Mikroplastiki i nanoplastiki w powietrzu miejskim pochodzą głównie ze ścierania opon

Cząstki tworzyw sztucznych obecne w powietrzu atmosferycznym coraz częściej stają się przedmiotem zainteresowania naukowców, jednak wiedza na temat ich rozmieszczenia oraz potencjalnego wpływu na zdrowie człowieka pozostaje ograniczona. Nowe analizy chemiczne przeprowadzone w Lipsku dostarczają pierwszych szczegółowych danych z Niemiec. Wynika z nich, że około 4% masy pyłu zawieszonego w powietrzu stanowią cząstki tworzyw sztucznych, z czego blisko dwie trzecie pochodzi ze ścierania opon samochodowych.

Na podstawie uzyskanych wyników oszacowano, że mieszkańcy miasta takiego jak Lipsk mogą wdychać około 2,1 mikrograma cząstek plastiku dziennie. Zgodnie z modelami epidemiologicznymi może to zwiększać ryzyko zgonu z powodu chorób sercowo-naczyniowych o około 9% oraz z powodu raka płuca o około 13%. Autorzy publikacji podkreślają, że wyniki te wskazują na pilną potrzebę globalnych działań ograniczających zanieczyszczenie plastikiem oraz na konieczność uwzględnienia mikroplastików w regionalnych ocenach jakości powietrza i zagrożeń zdrowotnych. Badanie przeprowadzili naukowcy z Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) oraz Carl von Ossietzky University Oldenburg, a jego wyniki opublikowano w czasopiśmie Communications Earth & Environment należącym do Nature Publishing Group. Analizy realizowano w ramach projektu badawczego „AirPlast” finansowanego przez Leibniz Association.

Mikroplastiki i nanoplastiki jako nowa kategoria zanieczyszczeń powietrza

W ostatnich latach cząstki plastiku w powietrzu stały się ważnym obiektem badań, ponieważ wykryto je nawet w odległych, niezamieszkanych regionach świata, takich jak obszary polarne czy wysokie pasma górskie. Oznacza to, że mogą one być transportowane na duże odległości i potencjalnie wpływać zarówno na procesy ekologiczne, jak i zdrowie ludzi.

Źródeł takich zanieczyszczeń jest wiele. Do najważniejszych należą ścieranie opon i klocków hamulcowych, włókna tekstylne, pył uliczny oraz cząstki pochodzące z powierzchni infrastruktury miejskiej. Dodatkowo duże ilości plastiku trafiają do oceanów wraz z wodami rzecznymi, skąd mogą powracać do atmosfery w postaci mikro- i nanoplastików unoszonych przez aerozol morski.

Nanoplastiki definiuje się jako cząstki tworzyw sztucznych o średnicy mniejszej niż 1 mikrometr, natomiast mikroplastiki obejmują cząstki o wielkości od 1 mikrometra do 1 milimetra. Pomimo rosnącej obecności tych zanieczyszczeń w środowisku nadal dysponujemy bardzo ograniczoną wiedzą na temat ryzyka zdrowotnego związanego z ich inhalacją.

Potencjalne mechanizmy oddziaływania na organizm

Dotychczasowe badania wskazują, że wdychane nanoplastiki mogą docierać do płuc, gdzie wywołują stres oksydacyjny oraz reakcje zapalne, które mogą sprzyjać rozwojowi chorób układu oddechowego. Dodatkowym problemem jest fakt, że na powierzchni cząstek plastiku mogą adsorbować się inne substancje toksyczne, w tym metale ciężkie czy wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH). Zjawisko to może zwiększać ich potencjalną toksyczność.

Brak wystarczających danych dotyczących zagrożeń zdrowotnych sprawia, że obecnie ani World Health Organisation (WHO), ani instytucje Unii Europejskiej nie określiły rekomendowanych wartości granicznych dla stężenia mikroplastików w powietrzu. Choć zanieczyszczenie plastikiem w oceanach jest przedmiotem negocjacji międzynarodowego porozumienia ONZ dotyczącego tworzyw sztucznych, kwestia drobnych cząstek plastiku w powietrzu pozostaje w dużej mierze poza głównym nurtem dyskusji politycznej.

