Пластик в биосфере – риски биоте и здоровью населения России

Введение. Вторая половина XX и XXI век – это время широкого внедрения в жизнь человека синтетических полимеров, из которых изготавливают ткани для одежды, одноразовую посуду, различные виды упаковки, бытовую технику, строительные материалы и др. В 1950–2020 годах на планете было произведено почти 9 млрд тонн пластика, из которых было переработано или сожжено только 21 %^{1, 2}.

Российский рынок изделий из пластика составляет 2,2 %, а производство – 3 % от мирового объема и характеризуется устойчивыми темпами развития. В 2014–2019 годах объемы производства различных видов пластика в России увеличились на 64,2 %, достигнув 8,76 млн тонн (60,6 кг/чел.). Более того, стратегия развития химического и нефтехимического комплекса страны на период до 2030 года предполагает рост потребления изделий из пластмасс до 89,8 кг/чел. В структуре пластиков, производившихся в России в 2019 году, первые пять мест занимали полиэтилен (2357 тыс. тонн), полипропилен (1750 тыс. тонн), поливинилхлорид (963 тыс. тонн), полистирол (550 тыс. тонн) и полиэтилентерефталат (540 тыс. тонн)³.

Произведенные пластиковые изделия после окончания срока их эксплуатации превращаются в пластиковый мусор. Его меньшая часть (21 %) подвергается переработке, а большая (79 %), находясь в окружающей среде, фрагментируется за счет воздействия микроорганизмов, термоокисления, гидролиза, деформации и механического разрушения под воздействием ультрафиолета, ветра и волн до макро- (более 5 мм), микро- (5 мм – 1 мкм) и наночастиц (менее 1 мкм). В отличие от биологического разложения естественных объектов это очень длительный процесс, занимающий сотни лет [1–3]. В России каждый год образуется 3,6–5 млн тонн пластикового мусора. Среди 10 стран с самым высоким объемом пластиковых отходов на душу населения Россия занимает восьмое место после США (105 кг/чел/год), Великобритании (99 кг/чел/ год), Южной Кореи (88 кг/чел/год), Германии (81 кг/ чел/год), Таиланда (70 кг/чел/год), Малайзии (67 кг/ чел/год) и Аргентины (61 кг/чел/год). К сожалению, Россию от других развитых стран мира отличает низкий процент переработки пластиковых отходов, составляющий только 7–12,5 %, что существенно меньше, чем в странах западной Европы (50 %) и США (29 %). Поэтому разрыв между произведенным и утилизированным пластиковым мусором показывает принадлежность России к числу наиболее неблагополучных стран по данному показателю⁴.

Помимо частиц различных размеров, воздействие пластика на живую природу и человека может быть обусловлено рядом токсичных веществ, образующихся при разрушении его структуры. Прежде всего, это вещества, относящиеся к группам бисфенолов и фталатов, биологическое действие которых изучено экспериментально и подтверждено клиническими наблюдениями. Важно, что миграция бисфенолов и фталатов из пластика в окружающую среду (в том числе в продукты и напитки) может происходить в короткие сроки эксплуатации пластиковых изделий, в отличие от длительных процессов их фрагментации на частицы [4–6].

Таким образом, известные воздействия пластика на живую природу определяются числом, размером, формой и химическим составом частиц, а также токсичными веществами, образующимися при деградации пластика. При этом актуальность проблемы риска здоровью человека постоянно возрастает. С одной стороны, это связано с увеличением контактов с изделиями из пластика, а с другой – с глобальным накоплением пластикового мусора.

Цель исследования – анализ данных научной литературы о создаваемых пластиком рисках для биоты и здоровья населения России.

Материалы и методы. Материалом для исследования послужили источники научной литературы, индексированные в международных базах данных Web of Science, Scopus, PubMed и в отечественной базе данных РИНЦ. Отбор источников осуществлялся с использованием ключевых слов и словосочетаний: микропластик, микропластик + биота, микропластик + здоровье человека. Глубина поиска составила 11 лет (2012–2022 годы). В настоящем обзоре были использованы 60 источников информации. При их отборе преимущество отдавалось результатам исследований в России, представленным в журналах, входящих в ядро РИНЦ. При отборе зарубежных публикаций предпочтение отдавалось журналам, индексируемым в Web of Science и Scopus (Q1–Q2).

