"Само ние, хората, правим отпадъци, които природата не може да смели". Това са думите на океанограф капитан Чарлз Мур, който е открил Голямото тихоокеанско сметище през 1997 г. И, разбира се, той говори за пластмаса.

Повечето хора, които четат това, вероятно ще имат нещо от пластмаса в полезрението си. Този материал е повсеместен. Сега произвеждаме над 300 милиона тона пластмаса годишно и приблизително половината от тях е предназначена за еднократна употреба, което означава, че се изхвърля веднага след като е изпълнила целта си. Това доведе до нарастващ проблем с отпадъците от пластмаса, които отиват на сметищата, а някои от тези отпадъци навлизат в реките и в крайна сметка в морето. Всъщност около 8 милиона тона пластмасово замърсяване навлиза в океана всяка година, където заплита морския живот, замърсява кораловите рифове и в крайна сметка, подложено на деградация от вода, вятър и слънце, се разделя на трилиони малки частици микропластмаса.

Тези частици от пластмаса приличат много на храната на много морски видове, които попадат в замърсяването и в крайна сметка гладуват поради липсата на истинската си храна. Повърхността на микропластмасите също привлича замърсители в океана и в крайна сметка ги транспортира в телата на животните, с ефекти, които все още се опитваме да разберем.

Има вероятност микропластмасите да навредят и на хората, защото ги консумираме чрез морските дарове и дори с питейната вода. През 2019 г. Световната здравна организация призова за повече изследвания на потенциалните въздействия на замърсяването с микропластмаса върху нашето здраве.

В основата на всичко това стои фактът, че в зависимост от съставките, използвани за направата ѝ, пластмасата може да бъде изключително устойчива и може никога да не се разгради истински (което за целите на тази статия означава да бъде ефективно редуцирано до основни съединения в природата от микроорганизмите във водата и почвата). Като добавим към това обема на замърсяването с пластмаса в нашата околна среда и имаме ясен проблем. Повечето пластмаси за еднократна употреба, навлизащи в океана, например, ще останат там векове.

Как създадохме тази криза на устойчива пластмаса? Отговорът се крие в процеса, който използваме за направата на самата пластмаса. Но първо е важно да разберем, че "пластмасата" не е само пазарските чанти, които си представяме да се носят в океана.

Какво е пластмасата?

"Терминът пластмаса често обхваща широк спектър от разнородни материали, всеки с различни приложения, които изискват много различни физични свойства", казва Карл Редшоу, химик от университета в Хъл в Обединеното кралство и участник в университетската колективна лаборатория за пластмаси. проект, който провежда изследвания за подобряване на устойчивостта на пластмасовата индустрия. "Всъщност са известни повече от 300 вида пластмаси", каза Редшоу пред Live Science.

И така, ако пластмасите са толкова различни, какво е общото между тях? Те са направени от полимери, които представляват молекули, съдържащи много повтарящи се единици, във формации, които придават на пластмасите много от желаните качества - като гъвкавост, ковкост и здравина. Освен това пластмасите обикновено попадат в една от двете широки категории - пластмаси на биологична основа, при които полимерите се получават от източници като царевично нишесте, растителни мазнини и бактерии, и така наречените "синтетични" пластмаси, при които полимерите се синтезират от суров нефт и природен газ.

Въпреки наименованието, благоприятно за Земята, полимерите на биологична основа не са автоматично добри за в околната среда, тъй като те също могат да продължат да съществуват в там и да не се разграждат биологично. "Не всички пластмаси на биологична основа са биоразградими полимери и не всички биоразградими пластмаси са на биологична основа", обясни Редшоу. Независимо от това, материалите, получени от нефт и природен газ, причиняват най-голяма вреда на околната среда, тъй като пластмасите от тази категория са склонни да се задържат в околната среда по-дълго, като същевременно причиняват и други въздействия.

За да разберем защо, ще разгледаме пример за пластмаса, получена от петрол, например бутилката с мляко във вашия хладилник. Тази картонена опаковка започва своя живот далеч по-драматично - някъде дълбоко в недрата на Земята като суров нефт. Това вещество, натрупано в камери с високо налягане в земната кора, се сондира и изпомпва на повърхността и се пренася по тръбопроводи до петролните рафинерии. Неговата плътна утайка се състои от въглеводороди, съединения, направени от комбинации от въглеродни и водородни атоми, които образуват вериги с различна дължина, придавайки им различни свойства. Тези въглеводороди са най-ранните суровини за пластмаса, подготвени от Земята.

В рафинерията започва истинското производството на пластмаса. Тук суровият нефт се нагрява над пещ, която разделя въглеводородите на различни групи въз основа на броя на съдържащите се в тях атоми и произтичащото от тях молекулно тегло и след това ги подава в близката дестилационна тръба. По-дългите, обикновено по-тежки въглеводороди потъват на дъното, докато по-късите, по-леките се издигат нагоре. Резултатът е, че суровият нефт се разделя на няколко отделни групи химикали за употреба - като петрол, бензин и парафин, всеки от които съдържа въглеводороди с подобно тегло и дължина. Една от тези групи е нафтата, химикал, който е основната суровина за производство на пластмаса.

Нафтата е като златна руда за производството на пластмаса, защото два от многото въглеводороди, които съдържа, са етан и пропен. Тези две съединения са от решаващо значение за получаването на най-често произвежданите и повсеместни пластмасови продукти на Земята, включително вида, използван за тази картонена кутия. Но за да се превърнат в нещо, което всъщност може да се използва за получване на пластмаса, етанът и пропенът трябва да бъдат разделени на по-малки единици.

Има различни начини да се направи това. Един от методите е да се прилага висока топлина и високо налягане в среда с нулев кислород. Този процес, наречен "парен крекинг", разгражда въглеводородите на по-къси молекули, наречени мономери.

