyszczące), w tej formie mogą one być uwalniane do oczyszczani ścieków komunalnych, a następnie do zbiorników wód powierzchniowych

·         Wtórne, gdy makroplastiki rozkładają się na mikroplastiki podczas ich eksploatacji lub w środowisku poprzez działanie wiatru, fal, promieniowania UV (rozkład butelek PET) lub działalności biologicznej organizmów morskich (np. rozdrabnianie i mielenie przez organizmy morskie). Mikroplastiki wtórne powstają w wyniku degradacji mezo- i makroplastików [3,12].

Tworzywa sztuczne w środowisku morskim pochodzą ze źródeł lądowych (rzecznych i przybrzeżnych), oraz morskich. Morskie zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi w 80% pochodzą ze źródeł lądowych, a w 18% ze źródeł morskich [3,5]. Źródła plastiku i mikroplastiku w morzu przedstawiono na Rysunku 3.

Rysunek 3. Morskie i lądowe źródła odpadów z tworzyw sztucznych gromadzone w środowisku morskim [1,13]

4.   Morze Bałtyckie – ryzyko zanieczyszczenia plastikami

Morze Bałtyckie jest stosunkowo płytkim akwenem (o średniej głębokości 52 m) z ograniczoną wymianą wody z Oceanem Atlantyckim (całkowita wymiana wód trwa 30 lat) [14]. Kraje przybrzeżne wokół Morza Bałtyckiego są silnie zurbanizowane, co powoduje ciągłą antropopresję [1] poprzez rozwój przybrzeżny, utratę i degradację siedlisk ryb i ptactwa morskiego oraz wysoki nakład połowowy. Czynniki te stanowią zagrożenie, jakim jest akumulacja zanieczyszczeń, w tym mikroplastików w wodzie morskiej oraz ich rozprzestrzenianie [15].  Do Morza Bałtyckiego spływają zanieczyszczenia (w tym również mikroplastiki) wraz z oczyszczonymi lub nieoczyszczonymi ściekami komunalnymi, ściekami z rolnictwa i przemysłu, co doprowadziło do poważnego pogorszenia jakości wody. Z tego powodu Morze Bałtyckie znajduje się na liście najbardziej zanieczyszczonych obszarów morskich na świecie [16]. Jednak do tej pory problem zanieczyszczenia Morza Bałtyckiego plastikami i mikroplastikami jest słabo zbadany.

5.      Losy plastiku i mikroplastiku w środowisku

Powstawanie wtórnych MP i rozprzestrzenianie się wtórnych i pierwotnych mikroplastików w środowisku wodnym ma charakter złożony i zależy od wielu czynników, w tym: od ich podatności do rozpadu i fragmentacji, oddziałania wiatru i fal morskich, wielkości i gęstości odpadów plastikowych, prądów morskich i podatności na działanie mikroorganizmów [3,5,18]. Poznanie losów i sposobu rozprzestrzeniania się mikroplastików w środowisku wymaga zbadania relacji między tymi czynnikami. Mikroplastiki można znaleźć na powierzchni morza, w toni wodnej, na dnie morza, na linii brzegowej oraz w materii ożywionej. Ich rozprzestrzenienie się w środowisku jest zależne od właściwości fizykochemicznych polimerów, z których powstały [19]. Mikroplastiki i plastiki mogą wchodzić w interakcje z substancjami chemicznymi obecnymi w wodzie morskiej oraz adsorbować naturalne substancje organiczne na swojej powierzchni. W związku z faktem, iż mikrozanieczyszczenia mają zdolność do akumulacji na powierzchni mikroplastików, niektóre z nich mogą unosić się w toni wodnej lub tonąć i przenosić zanieczyszczenia do osadu dennego [3].  Na Rysunku 4 przedstawiono procesy, którym podlegają mikroplastiki w środowisku wodnym. Mikroplastiki o mniejszej gęstości unoszące się na powierzchni wody są dostępne dla gatunków pelagicznych[2] i ptaków, podczas gdy mikroplastiki o wyższej gęstości początkowo unoszą się w toni wodnej a następnie osiadają na dno morza lub oceanu. MP o wyższej gęstości mogą ulec przekształceniu (np. rozpadowi na mniejsze fragmenty, aglomeracji, agregacji), oraz stać się dostępne dla gatunków organizmów dennych [3] [3, 20].  Mikroplastiki  znajdujące się w osadach dennych mogą być wtórnie zawieszone w toni wodnej w wyniku falowania wód.