Для характеристики объемов производства и утилизации пластика в России и в мире использовалась справочная литература. В соответствии с современными требованиями оценка возможного риска пластика живой природе и здоровью человека включала идентификацию опасности, оценку зависимости «доза – ответ» и управление риском⁵.

Результаты исследования. Библиографический поиск по ключевому слову «микропластик» выявил 9831 зарубежную и 149 отечественных публикаций. Дальнейший поиск иностранных источников по ключевому словосочетанию «микропластик + биота» показал 802, а по ключевому словосочетанию «микропластик + здоровье человека» – 1233 публикации. В первом случае их количество за 2012–2022 годы выросло с 2 до 320, а во втором – с 1 до 600 источников. Из статей, отобранных по ключевому слову «микропластик», вопросам экологии и здоровья человека было посвящено 29 % исследований.

В базе данных РИНЦ в 2012–2022 годах число публикаций по ключевому словосочетанию «микропластик + биота» составило 45, а по ключевому словосочетанию «микропластик + здоровье человека» – 72 работы. За 12 лет в первом случае их число увеличилось с 2 до 12, а во втором – с 2 до 22 публикаций. Из статей, идентифицированных ключевым словом «микропластик», вопросы экологии и здоровья человека изучались в 32 % исследований. Таким образом, проведенный поиск показал стабильно растущий как в мире, так и в России интерес к проблеме рисков для живой природы и здоровья человека, создаваемых находящимся в окружающей среде пластиком (см. рисунок).

Идентификация и характеристика рисков, создаваемых пластиком и его компонентами, проведена с учетом жизненного цикла и цикла эксплуатации пластика (см. таблицу). Вначале находится производство пластика, заключающееся в соединении первичных форм пластмассы с различными добавками. В России в качестве таких форм преимущественно используются индифферентные для живых организмов полимеры этилена, стирола, пропилена и винилхлорида. Наиболее распространенными пластиковыми добавками являются бисфенолы, фталаты, полибромированные антипирены, обладающие доказанными токсическими свойствами [3][7–9].

Производство пластика сопровождается выбросами в воздух рабочих зон широкого спектра токсических химических веществ, образующихся при синтезе полимеров из пластикового сырья с добавлением пластификаторов (см. таблицу). К ним, в частности, относятся 1,3 бутадиен, бензол, стирол и толуол, которые представляют угрозу для здоровья человека, способствуя развитию различных заболеваний, включая онкологические [10][11].

Условия труда при производстве пластмассовых изделий (второй этап жизненного цикла пластика) характеризуются другими вредными факторами: высоким уровнем загрязнения воздуха парами формальдегида, фенола, окиси углерода, окиси этилена в сочетании с неудовлетворительными параметрами микроклимата, шумом и высокой тяжестью трудовых процессов. В условиях современного производства рабочие подвергаются преимущественно длительному воздействию комплекса химических веществ в концентрациях, близких к предельно допустимым. Особенностью действия ксенобиотиков в допустимых концентрациях является отсутствие специфических симптомов интоксикации, наличие «скрытых» неспецифических нарушений гомеостаза, которые ведут к истощению адаптационно-приспособительных реакций и снижению общей резистентности организма [12][13].

На этапе эксплуатации изделий из пластика возможны несколько вариантов возникновения рисков здоровью человека. Макрочастицы пластика в виде деталей игрушек представляют опасность для детей. Возможно их попадание в желудочно-кишечный тракт, дыхательные пути (вплоть до развития удушья), полости уха и носа. Для взрослого человека частицы макропластика реальной опасности не представляют. Также появились данные о проникновении микропластика пероральным путем в организм детей при контакте с пластиковыми изделиями (бутылочками для детского питания, прорезывателями для зубов, игрушками и др.) с последующим его выведением естественным путем. Предполагается, что дети потребляют большое количество микропластика, когда грызут игрушки, сосут соски-пустышки, ползают по поверхностям, содержащим микропластик, например по коврам [14].

