Эра полимера: как наука ищет баланс между прогрессом и угрозой

Синтетические полимеры давно перестали быть просто «пластиком», сегодня эти материалы — неотъемлемая часть современной инфраструктуры, технологий и повседневной жизни. За счет низкой плотности и деформируемости высокомолекулярные соединения обеспечивают показатели прочности и долговечности там, где другие материалы будут неэффективными в использовании: от корпусов бытовой техники и медицинского оборудования до упаковки, транспорта и строительных конструкций.

Но обратной стороной универсальности и практически повсеместного использования полимеров стали проблемы утилизации и загрязнения микропластиком. В интервью Наука.РФ эксперты оценили роль полимеров в технологическом прогрессе и связанные с их широким применением риски. А также рассказали об инновационных подходах в разработке материалов с целью минимизации потенциального воздействия на человека и окружающую среду.

Кто открыл полимеры

Полимеры состоят из длинных цепочек низкомолекулярных соединений (мономеров), соединенных множеством связей. Этим, кстати, и объясняется происхождение названия материалов, «поли-» — от греческого «много». Для таких структур характерна устойчивость, при удалении одного из мономерных звеньев не происходит существенных изменений физико-химических свойств материала. Полимеры классифицируют на два типа: природные и синтетические. Первые формируются в результате естественных биохимических процессов, например, целлюлоза и белки, обеспечивающие функционирование живых организмов. А вторые, созданные искусственно — посредством химических реакций, их широко используют в промышленном секторе, медицине, энергетике, сельском хозяйстве, аэрокосмической отрасли и, конечно, в быту.

Но кому и когда удалось открыть полимеры, так во многом изменившие жизнь человека? О зарождении этой науки рассказал Сергей Вшивков, доктор химических наук, профессор Уральского Федерального университета им. первого Президента России Б. Н. Ельцина:

«Основоположником науки о полимерах стал Герман Штаудингер, профессор Фрайбургского университета в Германии. Именно он в 1920 году впервые ввел понятие „макромолекула“ и предложил цепную теорию строения макромолекул, за что в 1953 году получил Нобелевскую премию. В нашей стране основателем науки о полимерах считают Валентина Каргина, академика АН СССР, лауреата Ленинской и трех Сталинских премий. В 1955 году он открыл в МГУ первую в СССР университетскую кафедру высокомолекулярных соединений (ВМС). Вторая в стране кафедра была создана в 1958 году Анной Тагер, ученицей В. Каргина в Уральском госуниверситете. Предмет „Высокомолекулярные соединения“ был включен в программу всех вузов, изучающих химические дисциплины, с 1957 года».

Среди прочих знаковых событий отечественной науки о полимерах в XX веке можно назвать создание академиком Василием Коршаком первой в Академии наук СССР лаборатории ВМС в Институте органической химии. Ученый первым в стране синтезировал волокнообразующие полиамиды и открыл новые реакции синтеза полимеров. А доктором химических наук Сергеем Ушаковым из Ленинградского Института ВМС были разработаны принципы применения синтетических полимеров в создании лекарственных средств.

«Умные» покрытия

В XXI веке все большее внимание исследователей привлекает направление «умных» полимерных покрытий. В 2025 году Центр Национальной технологической инициативы «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н. Э. Баумана совместно с Институтом физической химии и электрохимии РАН создали покрытия, которые адаптируются к агрессивным условиям эксплуатации и самовосстанавливаются на микроуровне. Такие материалы демонстрируют высокую эффективность в обеспечении противокоррозионной защиты в секторе энергетики для атомных электростанций, в химической, авиационно-космической и нефтегазовой отраслях и в строительной индустрии. «Умные» полимерные покрытия проявляют устойчивость к агрессивным средам с кислотами, щелочами, солевыми растворами и водоорганическими смесями. Разработанные покрытия оптимально применять для защиты таких высоконагруженных и быстро изнашиваемых объектов, как насосы, емкости или трубопроводы.

