English
Mikroplastik to małe cząstki tworzyw sztucznych, o wielkości poniżej 5 mm, które w znaczący sposób oddziałują na nasze środowisko [1]. Wszechobecne w morzach, oceanach, strefach przybrzeżnych, wodach śródlądowych, a nawet w lodowcach, wciąż zaskakują naukowców możliwościami szybkiej ekspansji i wielopoziomowego wpływu na organizmy.
Skąd się bierze mikroplastik w oczyszczalniach?
W ostatnich latach badacze coraz intensywniej przyglądają się oczyszczalniom ścieków, które są głównym źródłem uwalniania tych cząstek do środowiska wodno-glebowego. Do oczyszczalni mikroplastik trafia zarówno za pośrednictwem kanalizacji sanitarnej, jak i deszczowej. W ściekach obecne są włókna pochodzące przede wszystkim z tekstyliów, ale także cząstki z kosmetyków czy miejskiego kurzu, zawierającego m.in. zanieczyszczenia ze ścierających się opon. Badania pokazują, że liczba cząstek w 1 l ścieków może wahać się od 1000 do nawet 13 tys.
Najbardziej rozpowszechnione są polimery, takie jak poliester (PES) i polietylen (PE) [1]. Chociaż efektywność konwencjonalnych oczyszczalni ścieków w zatrzymywaniu cząstek mikroplastików często przekracza 90%, to narażenie środowiska znacząco się nie zmniejsza [2]. Ponieważ metody analityczne wykrywania mikroplastików wciąż są w fazie rozwoju i udoskonalania, nadal nie znamy realnej skali zagrożenia.
Coraz częściej mówi się o wysokiej szkodliwości tzw. nanoplastików, czyli tych najmniejszych cząstek, które są w stanie pokonać nawet barierę krew – mózg [1, 3]. Mikroplastik jest przede wszystkim gromadzony w osadach ściekowych (ponad 90%), których krótki czas obróbki nie pozwala na biodegradację cząstek [2].
Mikroorganizmy w służbie oczyszczania ścieków
Naukowcy wyizolowali już ponad 400 mikroorganizmów, które są w stanie przyspieszyć rozkład tworzyw sztucznych. Wśród nich są bakterie, które biorą udział w procesach oczyszczania ścieków, wykorzystując polimery, jako dodatkowe źródło węgla [1]. Jednak procesy mikrobiologicznej degradacji tworzyw sztucznych często wymagają stworzenia mocno sprzyjających warunków – odpowiedniej temperatury, promieniowania UV, drobnoustrojów o odpowiednim wachlarzu enzymatycznym [4].
Ponadto tworzywa sztuczne często zawierają wiele chemicznych dodatków (plastyfikatory, metale ciężkie, polichlorowane bifenyle), które mogą hamować rozwój mikroorganizmów, a nawet zmieniać struktury całych społeczności, zaburzając procesy biodegradacji. Specyficzne właściwości cząstek tworzyw sztucznych powodują, że po przedostaniu się do jakiegokolwiek środowiska, zaczynają sorbować wszelkie obecne tam zanieczyszczenia.
Tworzą specyficzne hot-spoty, w których, obok wysokich stężeń toksycznych związków chemicznych i metali ciężkich, znajdują się również mikroorganizmy patogenne, często posiadające i transmitujące geny antybiotykooporności. Mikroplastik może szkodzić organizmom na wszystkich poziomach troficznych, zaczynając od drobnoustrojów, a kończąc na zwierzętach i ludziach [4, 5].
Bakterie odgrywają kluczową rolę w oczyszczalniach ścieków. Procesy biologicznego usuwania azotu są prowadzone przez bakterie utleniające azot amonowy (ammonia-oxidizing bacteria – AOB), azot azotynowy (nitrite-oxidizing bacteria – NOB) i denitryfikatory. AOB najpierw utleniają amoniak do azotynów, następnie NOB – azotyny do azotanów (jest to dwuetapowy proces nitryfikacji). Następnie grupa denitryfikatorów redukuje azotany do gazowego azotu (proces denitryfikacji).
Z kolei biologiczne usuwanie fosforu jest uzupełniane przez bakterie gromadzące polifosforany (polyphosphate-accumulating organisms – PAOs). PAOs pobierają w warunkach beztlenowych lotne kwasy tłuszczowe, które służą im do tworzenia wewnątrzkomórkowych polimerów [4].
Mikroplastik może negatywnie oddziaływać na procesy w oczyszczalni
Gdy cząstki mikroplastików przedostają się do oczyszczalni ścieków, mogą wchodzić w interakcje z bakteriami, które biorą aktywny udział w oczyszczaniu i oddziaływać negatywnie na wydajność samych procesów. W 2019 r. naukowcy przebadali wpływ cząstek popularnych polimerów – polietylenu, poliestru, polichlorku winylu – na aktywność bakterii z grup AOB, NOB i PAOs. Mikroplastik w stężeniach od 50 do 10 000 cząstek/litr nie wpływał znacząco na aktywność bakterii biorących udział w przemianach związków azotu i fosforu [4].
Jednak musimy mieć na uwadze, że autorzy do badań wykorzystywali dziewicze mikroplastiki, które pochodziły bezpośrednio od producenta i nie miały kontaktu z szeregiem zanieczyszczeń, które obecne są w środowisku wodnym i które determinują ostateczną toksyczność cząstek. Ponadto elementy wykorzystywane w badaniach miały rozmiar w zakresie 100 – 2000 μm (mikrometrów), natomiast mikroplastiki wykrywane w oczyszczalniach ścieków są bardziej zróżnicowane pod względem wielkości (w zakresie od 10 do 5000 μm).
