Краткий план лабораторного и полевого исследования, направленного на выяснение путей разложения крупного пластикового загрязнения до микропластиков и на изучение токсикологических эффектов микропластиков на пресноводные организмы.
1. Цели и гипотезы
- Цель 1: определить механизмы и скорость фрагментации макропластика в пресной среде (физико-химическая эрозия, УФ-выцветание, абразия, биоразложение, химическое выщелачивание).
- Цель 2: оценить токсикологические эффекты образующихся микропластиков у ключевых пресноводных таксонов.
- Гипотеза: скорость фрагментации зависит от типа полимера, механического воздействие и УФ-интенсивности; образующиеся микрочастицы и выщелоченные добавки вызывают сублетальные и летальные эффекты у водных организмов в зависимости от дозы и размера.
2. Лабораторная часть — фрагментация макропластика
- Материалы: типичные макропластики — PE, PP, PET, PS (пластины или бутылки); размеченные образцы, масса $M_0$.
- Условия испытаний (факторный план):
- УФ-облучение: наличие/отсутствие, спектр UVA/UVB, интенсивность, длительность ($0$, $1$, $4$, $12$ недель).
- Механическая абразия: статическая (течение), динамическая (тумблер/шарики/песок) — скорость потока или число циклов ($0$, $10^3$, $10^5$ циклов).
- Биотические факторы: стерильная вода vs инокулюм из реки (микробные сообщества).
- Температура и химия воды: $10$, $20$, $30$ °C; pH стандартный и повышенный.
- Измеряемые переменные:
- Потеря массы $M(t)$ и модель кинетики фрагментации: $\frac{dM}{dt}=-kM$, $M(t)=M_0{e}^{-kt}$ — оценка $k$.
- Размерное распределение частиц через время: сита, оптическая/сканирующая электронная микроскопия (SEM), динамический светорассеяние для мелких фракций.
- Идентификация полимера и химии поверхности: FTIR, Raman.
- Количество частиц (число/масса) — обсчёт частиц по диаметрам ($\mu \mathrm{m}$–мм).
- Анализ выщелачиваемых веществ: экстракты воды и химический анализ (GC–MS, LC–MS) для добавок и мономеров.
- Биопленка: оценка микробного состава (16S/18S), влияние на механическую прочность.
- Репликация: минимум $n=3$ повторов на условие; мониторинг в моменты $t=0$, $1$, $2$, $4$, $8$, $12$ недель.
3. Полевые эксперименты и мониторинг
- Выбор сайтов: серия точек по градиенту от источника (городская/сельская) и по типу среды (река, пруд, эстуарий).
- Сбор макропластика и микропластика: выборочное извлечение плавающих и донных макропластиков; водные фильтры и отбор донных отложений (сетки/корпусные трапы) для микропластика.
- Эксперимент in situ: деплой макрообразцов (помеченные) в сетках/карманах на $1$, $3$, $6$ месяцев для оценки естественной фрагментации; установка датчиков тока, УФ, температуры.
- Аналитика как в лаборатории: отслеживание массы, размеров, химии, микробиоты.
- Количественные оценки: скорость образования микропластика (частицы/м_акро/время), пространственно-временное распределение.
4. Токсикологические испытания
- Выбор организмов (модельные тесты): фитопланктон/хлорелла, зоопланктон (Daphnia magna), литоральные беспозвоночные (Gammarus), рыба-личинки (Danio rerio или местный вид).
- Типы частиц для испытаний: фрагменты из лабораторной фрагментации и контрольные сферические частицы известных полимеров; диапазон размеров: $<1\mu \mathrm{m}$ (нанофракция), $1\text{–}10\mu \mathrm{m}$, $10\text{–}1000\mu \mathrm{m}$.
- Концентрации (диапазон): окружающие уровни и градации выше (пример): $0$ (контроль), $10^2$, $10^3$, $10^4$, $10^5$ частиц/L; или эквивалент по массе $0$, $0.1$, $1$, $10$ mg/L — все числа в KaTeX.
- Эндпойнты:
- Острые: летальность $L{C}_{50}$ за $24$–$96$ ч.
- Сублетальные: рост, размножение, кормовая активность, поведение (плавание), фильтрация.
- Физиологические/молекулярные маркеры: окислительный стресс (SOD, CAT), генетическая экспрессия, гистопатология ткани, накопление частиц (микроскопия, пиролиз-GC–MS для верификации).
- Длительность: острые тесты $24$–$96$ ч; хронические $7$–$21$ дн. или до нескольких поколений для Daphnia.
- Контроли: процедурные, натуральные минералогические частицы (песок, глина) для разделения эффектов абразии/сорбции; растворимые выщелачиваемые фракции отдельно.
- Статистика: построение dose–response кривых, определение $L{C}_{50}$, $E{C}_{50}$ с использованием логит/пробит-моделей; ANOVA/GLMM для многопараметрических данных; учет размешивания и адсорбции в распределении доз.
5. Качество данных и валидация
- Методические blank'и, контроль перекрестного загрязнения (микропластик в воздухе/лаборатории).
- Валидация методов подсчёта частиц (Nile Red, FTIR—автоматическая классификация).
- Репликация и повторяемость.
6. Ожидаемые выводы и применение
- Модели скорости фрагментации $k$ для разных полимеров и условий.
- Профили химической миграции добавок и их связь с токсичностью.
- Практические рекомендации по управлению пластиком в водосборах и приоритеты по полимерам/дизайну.
Если нужно, могу привести пример конкретной таблицы экспериментов (факторный план) и шаблон протоколов для тестов на Daphnia или методики анализа FTIR/py-GC‑MS.