Rysunek 4. Losy (mikro)plastiku w środowisku morskim [21]

 

Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne, którym ulegają mikroplastiki poprzez redukcję całkowitej masy cząsteczkowej i niszczenie struktury makroplastików, powoduje, że polimery stają się kruche, a następnie zaczynają się rozpadać na mniejsze mikrocząstki [5, 22].
Na rysunku 5. przedstawiono podział procesów degradacji mikroplastików.

Po pierwsze, mikroplastiki i tworzywa sztuczne mogą podlegać przekształceniom fizycznym (fragmentacja, wietrzenie, itd.) i adsorbować/desorbować różnorodne zanieczyszczenia obecne w wodzie (np. trwałe zanieczyszczenia organiczne - TZO, takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne[1], polichlorowane bifenyle[2] itp.) [23, 24]. Po drugie, tworzywa sztuczne mogą ulegać przemianom chemicznym, takim jak foto[3]- i termo[4]- utlenianie oraz hydroliza[5]. Fotoutlenianie jest spowodowane działaniem promieniowania UV[6] na powierzchnię plastiku. Szybkość degradacji plastiku zależy od rodzaju tworzywa, dostępności tlenu i temperatury wody. Plastiki obecne na plaży rozkładają się szybciej niż w toni wodnej, ponieważ są narażone na wyższe stężenia tlenu, bezpośrednie działanie promieni słonecznych i zmienne temperatury otoczenia. W chłodniejszych warunkach morskich degradacja następuje znacznie wolniej z powodu ograniczonego procesu fotoutleniania [5]. Po trzecie, procesy biologiczne biorą udział w degradacji i rozmieszczeniu tworzyw sztucznych w środowisku wodnym. Ten proces dotyczy przede wszystkim mikroplastików. Mikroorganizmy w osadach morskich metabolizują[7]związki organiczne, które przyczyniają się do wchłaniania mikroplastików, desorpcji i ich rozpadu na jeszcze mniejsze fragmenty [6,26]. Procesy degradacji  plastików są ciągłe, a ich fragmenty będą coraz mniejsze wraz z czasem ekspozycji na warunki sprzyjające przemianom fizyko-chemicznym [4].

Rysunek 5. Procesy degradacji mikroplastiku [27]

 

Mikroplastiki mogą rozkładać się na cząstki o rozmiarach nano – tzw. nanoplastiki. Tego rodzaju zanieczyszczenia (nanoplastiki) morza są do tej pory najmniej poznane
i scharakteryzowane ale z drugiej strony potencjalnie mogą być najbardziej niebezpieczne ze względu na ich dużą powierzchnię właściwą (mały rozmiar), co w konsekwencji może znacznie zwiększać bioakumulację i absorpcję zanieczyszczeń, jakimi są metale ciężkie[1]
i trwałe zanieczyszczenia organiczne (TZO)[3,5,28].

  

6.      Wpływ mikroplastiku i plastiku na florę i faunę morską

Niewielki rozmiar mikroplastików powoduje ich dostępność dla organizmów oraz oddziaływanie na życie w morzu lub oceanie. Obecność mikroplastików potwierdzono w próbkach planktonu, w osadach morskich, w ciałach kręgowców i bezkręgowców[2] [29].