Существенно большее значение имеет выход продуктов дезинтеграции пластика из стенок контейнеров и упаковочного материала в жидкости и продукты питания. В частности, доказана миграция в бутилированную воду и молоко бисфенола и фталатов, оказывающих негативное влияние на организм человека. Бисфенолы, являясь агонистами эстрогеновых рецепторов, вызывают нарушения обмена веществ, развитие ожирения, иммунные расстройства, раннее половое созревание, развитие рака предстательной и молочной желез, нарушение внутриутробного развития [4–7].

В Европейском союзе разработаны допустимые пределы миграции бисфенола А в пищевые продукты, а также установлены ограничения на его использование при изготовлении упаковочного материала. В России такие законодательно утвержденные гигиенические нормативы отсутствуют. Проведенное в России исследование продуктов питания (минеральная вода, соки, пиво, овощи, мясо) выявило наличие бисфенола А в количестве 0,1–42,9 мкг/кг в 15 из 19 проб с наивысшим уровнем в консервированных овощах и мясе, упакованных в металлические банки. Содержание бисфенола А в материале из поликарбоната, применяемом в России для изготовления бутылей для питьевой воды, показало его превышение в 203,4–711,4 раза по сравнению с результатами исследований в Германии. Однако миграции бисфенола А из тары в модельные среды выявлено не было, что соответствовало данным большинства международных наблюдений [4][5].

Фталаты имитируют структуру полового гормона эстрогена. Попадая в организм человека, они способны вызвать серьезные нарушения в эндокринной и половой системах. Фталаты в организме мужчин угнетают выработку тестостерона, задерживают рост и развитие репродуктивной системы. В целом биологические эффекты этих химических веществ аналогичны действию антиандрогенов: они ведут к аномальной пролиферации клеток простаты с последующим повышенным риском развития рака. У женщин они провоцируют развитие рака груди, заболевания яичников, нарушения течения беременности. Учитывая установленные риски здоровью, для бисфенола А и фталатов разработаны ПДК в атмосферном воздухе и воде хозяйственно-питьевого назначения. Необходимо отметить, что нет доказательства того, что источником бисфенола и фталатов в напитках и продуктах является исключительно полимерная тара. Весьма вероятно их наличие в исследованных пробах до процесса упаковки. Также важно, что по данным всех российских и зарубежных исследований содержание бисфенолов и фталатов в напитках и пищевых продуктах не превышало гигиенических нормативов. Вопрос о возможности их кумулятивного действия при длительном поступлении в организм из разных источников при соблюдении ПДК остается открытым [6][8].

При использовании пластиковой тары, помимо химических соединений – продуктов дезинтеграции пластика внутренних поверхностей тары и упаковки, вероятно попадание в организм человека его мелких частиц различного размера. В этом аспекте наиболее изученным объектом является бутилированная питьевая вода [15][16]. Микропластик также обнаружен в растительных маслах, чае, пиве и других пищевых продуктах, предварительно находившихся в пластиковой упаковке [17–19].

Многие животные воспринимают частицы пластика как источник пищи [29]. Макрочастицы пластика попадают в желудочно-кишечный тракт морских млекопитающих и птиц, крупных рыб. Они способны нарушать процессы питания, снижая поглощение питательных веществ и активность кормления из-за чувства ложного насыщения. Также возможно негативное влияние на организм за счет травматизации слизистой оболочки и/или перфорации стенок кишечника. Большое количество пластика способно вызвать механическую непроходимость желудочно-кишечного тракта и смерть, что нередко наблюдается среди морских животных и водоплавающих птиц [2][29–31].

