Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Баш П.В. 1

---

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук»

Целями работы являются систематический анализ содержания органических эфиров фосфорной кислоты как загрязняющих веществ в разных регионах мира и средах, установление ключевых закономерностей в их накоплении и распространении. В статье проведены анализ и структурирование результатов современных научных исследований по токсическим эффектам органических фосфатов и опасности их повсеместного определения, дана оценка распространения их в окружающей среде на основании уровней содержания экотоксиканта в природных средах и живых организмах. Проведенная аналитика научных исследований нового загрязнителя необходима для представления существующей угрозы, связанной с ним, и важна для обоснования необходимости российских исследований в данной области. Хотя органические фосфаты считались относительно безвредными, в приведенных результатах исследований выявлены негативные воздействия на живые организмы, потенциальная способность к биоаккумуляции, представляющие угрозу для человека и здоровья экосистемы. Настоящий обзор формулирует проблему, требующую внимания исследователей в современной повестке глобального потребления. Статья подчеркивает необходимость изучения новой группы экотоксикантов в отечественных работах и освещает существующую проблематику их персистентности и повсеместного распределения в природных объектах. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ 122041100086-5).

Статья в формате PDF

255 KB

фосфорорганические эфиры

экотоксикант

антипирены

пластификаторы

источники загрязнения

персистентность

уровни загрязнения

1. Cristale J., Katsoyiannis A., Sweetman A.J., Jones K.C., Lacorte S. Occurrence and risk assessment of organophosphorus and brominated flame retardants in the River Aire (UK) // Environmental Pollution. 2013. Vol. 179. P. 194-200. DOI: 10.1016/j.envpol.2013.04.001.

2. Полякова О.В., Лебедев А.Т. Антропогенные органические соединения в атмосфере Москвы // Лаборатория и производство. 2019. № 5. С. 104-113.

DOI: 10.32757/2619-0923.2019.5.9.104.112.

3. Bekele T.G., Zhao H., Wang Q., Chen J. Bioaccumulation and trophic transfer of emerging organophosphate flame retardants in the marine food webs of Laizhou Bay, North China // Environmental Science & Technology. 2019. Vol. 53. № 22. P. 13417-13426. DOI: 10.1021/acs.est.9b03687.

4. Ding J., Xu Z., Huang W., Feng L., Yang F. Organophosphate ester flame retardants and plasticizers in human placenta in Eastern China // Science of the Total Environment. 2016. Vol. 554. P. 211-217. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.02.171.

5. Kim J.W., Isobe T., Muto M., Tue N.M., Katsura K. Organophosphorus flame retardants (PFRs) in human breast milk from several Asian countries // Chemosphere. 2014. Vol. 116. P. 91-97. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2014.02.033.

6. Du J., Li H., Xu S., Zhou Q., Jin M., Tang J. A review of organophosphorus flame retardants (OPFRs): occurrence, bioaccumulation, toxicity, and organism exposure //Environmental Science and Pollution Research. 2019. Vol. 26. P. 22126-22136. DOI: 10.1007/s11356-019-05669-y.

7. Dou M., Wang L. A review on organophosphate esters: physiochemical properties, applications, and toxicities as well as occurrence and human exposure in dust environment // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 325. P. 116601. DOI: 10.1016/j.jenvman.2022.116601.

8. Ma Y., Xie Z., Lohmann R., Mi W., Gao G. Organophosphate Ester Flame Retardants and Plasticizers in ocean sediments from the North Pacific to the Arctic Ocean // Environmental Science & Technology. 2017. Vol. 51. № 7. P. 3809-3815. DOI: 10.1021/acs.est.7b00755.

9. Sagerup K., Leonards P., Routti H., Fuglei E., Aars J., Strøm H., Gabrielsen G.W. Organophosphorous flame retardants in Arctic biota. 2011. The Norwegian Polar Institute study. [Электронный ресурс]. URL: https://brage.npolar.no/npolar-xmlui/bitstream/handle/11250/173195/OrganophosphorousFlameRetardants2011.pdf?sequence=1 (дата обращения: 11.10.2024).