Naukowcy w warunkach laboratoryjnych mieli do czynienia z dość równomiernymi formami i kształtami cząstek, podczas gdy w rzeczywistych warunkach mikroplastik w oczyszczalniach to przede wszystkim włókna pochodzące z prania tekstyliów, które mogą łatwo „wymykać się” analizom. Te problemy zostały dostrzeżone w innych badaniach, w których wykazano, że mikroplastiki, a szczególnie nanoplastiki, wpływają na wydajność konwersji azotu nieorganicznego oraz mogą hamować proces denitryfikacji, doprowadzając do kumulacji amoniaku. A więc cząstki tworzyw sztucznych zmieniają procesy, w których pośredniczą mikroorganizmy, w szczególności cykle przemian związków azotu [5].
Ponadto nanoplastiki polietylenowe o dodatnim ładunku powierzchniowym mają duże powinowactwo do osadu czynnego (który ma ładunek ujemny), przez co może dochodzić do uszkodzenia komórek drobnoustrojów, wytwarzania wolnych rodników, a w konsekwencji bioflokulacji osadu [5, 6]. Wiemy, że mikroorganizmy chętnie kolonizują cząstki tworzyw sztucznych, ale okazuje się, że część drobnoustrojów jest wręcz „atakowana” przez najmniejsze drobiny – nanoplastiki. Zdjęcia ze skaningowego mikroskopu elektronowego wykazały, że ingerowały one tak silnie w strukturę Acetobacteroides hydrogenigenes, że doprowadziły do powstania wżerów w ścianach komórkowych mikrobów.
Cząstki obniżały także liczebność rodzin Cloacamononae, Porphyromonadaceae, Anaerolinaceae i Gracilibacteraceae, jednocześnie powodując wzrost Clostridiaceae, Geobacteraceae, Dethiosulfovibrionaceae i Desulfobulbaceae, co pokazuje, że mogą silnie przegrupowywać społeczności osadów czynnych i biofilmów bakteryjnych i wpływać na efektywność całego procesu oczyszczania ścieków [6].
Niektórzy naukowcy donoszą również o negatywnym wpływie cząstek polichlorku winylu (PVC) na proces fermentacji beztlenowej (obniżenie produkcji metanu). Obecność mikroplastików PVC w osadach niekorzystnie wpływa na hydrolizę białek i polisacharydów, co zmniejsza dostępność zakwaszonych substratów, a w konsekwencji powoduje spadek produkcji gazów [3]. Ponieważ tworzywa sztuczne sorbują jony metali, takich jak żelazo, miedź i srebro, to mogą wpływać m.in. na aktywność enzymatyczną lub powodować stres oksydacyjny, prowadzący do produkcji wolnych rodników i uszkodzeń w DNA [5]. Ponadto obecne w tworzywach sztucznych dodatki często mają właściwości przeciwdrobnoustrojowe.
Są to związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej, co zwiększa ich zdolność do migracji i toksycznego oddziaływania na mikroby. Jeśli weźmiemy pod uwagę zdolność bisfenolu A czy polichlorowanych bifenyli do wypłukiwania się z cząstek mikroplastików, to możemy przyjąć, że będą migrować w znacznym stopniu do odcieków i recyrkulatów, wykorzystywanych powszechnie w oczyszczalniach ścieków [5]. Badania naukowe potwierdzają, że obecność mikroplastiku negatywnie wpływa na oczyszczanie ścieków i procesy przeróbki osadów. Mikro- i nanoplastiki hamują aktywność osadu czynnego, wpływają na efektywność produkcji metanu, zmniejszają różnorodność zbiorowisk biologicznych i liczebność kluczowych grup mikroorganizmów.
Obecne metody identyfikacji mikroplastików nadal nie dają nam pełnej odpowiedzi na rodzaj wpływu cząstek tworzyw sztucznych na efektywność technologii oczyszczania ścieków. Stawia to pod znakiem zapytania możliwości realizacji coraz wyższych wymagań środowiskowych, stawianych branży ściekowej przez instytucje europejskie.
dr inż. Edyta Łaskawiec – adiunkt w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Śląskiej, technolożka wody i ścieków, popularyzatorka nauki
W artykule korzystałam m.in. z prac:
[1] Koutnik V. S. i inni, Unaccounted Microplastics in Wastewater Sludge: Where Do They Go?, ACS EST Water 2021, 1, 5, 1086–1097. https://doi.org/10.1021/acsestwater.0c00267
[2] Zhang Z., Chen Y., Effects of microplastics on wastewater and sewage sludge treatment and their removal: A review, Chemical Engineering Journal 2020, 382, 122955. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122955
[3] Atugoda T. i inni, Nanoplastic occurrence, transformation and toxicity: a review, Environmental Chemistry Letters 2023, 21, 363–381. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01479-w
[4] Liu H. i inni, Do Microplastics Affect Biological Wastewater Treatment Performance? Implications from Bacterial Activity Experiments, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2019, 7, 24, 20097–20101. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b05960
[5] Joo S. H. i inni, Microplastics with adsorbed contaminants: Mechanisms and Treatment, Environmental Challenges 2021, 3, 100042. https://doi.org/10.1016/j.envc.2021.100042
[6] Li Q. i inni, Factors Impacting Microplastic Biofilm Community and Biological Risks Posed by Microplastics in Drinking Water Sources, Water, Air, & Soil Pollution 2022, 233, 179. https://doi.org/10.1007/s11270-022-05649-y
