Ученые годами находили микропластик повсюду, загрязняя образцы своими же перчатками: найдена слепая зона современной экологии
Глобальная проблема загрязнения окружающей среды микропластиком требует от научного сообщества максимально точных методов оценки. Исследователи находят полимерные фрагменты в водоемах, почве, атмосферных осадках и тканях живых организмов. Чтобы результаты анализа были достоверными и на них могли опираться международные регулирующие органы, лаборатории внедряют строгие протоколы контроля качества. Цель этих протоколов — полностью исключить попадание посторонних частиц в изучаемый образец на всех этапах работы.
Для достижения необходимой чистоты экспериментов ученые используют посуду из стекла или металла, надевают халаты из натурального хлопка и проводят манипуляции в фильтруемых вытяжных шкафах. Стандартным и обязательным элементом экипировки также считаются одноразовые нитриловые или латексные перчатки. Долгое время предполагалось, что они защищают образец от загрязнения биологическим материалом человека.
Так было, пока исследование, проведенное специалистами химического факультета и факультета статистики Мичиганского университета, не выявило проблему в этом подходе. Ученые доказали, что обычные лабораторные перчатки при сухом контакте с поверхностями оставляют микроскопический химический осадок. Современное аналитическое оборудование массово и ошибочно классифицирует этот осадок как микропластик, что ведет к систематическому завышению данных об экологическом загрязнении.
Механика контактного загрязнения
В процессе промышленного производства одноразовых перчаток используются специальные антиадгезивы — вещества, позволяющие легко снимать готовое резиновое изделие с формовочной матрицы. В качестве антиадгезивов производители применяют соли стеариновой кислоты, такие как стеараты кальция, магния, натрия и цинка. После завершения производственного цикла эти соли остаются на поверхности материала.
Чтобы проверить, как это влияет на лабораторные исследования, команда из Мичиганского университета провела серию контролируемых тестов. В условиях очищенного воздуха исследователи прижимали различные типы популярных латексных и нитриловых перчаток к чистой кремниевой подложке с алюминиевым покрытием. Контактное усилие составляло 30 ньютонов. Это такое же давление, которое человек оказывает пальцами при стандартной лабораторной работе — например, при удержании стеклянной колбы, использовании пинцета или настройке фильтрационной установки.
Результаты оптического и химического анализа показали, что одно касание стандартной лабораторной перчатки оставляет на поверхности в среднем 2100 нелетучих микрочастиц на каждый квадратный миллиметр площади. Анализ размеров показал, что средний диаметр этих частиц составляет менее 2 микрометров.
Частицы пластика размером менее 10 микрометров вызывают наибольшую обеспокоенность у токсикологов, так как именно они способны проникать через биологические барьеры организмов и накапливаться во внутренних органах. Тот факт, что перчатки оставляют осадок именно в этом размерном диапазоне, означает, что лаборатории по всему миру рискуют получать ложные данные о самой опасной фракции микропластика.
Аппаратная ошибка и структурное сходство
Для определения химического состава найденных частиц исследователи применяют методы колебательной микроспектроскопии — в частности, оптическую фототермическую инфракрасную (O-PTIR) и комбинационную (Raman) спектроскопию.
Принцип работы этого оборудования заключается в воздействии лазерного луча на микрочастицу. Энергия лазера заставляет химические связи внутри молекул колебаться. Приборы фиксируют эти колебания и выстраивают спектр — графическое отображение интенсивности сигналов на разных частотах. Затем программное обеспечение автоматически сравнивает полученный спектр с цифровой библиотекой эталонных материалов. Алгоритм рассчитывает индекс качества совпадения. Если сходство превышает заданный порог (обычно 0,7 или 70%), программа присваивает неизвестной частице название материала из библиотеки.
Ошибка возникает из-за глубокого структурного сходства загрязнителя и искомого объекта. Стеараты, осыпающиеся с перчаток, представляют собой соли жирных кислот, основу которых составляют длинные углеводородные цепи. Один из самых распространенных видов микропластика — полиэтилен высокой плотности (HDPE) — также состоит из углеводородных цепей.