Organizmy morskie oddziałują z mikroplastikami na różnego rodzaju sposoby, na wielu poziomach troficznych[3] [30]. W rezultacie istnieje szereg mechanizmów, poprzez które organizmy morskie mogą wchłaniać ten rodzaj mikrozanieczyszczeń:

-        Przyleganie do powierzchni i absorpcja, czyli wchłanianie do organizmu:  MP przylegają do ciała organizmu (tzn. są przywarte do zewnętrznych fragmentów ciał tych organizmów) [31] i/lub absorbowane  (tzn. MP są wchłaniane, pobierane do organizmu przez błony komórkowe). Absorpcję mikroplastików wykazano na przykładzie fitoplanktonu[4] [32,33]

-    Oddychanie: MP mogą przedostać się do wnętrza organizmów poprzez skrzela, co zaobserwowano u krabów [34].

-     Połknięcie bezpośrednie: Organizmy mogą spożywać mikroplastiki jako żywność, nieumyślnie przechwytując je podczas pożywiania się. Bezpośrednie spożycie zostało wykazane u ponad stu gatunków morskich [35].

-    Połknięcie pośrednie: Plastiki mogą być wchłaniane przez konsumentów i drapieżników spożywających inne organizmy zawierające mikroplastik w swoim ciele, tj. transfer na poszczególnych poziomach troficznych [36].

Na powierzchni mikroplastiku powstają biofilmy składające się z bakterii, glonów i okrzemków. Biofilm może wpływać na pływalność tworzywa sztucznego [37], rozprzestrzenianie się w środowisku i dostępność dla organizmów morskich. Powstanie biofilmu powoduje wzrost dostępności MP dla zooplanktonu jako pokarmu, co może mieć negatywny wpływ na metabolizm i rozwój planktonu [38].

Mikrofragmenty tworzyw sztucznych mogą gromadzić się w organizmach (bioakumulacja[5]), co powoduje problemy fizyczne, na przykład wewnętrzne otarcia, niszczenie nabłonka i zatory. Doświadczenia związane z ostrym narażeniem na działanie MP (jednorazowo pobrana dawka zanieczyszczeń), wykazały znaczące efekty biologiczne, w tym utratę wagi i obniżoną intensywność żerowania morskich organizmów [39]. Związane to było z brakiem możliwości zmetabolizowania tworzyw sztucznych i wypełnienia nimi przewodu pokarmowego. Mikroplastiki przekazywane są pomiędzy organizmami od planktonu do ptaków morskich, poprzez łańcuch pokarmowy i dzięki temu mogą przemieszczać się między poziomami troficznymi, co oznacza biomagnifikację[6]. Oprócz oddziaływań fizycznych, wchłonięte przez organizmy mikroplastiki mogą oddziaływać toksycznie. Jest to wynik uwalniania z zanieczyszczeń zgromadzonych na powierzchni tworzyw sztucznych, toksycznych zanieczyszczeń jak i uwalniania monomerów, z których syntezowane są polimery i substancje dodatkowe. Wiele z tych substancji jest rakotwórczych i zaburzają działanie układu wydzielniczego  [3]. Biorąc pod uwagę znaczną stabilność mikroplastików w środowisku (czas rozkładu to nawet tysiące lat), w stosunku do długości życia zwierzęcia, nawet powolne uwalnianie substancji chemicznej może być przyczyną niskiego, a zarazem przewlekłego dostarczania zanieczyszczeń do organizmu. Ponadto mikroplastiki mogą działać jako nośniki mikroorganizmów i bakterii, np. gatunków inwazyjnych i patogenów, co powoduje zwiększenie możliwości rozprzestrzeniania się tych organizmów w morzu, potencjalnie zagrażając różnorodności biologicznej [5].

 

7.      Fizyczny i chemiczny wpływ MP  na środowisko

Mikroplastiki o dużej powierzchni właściwej powodują zanieczyszczenia wód licznymi związkami organicznymi i metalami. Istnieją dwa źródła:

-        pierwsze, składa się z dodatków, monomerów i produktów ubocznych zawartych w plastiku;

-        drugie, pochodzi z otaczającej wody, w tym metali, substancji chemicznych zaburzających procesy hormonalne oraz trwałych zanieczyszczeń organicznych (TZO) [40].