Нахождение микро- и наночастиц пластика неоднократно отмечалось в моллюсках, крабах, рыбах, морских звездах, фитопланктоне. Поскольку пластик не разлагается их ферментативной системой, то его поступление и депонирование в различных тканях и органах представляет потенциальную угрозу для существования живых организмов. Количественное содержание частиц пластика варьируется в зависимости от вида организма, места и метода отбора проб, методики проведения анализа. С воздействием микрочастиц пластика связывается ряд отклонений у животных. В частности, нарушение репродуктивного и пищевого поведения, снижение выживаемости представителей веслоногих ракообразных – Calanus helgolandicus [32], нарушения пищевого поведения рыб [33], снижение роста и воспроизводства рыб видов Hyaletta azteca [34], снижение скорости плавания и трофической активности Daphnia magna при воздействии микрочастиц полистерола [35]. Отмечена способность бентосных организмов, в частности пресноводных олигохет Tubificidae, к перераспределению микропластика в илистых донных отложениях [36]. Однако дизайн проведенных исследований не представляет возможности дифференцировать механизмы этого воздействия. Интересный факт был обнаружен С.А. Бирицкой и соавт. [37] при изучении амфипод Байкала, которые обладают свойством поглощать и естественным образом выводить частицы микропластика без каких-либо функциональных или морфологических признаков повреждения организма. В экспериментальных условиях особи комара кровососущего (Aedes aegypti) поглощали в среднем за 3 дня 7 микрочастиц полистирола, которые не оказывали отрицательного влияния на выживаемость комаров, но повышали массу их тела по сравнению с контрольной группой насекомых. В процессе метаморфозы микрочастицы переходят от личинок к куколкам в водных экосистемах, а за тем к взрослым насекомым [38].

Существенно меньше исследований посвящено влиянию на водную биоту токсичных веществ, образующихся при деградации пластика. В их числе отечественная работа В.А. Кальпа и соавт., показавших снижение осмотической стойкости гемоцитов моллюсков Mytilus galloprovincialis, которое проявлялось потерей упругих свойств клеточных мембран и гибелью гемоцитов [39].

В организм крупных морских животных также могут попадать микрочастицы пластика. Это происходит как непосредственно из окружающей водной среды, так и путем поедания нижерасположенных в пищевой цепи растений и животных. Имеются сведения о способности микрочастиц пластика перемещаться через слизистую оболочку кишечника в лимфатическую и кровеносную систему с последующим распространением в другие органы [40][41].

В последние годы доказано, что наночастицы пластика способны проникать не только в организм животных, но и в растения [42]. Они обнаружены в корнях и в листьях арабидопсиса, пшеницы, в овощах и фруктах (яблоках, моркови, грушах, брокколи, салате) [43][44]. О биологическом действии наночастиц на растения известно крайне мало, однако было отмечено их негативное влияние на рост растений Arabidopsis thaliana [45].

Менее известна способность частиц пластика абсорбировать из внешней среды токсичные вещества и патогенные бактерии. Большинство пластиков могут образовывать с находящимися в природных водах стойкими органическими загрязнителями (полихлорированные бифенилы, пиретроиды и т. п.) так называемые ассоциаты, а с тяжелыми металлами – аддукты. Благодаря этим свойствам концентрация собранных на микропластике стойких органических соединений и металлов оказывается на несколько порядков выше, чем их естественный фон [31]. Частицы пластика играют роль искусственного субстрата, на поверхность которого оседают различные организмы-обрастатели. Постепенно в пластиковом мусоре создается собственный биоценоз – «пластисфера», обитатели которого способны переноситься с помощью водных течений на большие расстояния, представляя угрозу местной биоте и человеку [1][2].

Исследований отечественных авторов, касающихся проникновения, распределения и влияния частиц пластика на организм человека, найдено не было. Воздействие пластика на человека возможно при попадании его микро- и наночастиц в организм с жидкостью, продуктами питания, вдыхаемым воздухом, через кожу и некоторыми другими более редкими путями. Основным путем, вероятно, является пероральное поступление загрязненных пластиком продуктов по пищевым цепям, последним звеном которых является человек⁶. Значительным источником микрочастиц может быть водопроводная вода. Из продуктов питания наибольшее число микрочастиц пластика содержат морепродукты, при регулярном потреблении которых в человеческий организм поступает до 11 000 микрочастиц пластика в год. Насколько широко распространен микропластик в природе и насколько велико его потребление человеком в повседневной жизни, свидетельствуют следующие данные. Так, ежегодное потребление микропластика жителями США колеблется от 39 000 до 52 000 частиц в зависимости от возраста и пола. Эти оценки увеличиваются до 74 000 и 121 000, если учитывать поступление частиц с вдыхаемым воздухом. Кроме того, люди, употребляющие воду только из бутилированных источников, способны поглощать до 90 000 частиц в год по сравнению с 4000 частиц при использовании водопроводной воды [46]. Доказано, что процесс миграции микрочастиц пластика и токсичных продуктов его распада из упаковки увеличивается при нарушении сроков и температурного режима хранения продуктов, а также при использовании пластиковой тары с механическими повреждениями стенок [18][19].

