Хлориды и бромиды не дали активным частицам кислорода атаковать поверхность пластика
Американские экологи выяснили, что деградация полистирола в морской воде идет медленнее, чем в речной и очищенной. Крупные органические молекулы поглощают часть излучения в поверхностном слое воды, а хлориды и бромиды задерживают активные частицы кислорода. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Degradation.
Полистирол — один из наиболее популярных типов пластика, он используется для изготовления упаковки, а еще в медицине и строительстве. Например, всем известный пенопласт чаще всего делают на основе вспененного полистирола. Полистирол не относится к так называемым биоразлагаемым пластикам — материалам, которые в природе постепенно распадаются под действием микроорганизмов. Однако известно, что полистирол подвержен фотодеградации, то есть может разлагаться под действием солнечного света. Бензольные кольца в цепи полистирола поглощают энергию, возбужденное состояние приводит к разрыву связи углерод–углерод. Образуются бензильные радикалы, которые вступают в реакцию с кислородом, превращаясь в карбонильные (C=O) и гидроксильные (OH) группы. Разные коллективы ученых демонстрировали, что фотоокисленный полистирол легче растрескивается и распадается на мелкие фрагменты, также его могут заселять и дополнительно окислять бактерии. Однако, в условиях реальных водоемов деградация материала шла медленнее, чем в лабораториях, а точную причину никто не понимал.
Разобраться в вопросе сумели американские экологи под руководством Людмиллы Аристильд (Ludmilla Aristilde) из Северо-Западного университета. Ученые предположили, что скорость распада полистирола зависит от наличия примесей в воде. Они готовили пленки полистирола, помещали в емкости с разными жидкостями и облучали солнечным светом в течение трех месяцев. Помимо стандартной очищенной воды, ученые использовали искусственную морскую воду (с большим количеством хлоридов и бромидов) и искусственную речную воду (с меньшим количеством солей). Ко всем растворам они добавляли растворенные органические вещества (nature organic matter, NOM), которые всегда присутствуют в водоемах.
После трех месяцев облучения солнечным светом поверхность полистирола изучили с помощью сканирующей электронной микроскопии и атомной силовой микроскопии. Сильнее всего изменилась поверхность пленок, которые погрузили в очищенную воду. На них образовались микротрещины и бороздки глубиной до 1200 нанометров. В речной воде рельеф изменился слабее, а в морской пленки остались почти такими же гладкими, какими были в начале эксперимента.
Анализ химического состава методами инфракрасной спектроскопии подтвердил, что в речной и особенно морской воде окисление поверхности происходит медленнее (то есть образуется меньше гидроксильных и карбонильных групп). В этом эксперименте также удалось отследить влияние добавок NOM. Оказалось, что в очищенной воде NOM в 2,3 раза ускоряет окисление, а в соленой и пресной наоборот замедляет его. Дальнейшая обработка пленок бактериями Comamonas testosteroni (штамм KF‑1, выделены из сточных вод) помогла окислить поверхность еще немного — в лучшем эксперименте доля кислородных групп возросла на 31 процент. При этом полистирол, который до этого облучали в морской воде с NOM, снова окислялся хуже всего.
Аристильд и ее коллеги предположили, что NOM влияют на фотодеградацию полистирола двумя способами. Крупные органические молекулы могут поглощать часть излучения в поверхностном слое воды. Из-за этого частицам полистирола достается меньше энергии, и фотодеградация замедляется. В то же время NOM могут выделять активные радикалы кислорода, которые атакуют полистирол, и его фотодеградация наоборот ускоряется. В очищенной воде ускоряющее влияние «побеждает». В речной и особенно морской воде большая часть активных частиц кислорода не добирается до полистирола, сталкиваясь с хлоридами и бромидами, поэтому сильнее оказывается замедляющее влияние. Кроме того, NOM могут влиять и на бактериальное окисление, выступая альтернативным источником пищи для бактерий. Впрочем, авторы отметили, что механизм требует дальнейших уточнений, например, экспериментов с разными температурами, концентрациями NOM и видами бактерий.
Ранее китайские экологи выяснили, что под действием ультрафиолета микрочастицы полистирола могут связываться с компонентами солнцезащитных средств и солями хрома. При этом на поверхности частиц образуется синглетный кислород, из-за этого хром переходит в степень окисления +6 и становится более ядовитым.