«Создание „самозалечивающихся“ материалов все еще находится на ранней стадии развития, они обладают огромным потенциалом и возможностями применения, в особенности в тех случаях, когда в труднодоступных зонах необходимо обеспечить надежность на как можно более длительный срок. Одним из самых перспективных направлений совершенствования противокоррозионных покрытий стала разработка новых спецматериалов с заданными электрохимическими свойствами и технологий производства композитов и их компонентов», — добавил Вячеслав Щелков, заведующий лабораторией ИФХЭ РАН.

Как производят полимеры

В отличие от природных полимеров, таких как крахмал или целлюлоза, синтетические полимеры производит нефтегазохимическая промышленность на основе побочных продуктов добычи нефти и газа — попутных нефтяных газов (ПНГ). Основным сырьем для полимеров служит широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), получаемая из ПНГ и преобразованная в сжиженные углеводородные газы (СУГ). Последние транспортируют в жидкой форме на перерабатывающие предприятия, где подвергают пиролизу при температурах в печах свыше 800°C. В результате образуется пирогаз, из которого фракционной дистилляцией и разделением выделяют этилен, пропилен и другие олефины. Эти мономеры подвергают полимеризации под действием катализаторов при контролируемых условиях, определенном давлении и температуре. Так производят синтетические полимеры, широко применяемый пластик полиэтилен, использующийся при изготовлении бытовой техники полистирол или устойчивый к агрессивному воздействию и применяемый в строительстве поливинилхлорид.

Исследования и открытия в сфере «зеленых» полимеров, включая биополимеры, стали экологичным направлением науки и промышленности. Например, создают композиты из природных волокон и синтетических полимеров для экологичного текстиля и материалов. Кроме того, биополимеры активно применяются в медицине для раневых покрытий и адресной доставки лекарств.

Микропластик в морях и почве

Несмотря на универсальность и практические преимущества полимеров как материала, их повсеместное использование вызывает у некоторых исследователей серьезные опасения. Обилие изделий из пластика способствует масштабному загрязнению окружающей среды микропластиком (МП). Согласно данным ООН, с 1950-х годов до 2025 года человечество произвело 9,2 миллиарда тонн пластика, причем семь из них стали отходами. При этом в океан ежегодно попадает около 12 миллионов тонн пластика. Попробуем разобраться в том, каким образом полимеры влияют на загрязнение морей и почвы, и к каким последствиям это ведет?

Основные источники пластикового загрязнения, включая МП, в российских морях аналогичны общемировым: береговой сток через реки и стоки очистных сооружений, мусор с пляжей, переносимый штормами, судоходство, добыча полезных ископаемых и рыболовство. Все это вносит крупный и мелкий пластик в морскую среду, свою роль играет здесь и атмосферный перенос частиц на большие расстояния. Это приводит к накоплению пластика в океане, где он способен фрагментироваться в МП. О ходе исследований в Арктике и Северном Ледовитом океане рассказал Игорь Жданов, кандидат географических наук, научный сотрудник лаборатории взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН:

«В экспедициях мы собираем пробы микропластика и изучаем его распределение, динамику, источники, концентрации и межгодовые изменения. В формате мегагранта вместе с Новгородским университетом им. Ярослава Мудрого анализируем и идентифицируем частицы, подверженные влиянию биообрастания и старения, а также улучшаем методики идентификации подобных частиц. Климатические изменения потенциально могут усиливать загрязнение в полярных регионах: более интенсивное таяние льда позволяет микропластику глубже проникать в Арктику и расширять зону распространения».

Но насколько опасно поглощение организмами микропластика? Есть данные о снижении популяций и размеров поколений планктона в рамках лабораторных экспериментов, которые на данный момент трудно подтвердить натурными наблюдениями. Также известны случаи, когда в желудках крупных морских млекопитающих находят пакеты с мусором, однако интерпретация здесь затруднительна. Игорь Жданов отметил, что смерть от пластика может быть зафиксирована лишь при закупорке ЖКТ, ведущей к истощению, поэтому о массовом негативном воздействии МП на фауну говорить пока рано.

Исследуя наземные экосистемы, ученые установили, что из земли пластик может попасть даже в сельхозкультуры. На землях сельскохозяйственного назначения одним из основных источников МП называют использование пленок для мульчирования и удобрений замедленного или пролонгированного действия.