Trudności metodologiczne w badaniach nad plastikiem w powietrzu

Badania nad plastikiem atmosferycznym zaczęły rozwijać się intensywnie dopiero w ostatniej dekadzie. Jednym z powodów jest duża różnorodność materiałów określanych wspólnym mianem „plastiku”. Tworzywa sztuczne obejmują szeroką grupę polimerów o odmiennych właściwościach chemicznych i fizycznych, co znacząco utrudnia ich analizę.

Naukowcy wykorzystują zatem kilka komplementarnych metod analitycznych. Techniki spektroskopowe umożliwiają określenie struktury cząstek oraz charakterystyki ich powierzchni, natomiast metody oparte na pomiarach masowych pozwalają oszacować całkowitą ilość materiału. Szczególnym wyzwaniem pozostaje jednak identyfikacja bardzo małych cząstek, zwłaszcza nanoplastików, w złożonych próbkach środowiskowych. Konwencjonalne metody optyczne mają ograniczoną zdolność wykrywania cząstek w skali nanometrycznej, a określenie dokładnego typu polimeru w takich przypadkach jest wyjątkowo trudne.

Zastosowanie pirolizy sprzężonej z chromatografią gazową i spektrometrią mas

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, w badaniach wykorzystano technikę pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC-MS). W tej metodzie próbki są najpierw poddawane gwałtownemu ogrzewaniu (pirolizie), co powoduje rozpad polimerów na charakterystyczne fragmenty chemiczne. Następnie produkty rozkładu są rozdzielane metodą chromatografii gazowej i identyfikowane przy użyciu spektrometrii mas.

Ponieważ obecnie nie istnieją standardowe procedury analizy wszystkich typów polimerów, zespół badawczy musiał opracować własne metody identyfikacji. W tym celu wybrano 11 powszechnie występujących rodzajów tworzyw sztucznych, w tym cząstki pochodzące ze ścierania opon (Tire Wear Particles – TWP). Analizie poddano między innymi polietylen (PE), polipropylen (PP), polichlorek winylu (PVC), politereftalan etylenu (PET), polistyren (PS), polimetakrylan metylu (PMMA), poliwęglan (PC), poliamid-6 (PA6) oraz poliuretan MDI-PUR. Na podstawie komercyjnych polimerów referencyjnych określono ich analityczne „odciski palca”, które następnie porównywano z próbkami powietrza pobranymi w Lipsku.

Pobór próbek pyłu zawieszonego

Próbki pyłu zawieszonego PM10 (cząstki o średnicy poniżej 10 µm) oraz PM2.5 (poniżej 2,5 µm) pobierano przy użyciu dwóch wysokowydajnych samplerów stosowanych standardowo w europejskich stacjach monitorowania jakości powietrza. Urządzenia zasysały około 500 litrów powietrza na minutę przez system filtrów, które wymieniano co 24 godziny.

Po zakończeniu poboru próbki analizowano w laboratorium z wykorzystaniem pirolizy, chromatografii gazowej oraz spektrometrii mas. Pomiary prowadzono przez dwa tygodnie – od 1 do 14 września 2022 roku – w Science Park przy Torgauer Straße w Lipsku, czyli w miejscu o dużym natężeniu ruchu drogowego.

Jak wyjaśnia Ankush Kaushik, doktorant w TROPOS odpowiedzialny za pobór i analizę próbek, taka lokalizacja pozwoliła uzyskać szczegółowy obraz składu mikro- i nanoplastików w obszarach o intensywnym ruchu drogowym. Umożliwiło to rejestrację maksymalnych poziomów narażenia w środowisku miejskim oraz stworzenie wysokiej jakości danych bazowych do oceny ryzyka zdrowotnego. Według autorów jest to pierwsze w Niemczech badanie, w którym przeprowadzono ilościową analizę mikro- i nanoplastików w powietrzu z rozdzieleniem według typów polimerów i wielkości cząstek.

Dominująca rola ścierania opon

Badanie dostarcza pierwszego szczegółowego obrazu zanieczyszczenia powietrza mikroplastikami w mieście takim jak Lipsk. Analizy wykazały, że około 65% wszystkich cząstek plastiku w powietrzu stanowią cząstki powstałe w wyniku ścierania opon. Kolejne miejsca zajmowały polichlorek winylu, polietylen oraz politereftalan etylenu.