10. Wan W., Zhang S., Huang H., Wu T. Occurrence and distribution of organophosphorus esters in soils and wheat plants in a plastic waste treatment area in China // Environmental Pollution. 2016. Vol. 214. P. 349-353.

DOI: 10.1016/j.envpol.2016.04.038.

11. Cao X., Wang B., Liu X., Cheng J., Wang S. Study of the Spatiotemporal Variations, Source Determination, and Potential Ecological Risk of Organophosphate Esters in Typical Coastal Tourist Resorts in China // Water. 2023. Vol. 15. № 22. P. 3976. DOI: 10.3390/w15223976.

12. Da S., Wang J. Occurrence, Bioaccumulation, and Risk Assessment of Organophosphate Esters in Rivers Receiving Different Effluents // Toxics. 2024. Vol. 12. №. 8. P. 612. DOI: 10.3390/toxics12080612.

13. Hu Z., Yin L., Wen X., Jiang C., Long Y., Zhang J., Liu R. Organophosphate esters in China: fate, occurrence, and human exposure // Toxics. 2021. Vol. 9. № 11. P. 310. DOI: 10.3390/toxics9110310.

14. Li W., Yuan Y., Wang S., Liu X. Occurrence, spatiotemporal variation, and ecological risks of organophosphate esters in the water and sediment of the middle and lower streams of the Yellow River and its important tributaries // Journal of Hazardous Materials. 2023. Vol. 443. P. 130153. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.130153.

15. Luo W., Yao S., Huang J., Wu H., Zhou H., Du M., Sun J. Distribution and Risk Assessment of Organophosphate Esters in Agricultural Soils and Plants in the Coastal Areas of South China // Toxics. 2024. Vol. 12. №. 4. P. 286. DOI: 10.3390/toxics12040286.

16. Schreder E.D., La Guardia M.J. Flame retardant transfers from US households (dust and laundry wastewater) to the aquatic environment // Environmental science & technology. 2014. Vol. 48. № 19. P. 11575-11583. DOI: 10.1021/es502227h.

17. Lai N.L.S., Kwok K.Y., Wang X.H., Yamashita N., Liu G., Leung K.M., Lam J. C. Assessment of organophosphorus flame retardants and plasticizers in aquatic environments of China (Pearl River Delta, South China Sea, Yellow River Estuary) and Japan (Tokyo Bay) // Journal of hazardous materials. 2019. Vol. 371. P. 288-294. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.03.029.

18. Fu J., Fu K., Gao K., Li H., Xue Q., Chen Y., Jiang G. Occurrence and trophic magnification of organophosphate esters in an Antarctic ecosystem: insights into the shift from legacy to emerging pollutants // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 396. P. 122742. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122742.

19. Wang Y., Zhao Y., Han X., Wang J., Zhuang Y., Li W. A review of organophosphate esters in aquatic environments: levels, distribution, and human exposure // Water. 2023. Vol. 15. №. 9. P. 1790. DOI: 10.3390/w15091790.

20. Paun I., Pirvu F., Iancu V.I., Niculescu M., Pascu L.F., Chiriac F.L. An Initial Survey on Occurrence, Fate, and Environmental Risk Assessment of Organophosphate Flame Retardants in Romanian Waterways // Journal of xenobiotics. 2023. Vol. 14. № 1. P. 31-50. DOI: 10.3390/jox14010003.