«Содержание микропластика в сельскохозяйственных растениях в настоящее время не нормируется нормативными документами в РФ и за рубежом. Сейчас отработаны протоколы выделения микропластика из различных объектов и проводятся исследования по содержанию микропластика, в том числе и в сельскохозяйственных культурах. На данном этапе разрабатывается технология культивирования организмов бактерий-продуцентов для производства биоразлагаемых полимеров как альтернативы синтетическим полимерам на основе углеводородного сырья», — отметил Владимир Исаков, доцент кафедры фундаментальной и прикладной химии, заведующий Аналитической лабораторией исследования микропластика Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого.

Влияние пластика на организм человека

Сегодня микропластик присутствует практически повсеместно: в воде, воздухе и почве, например, в организм человека МП поступает в основном с водой и пищей. Ученая «Российского научного центра хирургии им. академика Б. В. Петровского» (РНЦХ) рассказала, что частицы МП обнаружили в водопроводной и бутилированной воде, пиве, в молоке, соли, сахаре и меде. Значительное количество частиц нашли в морепродуктах (рыбе, креветках, моллюсках), а также в рисе и упакованном мясе.

«Микропластик накапливается в органах, на сегодня наличие его частиц подтвердили в 15 типах биологических образцов человека. А именно — в толстой кишке, каловых массах, легких, бронхоальвеолярных смывах, мокроте, слюне, крови, печени, селезенке, грудном молоке, плаценте и меконии, смывах с рук и кожи, а также в волосах. Обнаружили микропластик и в головном мозге. Но из внутренних органов наиболее высокое содержание микропластика выявлено в стенке толстой кишки, это 30-200 частиц на 1 г ткани, а на втором месте — печень и почки (5-10 частиц на 1 г ткани)», — пояснила Наталья Золотова, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник РНЦХ им. академика Б. В. Петровского.

Несколько исследований связывают накопление МП с развитием заболеваний у человека: раком легких или циррозом печени. Как руководитель гранта по исследованию МП Российского научного фонда Наталья Золотова рассказала о проекте «Влияние микропластика на развитие колоректального рака»:

«У больных с воспалительными заболеваниями кишечника концентрация МП в кале превышает норму здоровых людей, с положительной корреляцией между уровнем МП и тяжестью болезни. Наконец при аденокарциноме толстой кишки количество МП в опухолевой ткани выше, чем в здоровых участках той же кишки или у пациентов без колоректального рака. Согласно нашим собственным исследованиям на мышах, у здоровых животных частицы пластика размером 5 мкм даже при длительном потреблении в высоких дозах выраженных патологических изменений не вызывают. Но при заболеваниях кишечника, спровоцированных другими причинами, микропластик может значительно усугублять тяжесть течения заболевания. Также МП способствует росту опухолей толстой кишки у мышей».

Данные зарубежных исследований на лабораторных мышах показали, что, накапливаясь в организме, МП вызывает повреждения в органах, нарушает обмен веществ, провоцирует репродуктивные проблемы и изменения в поведении потомства.

Следует знать, что некоторые полимеры могут содержать токсичные компоненты: бисфенол A или S, фталаты. В повседневной жизни риски будут низкими, но потенциал накопительного эффекта пока мало изучен. Бисфенол А может содержаться в контейнерах для еды, бутылках для напитков или игрушках, а бисфенол S применяют в термостойкой посуде и в быстросохнущих клеях. В косметике фталаты используют как пластификаторы, улучшители текстуры и стабилизаторы аромата, они есть в составе средств гигиены, парфюмерии и лаков для ногтей.

Точных данных о потреблении человеком микропластика нет, расчеты ведут, ориентируясь на содержание микропластика в продуктах питания. В среднем исследователи приводят такие цифры: от 140 частиц в день до 70 миллионов частиц в день для взрослого человека. Частицы размером более 50 мкм, как правило, отрицательных эффектов не несут, опасны мелкие частицы менее 1 мкм, которые могут проникать в ткани. Учитывая эти риски, в качестве одной из основных стратегий минимизации биотоксичности микропластика и его аккумуляции в окружающей среде используют механические, химические и биотехнологические способы переработки.