Stwierdzono także silną korelację między tymi polimerami a markerami aerozoli zawierających węgiel, co sugeruje wspólne źródła emisji i mieszanie się tych cząstek w atmosferze.

Szacunkowa ekspozycja mieszkańców miast

Pył zawieszony od dziesięcioleci uznawany jest za istotny czynnik ryzyka zdrowotnego. Według WHO stężenie masowe cząstek w powietrzu stanowi kluczowy parametr oceny jakości powietrza oraz podstawę tworzenia regulacji prawnych.

Aby oszacować skalę narażenia mieszkańców Lipska na mikroplastiki, badacze najpierw określili ich masę w powietrzu, a następnie – na podstawie objętości płuc – obliczyli ilość cząstek wdychanych przez dorosłego człowieka. Z obliczeń wynika, że osoby przebywające przez całą dobę w rejonie Torgauer Straße mogą wdychać około 2,1 mikrograma cząstek plastiku dziennie, co odpowiada około 0,7 miligrama rocznie.

Podobne szacunki prowadzono wcześniej w megamiastach Chin i Indii, jednak wyniki różnią się znacznie między poszczególnymi badaniami. Podkreśla to znaczenie kompleksowego monitorowania wszystkich typów plastiku oraz konieczność wprowadzenia ujednoliconych metod pomiarowych.

Potencjalne konsekwencje zdrowotne

Najmniejsze cząstki, szczególnie nanoplastiki, mogą przenikać głęboko do dróg oddechowych, co zwiększa prawdopodobieństwo długotrwałych skutków zdrowotnych. W celu oceny możliwego wpływu na zdrowie autorzy badania zastosowali modele epidemiologiczne do obliczenia względnego ryzyka związanego z ekspozycją środowiskową.

Uzyskane wyniki wskazują na potencjalny wzrost ryzyka śmiertelności z powodu chorób sercowo-płucnych o około 5–9% oraz z powodu raka płuca o 8–13%. Według Ankush Kaushika wartości te mogą być wyższe niż ogólne ryzyko związane z ekspozycją na drobny pył PM2.5 w Europie. Autorzy sugerują, że obserwowany efekt może wynikać ze specyficznej toksyczności poszczególnych polimerów.

Znaczenie dla polityki środowiskowej i zdrowia publicznego

Ograniczanie emisji cząstek plastiku do atmosfery ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia narażenia populacji, poprawy jakości powietrza w miastach oraz realizacji celów zrównoważonego rozwoju ONZ, takich jak poprawa zdrowia publicznego (SDG 3), rozwój zrównoważonych miast (SDG 11) oraz działania na rzecz klimatu (SDG 13).

Profesor Hartmut Herrmann z TROPOS, który kierował badaniem, podkreśla, że skoro około dwie trzecie mikroplastików w powietrzu pochodzi ze ścierania opon, problemu nie rozwiąże samo przejście na mobilność elektryczną. W jego ocenie konieczne jest uwzględnienie emisji ze zużycia opon w regulacjach dotyczących jakości powietrza oraz wprowadzenie dopuszczalnych limitów stężenia mikroplastików w atmosferze.

Potrzeba dalszych badań

Chociaż wyniki z Lipska sugerują, że inhalacja mikro- i nanoplastików może mieć znaczące konsekwencje zdrowotne, badania w tej dziedzinie są wciąż na wczesnym etapie. Konieczne są długoterminowe analizy pozwalające ocenić toksyczność poszczególnych typów polimerów, ustalić bezpieczne poziomy ekspozycji oraz opracować odpowiednie standardy regulacyjne.

Zespół badawczy planuje w kolejnym etapie analizę próbek powietrza zbieranych przez cały rok, aby sprawdzić, czy stężenia mikroplastików wykazują sezonowe wahania. Wyniki z Lipska podkreślają również potrzebę systematycznego monitorowania tych cząstek jako nowej kategorii zanieczyszczeń środowiskowych oraz dalszego doskonalenia metod oceny ryzyka zdrowotnego.

Źródło: Communications Earth & Environment, Composition, interactions and resulting inhalation risk of micro- and nano-plastics in urban air
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s43247-025-02980-0