Введение

Органические эфиры ортофосфорной кислоты, называемые также органическими фосфатами или фосфорорганическими эфирами (ФОЭ), представляют собой обширный класс химических соединений, используемых в промышленности преимущественно в качестве антипиренов и пластификаторов. Благодаря своей универсальности, физико-химическим свойствам и относительно низкой стоимости они нашли применение в производстве разных видов пластмасс, строительных материалов и покрытий, текстиля, электроники. Массовое использование в производстве органических фосфатов привело к их значительному высвобождению в окружающую среду (ОС), где в последнее время они всерьез рассматриваются как органический загрязнитель. Это вызывает озабоченность в связи с их токсичностью для человека и биоты. Этот загрязнитель обнаруживается повсеместно – в водных объектах, воздухе, атмосферных осадках, пищевых цепях [1, 2, 3]. Более того, в некоторых исследованиях ФОЭ определены в плаценте и грудном молоке человека [4, 5].

По состоянию на сегодняшний день работы по оценке содержания соединений во всех средах, изучению механизмов их распределения, аккумуляции и влияния на живые организмы (ЖО) и окружающую среду в большинстве ведутся учеными Китая, Америки, стран Европы. При этом экологический аспект присутствия органических фосфатов и их влияния на здоровье экосистем в Российской Федерации практически не был освещен, что делает проблему «невидимой» в локальном научном сообществе.

Инициирование отечественных работ, изучающих неотъемлемую составляющую потребительских товаров, также критически важно в свете современной повестки. Китай является одним из важнейших экономических партнеров России, и его серьезная озабоченность ФОЭ, подкрепленная рядом научных трудов, обусловливает необходимость проведения такого рода исследований на территории России.

Целями работы являются проведение всестороннего анализа присутствия органических эфиров фосфорной кислоты в качестве группы загрязняющих окружающую среду веществ в различных объектах и регионах мира, выявление основных закономерностей в распространении экотоксиканта. Настоящий обзор призван обозначить проблему и послужить основой для формирования базы знаний, инициирующей прикладные исследования в России в будущем.

Материалы и методы исследования

В статье проведен систематический анализ 20 зарубежных научных исследований, опубликованных в международных наукометрических базах данных за последние 14 лет, изучающих экологические аспекты использования ФОЭ, их распространение и потенциальное воздействие на живые организмы.

Результаты исследования и их обсуждение

Органические фосфаты приобрели широкое распространение в разных отраслях промышленности благодаря своим эффективным огнезащитным характеристикам, низкой стоимости и обширному спектру применения. Эти соединения совместимы с другими химическими веществами, использующимися в процессе производства и обработки, а также являются относительно простыми в применении [6].

ФОЭ используются при производстве пластмасс для потребительских и промышленных товаров, включая электронное оборудование, детские игрушки, мебель, предметы для дома. Кроме того, они применяются для улучшения характеристик лакокрасочных материалов, текстильных покрытий, строительных материалов и гидравлических жидкостей [6, 7]. В таблице 1 представлен перечень важнейших соединений группы, наиболее часто рассматриваемых в исследованиях. Однако следует учитывать, что существуют еще более 10 прочих соединений, упоминаемых в научной литературе значительно реже и освещенных недостаточно подробно. Соединения ФОЭ структурированы в таблице 1 в соответствии с основными группами на основе их химической структуры.

Соединения группы ФОЭ используются главным образом для двух целей: в качестве антипиренов (применяются галогенированные соединения) и как пластификаторы (используются негалогенированные соединения). Алкил-замещенные фосфаты (TBP, TiBP, TPhP и TBEP) в основном применяются как пластификаторы, смазочные материалы, а также в качестве антипиренов [6]. Органические фосфаты являются новым типом антипиренов, пришедшим на замену бромсодержащим антипиренам, использование которых было ограничено Стокгольмской конвенцией [7]. Используемые ранее полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ) постепенно были запрещены из-за их доказанной стойкости, дальнего атмосферного переноса, биоаккумуляции и токсичности [8].

ФОЭ, как казалось, были хорошей альтернативой ПБДЭ благодаря химическим свойствам, разнообразию и низкой цене производства. Однако новые соединения отнюдь не являются экологически безопасными.