Депонированные микрофрагменты пластика выявляются во многих органах человека. Исследование крови 22 здоровых добровольцев показало наличие микрочастиц у 17 человек. В крови обследованных людей содержались частицы полиэтилентерефталата (50 % проб), полистирола (36 %), полиэтилена (23 %) и оргстекла (5 %) [47]. Исследование 47 образцов тканей человека (легких, печени, селезенки и почек) показало наличие пластика во всех представленных биоматериалах. Были выявлены поликарбонат, полиэтилентерефталат, полиэтилен. Также отмечено присутствие в исследуемых тканях человека бисфенола А. Из 13 исследованных образцов легочной ткани в 11 образцах находились частицы пластика размером до 3 мкм. Было идентифицировано 12 типов полимеров, наиболее распространенными из которых являлись полипропилен (23 %), полиэтилентерефталат (18 %) и смола (15 %) [48]. У больных с заболеваниями кишечника была обнаружена более высокая концентрация микропластика в кале (41,8 ед./г дм), чем у здоровых лиц (28,0 ед./г дм). Всего в фекалиях обнаружено 15 типов микрочастиц, среди которых преобладали полиэтилентерефталат (22,3–34,0 %) и полиамид (8,9–12,4 %). Представлены доказательства положительной корреляции между концентрацией фекальных частиц и тяжестью заболевания. Высказано предположение о том, что указанная корреляция может быть связана как с патологическими процессами, так и с задержкой микрочастиц в воспаленном кишечнике [49].

Микропластик обнаружен в плаценте человека, причем в тканях как со стороны матери, так и со стороны плода. В четырех из шести исследованных плацент содержались фрагменты пластика. Всего было найдено 12 частиц размером 5–10 мкм сферической или неправильной формы. Пять было найдено в тканях на стороне плода, четыре – на материнской стороне и три – в хориоамниотических оболочках. Три частицы оказались полипропиленом – материалом, из которого обычно делают упаковочную пленку, а среди остальных удалось определить только пигменты – красители, которые содержатся в искусственных покрытиях, красках, клеях, штукатурках, косметике и средствах личной гигиены [50]. Помимо выявления депонированных частичек пластика в различных органах, установлено их влияние на ряд физиологических процессов [51]. Так, наночастицы полистирола, модифицированного амином, взаимодействуют с муцином и индуцируют апоптоз муцин- и немуцинсекретирующих эпителиальных клеток кишечника [52]. Показано, что немодифицированный полистирол вызывает апоптоз в нескольких типах клеток человека, включая первичные альвеолярные макрофаги и первичные эпителиальные клетки альвеолярного типа 2 (AT2) [53].

Исследование in vitro с использованием частиц полистирола различного размера показало, что более крупные частицы (202 и 535 нм) вызывали более высокую экспрессию интерлейкина IL-8 в клетках легких в сравнении с воздействием частицами размером 64 нм [54]. Кроме того, наночастицы карбоксилированного полистирола вызывали существенную активацию интерлейкина IL-6 и IL-8 при аденокарциноме желудка, лейкемии и гистиоцитарной лимфоме человека. Это свидетельствует о том, что усиление воспалительных реакций частицами полистирола, вероятно, обусловлено строением частиц, а не их зарядом [55].

Полиэтиленовые компоненты, входящие в состав материалов суставных протезов, в результате износа могут фрагментироваться до мелких частиц, которые запускают продукцию таких провоспалительных факторов, как TNF и интерлейкин IL-1, а также проостеокластические факторы, включая рецептор активатор лиганда NF-B (RANKL). Это приводит к перипротезной резорбции кости и в итоге может быть причиной нарушения функции протеза [56]. Высокий уровень частиц сверх высокомолекулярного полиэтилена размером от 0,2 до 10 мкм и макрофагов наблюдался в перипротезной ткани, что указывало на активацию воспалительной реакции [57].