Когда алгоритм анализирует спектр частицы стеарата, он фиксирует мощный сигнал от связей между атомами углерода и водорода. Поскольку базовая программа настроена на поиск наивысшего балла совпадения, этот доминирующий сигнал заставляет алгоритм игнорировать другие характеристики. Программа делает вывод, что перед ней полиэтилен, и исследователь фиксирует в отчете присутствие микропластика, которого на самом деле не было в окружающей среде.
Методы калибровки и очистки данных
Чтобы исключить ложноположительные результаты и отделить реальные полимеры от химического следа перчаток, авторы исследования разработали два новых алгоритма обработки спектральных данных.
Модификация спектрального диапазона (для инфракрасной спектроскопии)
При анализе инфракрасных спектров исследователи предлагают отказаться от оценки всего графика целиком. Несмотря на общее сходство углеводородных цепей, у стеаратов присутствует карбоксилатная группа, которая дает четкие колебания на отрезке от 1550 до 1580 обратных сантиметров (см⁻¹). В структуре чистого полиэтилена этой группы нет.
Решение заключается в том, чтобы программно сузить окно поиска. Если алгоритм будет оценивать совпадения исключительно в этом узком диапазоне, наличие характерного пика однозначно укажет на то, что частица является солью стеариновой кислоты, а не пластиком.
Конформное прогнозирование (для Рамановской спектроскопии)
При использовании комбинационного рассеяния света (Рамановской спектроскопии) отличить материалы значительно сложнее, так как сигналы карбоксилатной группы в этом методе неактивны. Для решения этой проблемы исследователи применили статистическую модель конформного прогнозирования.
Традиционные программы всегда пытаются выдать один окончательный ответ, выбирая материал с наивысшим индексом совпадения. Метод конформного прогнозирования работает иначе: он оценивает степень неопределенности и формирует набор предсказаний с заданным уровнем теоретической надежности (в данном исследовании — 95%).
Если спектр частицы имеет высокое сходство и со стеаратом, и с полиэтиленом, программа не делает однозначного выбора. Она выдает результат, содержащий оба варианта. Это прямое указание для аналитика, что автоматического анализа недостаточно и спектр требует детальной ручной проверки по вторичным признакам — например, по поиску слабого пика скелетного колебания углеродных связей на частоте 1106 см⁻¹, который характерен только для стеаратов.
Проверка на реальных образцах и новые стандарты
Чтобы подтвердить эффективность своих методов, ученые применили их к реальному набору данных. Ранее группа собрала образцы атмосферной пыли в четырех локациях штата Мичиган для оценки количества микропластика в воздухе. Сбор проводился по всем правилам, исследователи работали в нитриловых перчатках. Первичный традиционный анализ показал высокое содержание полиэтилена. Однако когда данные пропустили через новые строгие алгоритмы, выяснилось, что значительная часть частиц, идентифицированных как переносимый по воздуху микропластик, на самом деле являлась стеаратами с перчаток самих ученых.
Опираясь на полученные результаты, исследователи формулируют новые требования к проведению лабораторных анализов.
Во-первых, при работе с образцами для поиска микропластика ученым следует полностью отказаться от использования одноразовых перчаток, если протокол не предполагает использования агрессивных или токсичных химикатов. Тщательное мытье рук с мылом и водопроводной водой, а также манипуляции с образцами исключительно с помощью металлических пинцетов обеспечивают гораздо более высокую чистоту эксперимента.
Во-вторых, в ситуациях, когда контакт с химическими реагентами делает использование перчаток обязательным требованием техники безопасности, лабораториям необходимо перейти на закупку специализированных перчаток для чистых помещений. Тестирование показало, что изделия этой категории выделяют минимальное количество твердых частиц при физическом контакте.
Точная количественная оценка масштабов пластикового загрязнения требует абсолютно достоверных вводных данных. До тех пор, пока лаборатории не скорректируют свои физические протоколы работы и не перенастроят программное обеспечение спектрометров на учет стеаратов, текущие статистические данные о концентрации микропластика требуют переоценки и строгой проверки.
Источник:Analytical Methods