Таблица 1

Перечень основных фосфорорганических эфиров, использующихся в качестве антипиренов и пластификаторов

Источник: составлено автором.

Несмотря на свои преимущества для промышленного использования, в последнее время ФОЭ вызывают серьезное беспокойство ученых разных стран мира, так как они проявляют признаки персистентности в природной среде, аккумулируются в биоте и могут иметь долгосрочные негативные последствия для здоровья человека. Более того, судя по результатам некоторых исследований, исходя из текущих концентраций органических фосфатов в донных отложениях (ДО) Арктики, ФОЭ переносятся на отдаленные расстояния даже активнее, чем полибромированные дифениловые эфиры [8].

Многие из ФОЭ являются добавками в производстве материалов и не связаны химически с конечными продуктами, что приводит к их высвобождению в окружающую среду. Согласно исследованию, широкое использование ФОЭ способствует диффузному распространению в природной среде, а некоторые из соединений могут быть стабильными в ОС [9]. При попадании в ОС непрерывно происходят распределение ФОЭ, их миграция и трансформация. Выделение соединений может происходить в процессе различных производственных процессов, при сбросе сточных вод, а также при утилизации отходов. Помимо этого, их источником может быть пластиковый мусор, попадающий в водные объекты, в таком случае также происходит медленное высвобождение органических фосфатов.

После выделения ФОЭ переносятся с атмосферными осадками и поверхностным стоком, течениями. В одном из исследований подтверждено, что выделение ФОЭ приводит к загрязнению почв соединениями группы не только в местах обработки отходов или на территории самих производств, но и на близлежащих природных объектах. Установлено, что пшеница фермерских хозяйств вблизи перерабатывающих заводов поглощала ФОЭ из почвы и накапливала эти соединения [10]. Повсеместное присутствие органических фосфатов в различных экосистемах и их высокая мобильность в окружающей среде усиливают важность их исследования, так как данные соединения широко распространены как в наружной, так и во внутренней среде (жилища и рабочие пространства). В таблице 2 показаны уровни присутствия ФОЭ в разных объектах и регионах мира.

Таблица 2

Уровни присутствия соединений органических эфиров фосфорной кислоты на примере разных тест-объектов

Источник: составлено автором.

В результате анализа 20 современных зарубежных исследований, представляющих последние данные, полученные в области органических фосфатов, сделан вывод, что наиболее высокие концентрации ФОЭ (по сравнению с остальными анализируемыми в соответствующих исследованиях природными объектами) были обнаружены на объектах, расположенных вблизи аэропортов, индустриальных и сельскохозяйственных районов [12, 15], что свидетельствует о значительном вкладе антропогенного компонента в количество выделяемого ФОЭ. Это ощутимо выражается в более высоких уровнях ФОЭ в пробах из мест их активного использования. Например, наибольшие концентрации обнаружены в пыли из пунктов переработки электронных отходов, что подтверждает влияние локальных источников загрязнения – переработка пластмасс, электроники и текстиля [13]. Также отмечено изменение уровней содержания ФОЭ в воде в зависимости от сезона – в сухой сезон обнаруживалась концентрация соединений выше, чем во влажный период [14].

Различия в распределении ФОЭ обусловлены их физико-химическими свойствами. Например, в водной среде Cl-ФОЭ обладают большей гидрофильностью по сравнению с другими группами. Трис(2-хлорэтил)фосфат (TCEP), трихлорпропилфосфат (TEP), и трис(1,3-дихлоропропил)фосфат (TDCPP) с трудом трансформируются или разлагаются в водных экосистемах, что приводит к их более высокой концентрации в воде, чем в донных отложениях (ДО). ФОЭ с низкой растворимостью в воде адсорбируются на частицах ДО, аккумулируются и могут в дальнейшем даже служить вторичными источниками загрязнения [17].