Микропластик и нанопластик способен нарушать клеточный метаболизм как в лабораторных условиях, так и в модели in vivo. Наночастицы на основе полистирола влияют на сигнальные системы эпителиальных клеток дыхательных путей путем взаимодействия с цитоплазматической мембраной. После воздействия отрицательно заряженных наночастиц карбоксилированного полистирола размером 20 нм обнаружена активация ионных калиевых каналов в клетках легких человека. Нанопластик вызывал постоянное и зависящее от концентрации увеличение токов короткого замыкания за счет активации ионных каналов и стимуляции ионного оттока хлора и бикарбоната [58]. Кроме того, наночастицы полистирола размером 30 нм индуцировали большие везикулоподобные структуры в эндоцитарных путях макрофагов и раковых клеток человека линий A549, HepG-2 и HCT116. Острое пероральное воздействие положительно заряженных наночастиц полистирола может нарушать в кишечнике человека транспорт железа и его клеточное поглощение [59].

Несмотря на представленные выше потенциально опасные для здоровья человека нарушения, пока не установлено клинических признаков каких-либо заболеваний, развитие которых можно было бы связать с воздействием частиц пластика.

На последнем этапе жизненного цикла пластика производится его переработка, что может сопровождаться образованием токсичных веществ, создающих риски здоровью работников мусороперерабатывающих предприятий и окружающей среде. Результатов исследований условий труда данной категории работников в научной литературе не найдено. Опыт эксплуатации многих современных предприятий по переработке твердых бытовых отходов, основной частью которых является пластиковый мусор, показывает их экологическую безопасность. При температурах 1200–1400 °С, характерных для современных установок, большинство токсических веществ необратимо распадаются, а неразложившаяся часть поглощается в адсорбирующих фильтрах. На современных мусоросжигающих станциях выбросы диоксинов снижены до 0,6 мкг на тонну топлива, в то время как на старых мусороперерабатывающих предприятиях выбросы достигали 300 мкг/т. Концентрации регламентируемых веществ в газообразных продуктах сгорания отходов не превышают допустимых значений. При этом отмечено, что в России практически отсутствуют современные мусоросжигающие установки, поэтому необходимо уделять большое внимание экологическому аспекту этого вопроса [60].

Заключение. Большие объемы производства и низкий процент утилизации пластикового мусора обусловливают проблему влияния продуктов его распада на биоту и создают пока еще недостаточно изученные риски здоровью населения России. Проведенное исследование литературных источников показало, что пластик способен оказывать воздействие на окружающую среду на всех этапах его жизни и эксплуатации. На этапах производства пластика, изготовления из него изделий и переработки пластикового мусора потенциальное негативное влияние преимущественно связано с токсическими газообразными соединениями, поступающими в рабочие зоны предприятий и в атмосферу. На этапах эксплуатации пластика и пластикового мусора воздействие обусловлено частицами синтетических полимеров различного размера и токсичными веществами, образующимися при их деструкции.

В настоящее время не имеется убедительных данных о клинически значимых нарушениях здоровья человека, вызванных частицами пластика. Концентрации в продуктах питания и напитках компонентов пластика с доказанными токсичными свойствами не превышают установленных гигиенических нормативов. Нарушения функционального состояния различных видов животных были получены в экспериментах с применением данных веществ в концентрациях, превышающих их реальный уровень в природе. Не вызывает сомнения негативное влияние макропластика на фауну, особенно морскую. Необходимы дополнительные исследования влияния микро- и наночастиц пластика, а также токсичных продуктов его разрушения в допустимых нормативами концентрациях на биоту и здоровье человека. Вышеизложенное ни в коей мере не уменьшает важности разработки и применения потенциально менее токсичных и подвергающихся биодеградации видов пластика, разумного количества производимых пластиков, увеличения доли их утилизации, а также воспитания экологически грамотного потребителя пластиковых изделий. Процент утилизации пластиковых отходов может быть существенно повышен за счет внедрения раздельного сбора мусора, который на сегодняшний день в России находится на начальной стадии своего развития.