"Мономерите като етилен от етан или пропилен от пропен могат да бъдат получени направо от нафтата след термичен крекинг" (с пара), каза Паял Бахети, докторант изследовател от университета в Астън, фокусиран върху устойчивите полимерни материали. Етиленът и пропиленът са ценните съставки, необходими за изграждането на гръбнака на пластмасата.

Тази следваща стъпка се развива чрез процес, наречен полимеризация, при който тези отделни мономерни съставки се комбинират химически в нови съединения, за да се получат дългите повтарящи се вериги, известни като полимери. В този случай етиленът и пропиленът образуват полиетилен и полипропилен - двата най-често срещани и масово произвеждани полимери на Земята.

И така, защо тези два полимера са толкова популярни? Полиетиленът се използва за направата на пластмаси с различна плътност, може да бъде крехък и податлив, или твърд и здрав, като по този начин приложенията му са изключително разнообразни. Междувременно конфигурацията на полипропилена го прави особено гъвкав и еластичен.

И все пак това са само две разновидности на синтетични пластмаси от много десетки други. Други видове въглеводороди се изолират и разграждат от различни източници, не само от суров нефт, но и от природен газ, и също се използват за производство на пластмаса. В някои случаи полимерите могат да бъдат направени от един мономер чрез повторение, както виждаме при полиетилен и полипропилен, или могат да включват комбинации от няколко вида мономери.

Нещо повече, всяка от тези полимерни вериги след това ще бъде обработена по различни начини и смесена с различни добавки - антиоксиданти, пенообразуватели, пластификатори, забавители на горенето, благодарение на които могат да изпълняват разнообразните нишови функции, които правят пластмасите толкова гъвкави.

"Различните пластмаси трябва да имат различни свойства", каза Бахети пред Live Science. "Вземете за пример опаковката на храните, която трябва да възпрепятства преминаването на излишния кислород или слънчева светлина, за да се избегне разграждането, така че тя съдържа добавки, за да стане така. Може да се каже, че добавките придават на полимера свойствата му и водят до формирането на пластмасата."

Така се създава огромното разнообразие от пластмасови продукти, които имаме днес и огромният им дял в производството и съхранението на храни, козметиката, технологиите, медицината и здравеопазването.

"Извънземни материали"

Сега, нека да преминем отново през целия този производствен процес още веднъж.

Пластмасата, която се синтезира от нефт и природен газ, се получава чрез изолиране на въглеводороди, разграждането им на съставни части и след това свързването им в изцяло нови образувания, невиждани досега в природата. Просто казано, това създава "извънземен" материал, непознат на микробите във водите и почвата на Земята, обяснява Бахети.

"Въглеродният скелет в синтезираната пластмаса не се разпознава от почвените бактерии, което означава, че те не могат да го усвоят и преобразуват във вода и въглероден диоксид."

"Подобните на полиетилена може да отнеме векове, за да се разградят в депата за отпадъци", каза Редшоу. "Това означава, че голяма част от произведеното през нашия живот все още остава в почти оригиналния си вид. И устойчивостта не е единственият проблем: тъй като постепенно се разпада под въздействието на слънце, вода и вятър, нефт и природен газ, получената пластмаса освобождава емисии от парникови газове, съдържащи се в нея, както и отделя химикалите, добавени по време на производството, обратно в околната среда. Самият обем на замърсяване с пластмаса за еднократна употреба, особено - в комбинация с неговата устойчивост и продължаващо въздействие върху околната среда, което може да продължи векове - създаде екологичната катастрофа, която наблюдаваме днес."

Но може да има изход от тази растяща купчина боклук. Редшоу вярва, че биоразградимите пластмаси, които са в центъра на неговите изследвания, могат да бъдат едно потенциално решение. За да се преосмисли, направата на биоразградима пластмаса не означава непременно да се произвежда от био базирани източници като царевично нишесте (въпреки че това може да осигури решение). По-конкретно, това предполага изработване на пластмаса от полимери, която може да бъде разградена разумно ефективно от микробите във вода и почва.

За да има това реално планетарно въздействие, биоразградимите полимери ще трябва да заменят подобните на полиетилена и полипропилена на нефтена основа, но като същевременно поддържат свойства като здравина и гъвкавост, които правят тези конвенционални полимери толкова желани. Това е висока цел, по-сложна поради факта, че конвенционалните полимери остават конкурентно по-евтини за производство.

Но няколко биоразградими варианта имат напредък. Единият е тип, наречен полилактид, който се използва за направата на предмети за еднократна употреба като чаши, прибори за хранене и сламки, които биха могли да се разграждат по-ефективно, след като попаднат в околната среда. Този вид изобретения вероятно ще се увеличат с нарастването на глобалния натиск да се направи пластмасата по-устойчива (в екологичния смисъл на думата), смята Редшоу.

Има намеци за оптимизъм и другаде. През 2016 г. изследователите откриха бактерии, които ядат пластмаса, а други идентифицираха гъсеници, които ядат полиетилен. Учените също така са открили ензими, които могат да бъдат проектирани да разграждат пластмасовите отпадъци.

"Може би през следващите години ще се учим от бактериите и червеите, които притежават способността да разграждат и смилат пластмаси, дори неща като полиетиленови торбички, и да проектираме големи, изкуствени червеи, които могат да се хранят с нашите пластмасови отпадъци - като гигантските личинки в "Доктор Ху" през 70-те! 

Във всеки случай, в процеса на създаване на пластмаса, хората са успели да вземат суровини от природата и да ги трансформират толкова старателно, че природата вече не ги разпознава. Нашата изобретателност е това, което ни вкара в тази бъркотия. Сега, надявам се, може да ни измъкне", казва ученият.