Отдельно следует обратить внимание на результаты исследования донных отложений Северного Ледовитого океана. В работе говорится, что концентрации ФОЭ значительно выше, чем сумма ПБДЭ, определенная в этих же пробах. Это указывает на то, что органические фосфаты еще сильнее подвержены переносу на большие расстояния из регионов-источников [8, 18]. Четко определены признаки биоаккумуляции ФОЭ: живые организмы, будь то рыбы, моллюски или растения, накапливают ФОЭ в более высоких концентрациях по сравнению с окружающей средой [3, 12, 15]. Отмечается, что бентос и рыбы, обитающие на глубине, накапливают больше ФОЭ, чем пеларгические организмы и беспозвоночные, обитающие в толще. Зафиксировано линейное и значительное увеличение коэффициентов биоаккумуляции с ростом липофильности, подтверждаются накапливание и концентрация ФОЭ в пищевых цепях морских организмов [3, 19].

Обнаружение ФОЭ даже в организме человека подтверждает актуальность угрозы здоровью и обосновывает необходимость дальнейшего мониторинга соединений [4, 5]. Соединения группы ФОЭ показали нейротоксические эффекты, эмбриотоксичность, канцерогенность и влияние на фертильность, способность вызывать аллергии, причем TCEP был однозначно признан канцерогенным. Это свидетельствует о существующей угрозе организму человека, стоящему на вершине пищевой цепи. Освещенная в статье проблема является полем для широкого спектра исследований [20, 10].

Заключение

Широкое распространение органических фосфатов на мировых рынках ввиду их активного использования при производстве пластмасс вызывает озабоченность ученых по всему миру, так как объем пластиковых отходов, образующихся в результате все набирающего темпы производства и потребления, неуклонно растет. Это ставит важную проблему сопутствующих пластику соединений, выделяемых в окружающую среду на всех стадиях жизненного цикла продукта: при производстве, использовании и утилизации. Также фосфорорганические эфиры могут попадать в почву, воду и атмосферу, где они способны оказывать токсическое воздействие на экосистемы и накапливаться в цепях питания, что несет возможность потенциального риска для здоровья человека.

В настоящем обзоре предпринята попытка сформулировать проблему появления нового персистентного экотоксиканта и продемонстрировать уровни его присутствия в окружающей среде. Согласно проведенному анализу современных зарубежных исследований, органические фосфаты представляют собой группу устойчивых загрязнителей, действительно проявляющих признаки персистентности и высокой способности к биоаккумуляции. Наличие этих свойств свидетельствует о возможных серьезных экологических последствиях, связанных с использованием этих соединений на производстве, что опровергает предположение о том, что ФОЭ являются более безопасной заменой ПБДЭ. Помимо этого, освещенная в статье проблема поднимает вопрос поиска более безопасных и экологически устойчивых альтернативных химических соединений для использования их как антипиренов и пластификаторов вместо фосфорорганических эфиров, токсичность которых доказана.

Практическая значимость настоящей статьи определяется тем, что она обращает внимание научного сообщества и заинтересованных сторон на недостаточно изученную, актуальную проблему присутствия фосфорорганических эфиров в объектах окружающей среды, что может быть внедрено как основа формирования эффективных природоохранных стратегий, направленных на снижение негативного воздействия органических фосфатов на окружающую среду и живые организмы. Проведенный анализ обосновывает значимость проблемы распространения фосфорорганических эфиров как серьезной угрозы для здоровья экосистемы. Представленные в работе данные могут быть востребованы научным сообществом, поскольку они указывают на перспективные направления для отечественных исследований персистентного экотоксиканта. Последующие работы могут быть направлены, к примеру, на оценку содержания фосфорорганических эфиров в природных средах России, на более глубокое понимание механизмов распространения и воздействия этой группы опасных загрязняющих веществ. Включение российских исследователей в актуальную проблематику позволит заполнить существующий пробел в научных данных и интегрировать отечественные исследования в международные инициативы по изучению малоизученных опасных органических загрязнителей.

Библиографическая ссылка