Тиха загроза: Як пластик кришиться на наночастинки, що шкодять ДНК

Наш світ буквально насичений трильйонами мікроскопічних та наноскопічних частинок пластику. Деякі з них настільки малі, що їхній розмір можна порівняти з вірусом, і це дозволяє їм проникати всередину живих клітин, потенційно втручаючись у їхню нормальну роботу і навіть взаємодіючи з молекулами ДНК, носіями генетичної інформації. Дослідники виявляють ці крихітні пластикові фрагменти практично скрізь, де шукають: від незайманих снігів Антарктиди до людської крові. Попри широке усвідомлення проблеми пластикового забруднення, молекулярні механізми, що лежать в основі повсюдного утворення цих небезпечних наночастинок, донедавна залишалися не до кінця зрозумілими.

Нове дослідження, проведене командою інженерів-хіміків з Колумбійського університету під керівництвом професорів Саната Кумара, Майкла Биховського та Чаро Гонсалес-Биховської, проливає світло на цей процес. З моменту появи пластику на ринку близько 75 років тому, його використання стало практично універсальним завдяки унікальним властивостям: легкості, міцності, гнучкості та довговічності. Однак, як виявилося, саме ті структурні особливості, які надають пластику його універсальність, роблять його вразливим до розпаду на мікроскопічні та наноскопічні фрагменти. Цей процес особливо характерний для так званих напівкристалічних полімерів, які становлять переважну більшість (75−80%) усього використовуваного пластику.

Якщо подивитися на зразок такого пластику під дуже потужним мікроскопом, можна побачити складну структуру, що складається з чергування шарів різного типу. Одні шари є твердими, кристалічними — у них довгі молекули полімеру (ланцюжки) жорстко впорядковані, утворюючи міцні кристалічні структури. Інші шари — м'які, аморфні. У них полімерні ланцюжки розташовані хаотично, не маючи чіткої структури, що нагадує заплутаний клубок ниток. Коли тисячі таких твердих та м'яких шарів укладаються разом, вони формують матеріал, який ми знаємо як пластик — легкий, міцний і неймовірно універсальний. Важливо, що унікальні властивості цих матеріалів, зокрема їхня міцність та гнучкість, значною мірою залежать від зв'язків між твердою кристалічною та м'якою аморфною фазами. Ці м'які шари діють як своєрідний «розчин» або «клей», що утримує разом тверді кристалічні блоки, подібно до розчину, що скріплює цеглу в стіні.

У своїй статті, опублікованій 28 березня у престижному журналі Nature Communications, дослідники детально пояснюють механізм утворення нанопластику. Вони виявили, що процес руйнування починається саме в м'яких, аморфних шарах. З часом, під впливом факторів навколишнього середовища (таких як ультрафіолетове випромінювання сонця, кисень, вода, температурні коливання), ці м'які шари деградують, стають слабшими і крихкішими. Що важливо, команда показала, що ці м'які шари можуть руйнуватися і відламуватися навіть тоді, коли сам пластиковий виріб не зазнає значного механічного навантаження чи стресу — наприклад, просто лежачи на звалищі. Самі по собі фрагменти м'яких, аморфних шарів досить швидко розкладаються в навколишньому середовищі.

Однак справжня проблема виникає тоді, коли руйнування м'якого шару призводить до того, що від загальної структури пластику відламуються фрагменти твердих, кристалічних шарів. Саме ці кристалічні частинки і є тими самими мікро- та нанопластиками, які викликають найбільше занепокоєння. Завдяки своїй впорядкованій кристалічній структурі, вони є набагато стійкішими до подальшого розкладання і можуть персистувати (зберігатися) в навколишньому середовищі протягом десятиліть і навіть століть. Ці крихітні, стійкі фрагменти легко переносяться вітром та водою, потрапляючи в ґрунт, водойми, повітря, і, зрештою, в живі організми, включаючи людину, через їжу, воду та дихання.

Як пояснює професор Санат Кумар, хоча існувало багато свідчень про наявність нанопластику та спостережень за його утворенням, досі не було чіткого розуміння молекулярних механізмів цього процесу. «Ми знали з 1950-х років, що м'яка частина утримує тверду разом. У новому дослідженні ми показуємо, наскільки легко ці м'які з'єднувачі руйнуються навіть у спокійних умовах, наприклад, на звалищі. Як тільки цей шар руйнується, твердим сегментам нікуди діватися — вони розсіюються в навколишньому середовищі».

Наслідки цього процесу для здоров'я можуть бути серйозними. Ці крихітні частинки пластику плавають у воді та повітрі, і частина з них неминуче потрапляє в організм людини. Найменші наночастинки здатні долати біологічні бар'єри, проникати крізь мембрани клітин і навіть досягати ядра — центру керування клітиною, де зберігається ДНК. Потрапивши всередину ядра, вони потенційно можуть взаємодіяти з ДНК, викликаючи пошкодження або порушуючи процеси її зчитування та копіювання. Дослідники зазначають, що розмір та форма цих нано- та мікропластикових фрагментів часто нагадують волокна азбесту — відомого канцерогену. Це викликає обґрунтовані побоювання, що тривалий вплив нанопластику може підвищувати ризик розвитку раку, серцево-судинних захворювань (таких як інфаркт та інсульт) та інших хронічних недуг.

Чи існує інженерне рішення цієї проблеми? Результати дослідження підказують можливий шлях. Оскільки процес руйнування починається у м'яких шарах, логічно припустити, що зміна їхньої структури з метою підвищення стійкості до деградації могла б суттєво зменшити кількість кристалічних фрагментів, що відламуються. «Очевидно, необхідно зосередити увагу на цьому аспекті, щоб зменшити кількість мікро- та нанопластику, що утворюється внаслідок звичайної деградації полімерів», — зазначає Кумар. Це може включати розробку нових типів полімерів з міцнішими міжмолекулярними зв'язками в аморфній фазі або додавання спеціальних стабілізаторів.

Краще розуміння механізмів утворення нанопластику також може змінити економічний погляд на проблему переробки пластику. На сьогодні лише близько 2% усього виробленого пластику переробляється, переважно через високу вартість цього процесу. Однак, якщо враховувати потенційні довгострокові витрати на лікування захворювань, пов'язаних із забрудненням нанопластиком, економічний розрахунок може змінитися. «Якщо подумати про це так: якщо доводиться обирати між проблемами зі здоров'ям, які може спричинити нанопластик, та вартістю переробки, то, можливо, насправді дешевше переробляти», — розмірковує Кумар.

Це дослідження, фінансоване Національним науковим фондом США та Урядом Країни Басків, надає важливе фундаментальне розуміння тихої, але повсюдної загрози, яку несе пластикове забруднення на нанорівні. Розуміння того, як саме повсякденний пластик перетворюється на потенційно шкідливі наночастинки, є критично важливим кроком для розробки ефективних стратегій боротьби з цією глобальною проблемою та захисту здоров'я людини і довкілля.