«Фермы моли» как способ переработки пластика

Среди перспективных биотехнологических подходов решения проблемы можно назвать метод использования биоорганизмов, способных разлагать пластик. В качестве примера студенческого стартапа по переработке полимеров можно привести разработку Полины Дубовской. Студентка Новосибирского государственного технического университета подготовила проект «Создание технологии утилизации пластика с помощью уникальной линии насекомых». За пять генераций ей удалось приспособить восковую моль питаться пластиком.

«Лучше всего личинки восковой моли разрушают полиэтилен и полистирол. Процесс переработки начинается с механического разрушения насекомыми измельченного пластика, за которым следует ферментативное окисление и частичная переработка микробиотой. Но есть доказательства, что часть реакций идет даже без микробиома. Пластик минерализуется до диоксида углерода (CO₂) и малых молекул, значительная доля превращается в окисленные микрофрагменты, которые выводятся из организма насекомого. Одна личинка моли потребляет до доли миллиграмма пластика в сутки, в то время как сотни личинок способны переработать граммы полимера за недели», — поделилась автор проекта.

Для насекомых создают специальные условия, поддерживают температуру 25-30°C при влажности 50-70%, а пластиковый корм дополняют воском или отрубями. Полина Дубовская считает, что хотя создание таких «ферм моли» — экологичный метод утилизации пластика, но для масштабной и быстрой переработки перспективнее будут проекты биоинженерии, включающие использование ферментов и бактериальных штаммов в биореакторах для деградации материалов.

В настоящее время технологии переработки пластика быстро развиваются на всех уровнях — от утилизации бытовых отходов до решения вопроса в промышленных масштабах. Например, вторично переработанный пластик возвращают в производство, выстраивая экономическую модель замкнутого цикла. Востребованность в инновациях и разработках в науке о полимерах стимулирует вузы и другие научные организации готовить специалистов по актуальным направлениям отрасли.

Где получить образование

В сфере полимеров есть много возможностей для построения карьеры: от фундаментальных исследований и разработки инновационных технологий до работы на предприятиях по производству и переработке материалов, где востребованы инженеры-исследователи, химики-технологи, аппаратчики синтеза или аналитики. Профессор Уральского Федерального университета Сергей Вшивков отметил, что при получении специальности многое будет зависеть от выбора вуза:

«Наша кафедра состоит из двух секций — органической химии и ВМС. Уральская научная школа физико-химии полимеров хорошо известна в нашей стране и за рубежом. На кафедре ВМС подготовлено более тысячи специалистов, шесть докторов и 47 кандидатов наук. Учебники преподавателей кафедры, в особенности учебник основателя кафедры Анны Тагер „Физикохимия полимеров“, написанные в годы становления науки о полимерах — общепризнанные и востребованные во всех университетах России».

Ученый также добавил, что в настоящее время в мире производят более 400 млн тонн полимерных материалов, и более 60% химиков мира занимаются синтезом и модификацией полимеров. Сергей Вшивков рассказал, что академики РАН Алексей Хохлов, Азиз Музафаров (Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН) и член-корреспондент РАН Сергей Люлин (Институт высокомолекулярных соединений РАН) приводят следующие данные: за последние сто лет в мире накопилось около 10 млрд тонн мусора из отработанных полимерных материалов.

Хотя ученые-экологи предлагают радикально сократить производство таких материалов, профессор УрФУ считает, что с этим нельзя согласиться, поскольку полимеры составляют неотъемлемую часть современной цивилизации. По его мнению, ученые, работающие в области науки о полимерах, должны предложить решения, не отказываясь от достижений мирового научно-технологического прогресса. Среди ключевых предложений Сергей Вшивков назвал продуманную «конструкцию» мусорных свалок, например, разработку безопасных форм захоронения полимерных отходов в мировом океане для создания искусственных островов, и эффективные катализаторы, предотвращающие загрязнение воздуха при горении полимерных материалов. Производство полимеров он считает самой эффективной альтернативой сжиганию ископаемого топлива, не увеличивающей углеродный след и не приводящей к загрязнению планеты.

Абитуриентам, которых заинтересовала наука о полимерах, востребованные научные специальности поможет выбрать Навигатор портала Наука.РФ, где всегда можно найти актуальную информацию о ведущих вузах страны.

Светлана Минеева