Rozmiar, stan i czas przebywania mikroplastików w wodzie reguluje ilość zanieczyszczeń zatrzymywanych w środowisku morskim. Udowodniono, że hydrofobowe zanieczyszczenia organiczne mają większe powinowactwo do tworzyw sztucznych, takich jak PE, PP i PVC niż dla osadów naturalnych[23]. Zmniejszenie wielkości plastikowych odpadów do skali mikro może zwiększyć ich właściwości sorpcyjne i ułatwić transport zanieczyszczeń z tworzyw sztucznych do organizmów. Dlatego mikroplastiki potencjalnie mogą przenosić różnego rodzaju zanieczyszczenia do łańcucha pokarmowego [30].

Tworzywa sztuczne najczęściej są mieszaniną kilku substancji chemicznych. Zwykle polimery miesza się z dodatkami w celu zwiększenia ich efektywności. Wiele z tych dodatków to substancje niebezpieczne i mogą być wypłukiwane z powierzchni tworzywa sztucznego. Powszechnie stosowane dodatki, w tym ftalany, polibromowane etery difenylowe i składnik polimerów – Bisfenol A, są uznawane za substancje powodujące zaburzenia endokrynologiczne, ponieważ mogą zakłócać syntezę hormonów endogennych [5,6]. Związki te zmierzono w wysokich stężeniach fragmentów tworzyw sztucznych, znalezionych zarówno na linii brzegowej, jak i na otwartym morzu [41].

---

[1] Metale ciężkie - metali charakteryzujące się dużą gęstością, często także właściwościami toksycznymi.

[2] Kręgowce I bezkręgowce- zespół wszystkich grup zwierzęcych posiadających szkielet (kręgowce) oraz nieposiadających szkieletu (bezkręgowce)

[3] Poziom troficzny - organizmy zajmujące taką samą pozycję w łańcuchu pokarmowym, np. producenci, konsumenci, konsumenci II rzędu itd.

[4] Fitoplankton - zespół drobnych samożywnych organizmów swobodnie unoszących się w wodzie.

[5] Bioakumulacja - zdolność organizmów do kumulowania związków chemicznych w tkankach swego organizmu.

[6] Biomagnifikacja - zjawisko wzrastania stężenia substancji chemicznej wraz z kolejnymi poziomami łańcucha pokarmowego.

 

---

[1] Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)- związki organiczne składają się z kilku pierścieni benzenowych. Powstają podczas niecałkowitego spalania odpadów, drewna iglastego, palenia papierosów, produkcji asfaltu.

[2] Polichlorowane bifenyle -  związki organiczne, pochodne bifenylu, w którym część atomów wodoru zastąpiono atomami chloru. Charakteryzują się wysoką toksycznością i trwałością oraz niejednokrotnie teratogennością czy mutagennością. Stosowane są głównie w przemyśle elektrotechnicznym.

[3] Fotoutlenianie – utlenianie tworzyw sztucznych lub innych substancji pod wpływem światła. Prowadzi do zmian strukturalnych polimerów, a w tym zmniejszenia stopnia polimeryzacji.

[4] Termoutlenianie – utlenianie, rozkład  substancji organicznych, w tym polimerów pod wpływem temperatury. Prowadzi do zmian strukturalnych polimerów, a w tym zmniejszenia stopnia polimeryzacji.

[5] Hydroliza - rozkład cząsteczki chemicznej pod wpływem wody.

[6] Promieniowanie UV – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10 nm do 400 nm (niewidzialne dla oka człowieka .

[7] Metabolizm - całokształt przemian chemicznych i energetycznych zachodzących w żywym organizmie.

 

---

[1] Antropopresja – negatywny wpływ działalności człowieka na środowisko naturalne powodujący zaburzenia funkcjonowania ekosystemów.  

[2] Pelagiczny – gatunki organizmów żyjące w otwartym morzu.

[3] Denny - gatunki organizmów żyjące w na dnie morza.