Следы человечества: как загрязнители стали научными инструментами

Когда в 1987 году представители 197 стран ратифицировали Монреальский протокол по поэтапному отказу от озоноразрушающих веществ, они вряд ли предполагали, что создают новый метод оценки возраста грунтовых вод.

Однако Монреальский протокол проложил путь к повсеместному распространению в атмосфере, а значит и в дождевой воде, химического вещества под названием трифторуксусная кислота (ТФУ). Поскольку концентрация ТФУ неуклонно росла с 1987 года, она стала полезным инструментом для получения приблизительного представления о том, как недавно пополнялся водоносный горизонт — это и подразумевается под «возрастом грунтовых вод».

Использование ТФУ в качестве быстрого и простого трассера — один из нескольких исследовательских методов, которые полагаются на колоссальные объемы антропогенных материалов, ежесекундно попадающих в окружающую среду. Ученые используют загрязнение для изучения процессов как локального, так и планетарного масштаба — от истории отдельного птичьего гнезда до истории человечества на этой планете.

Новые трассеры

ТФУ — одно из тысяч пер- и полифторалкильных веществ (ПФАВ), также известных как «вечные химикаты», потому что они разлагаются тысячелетиями. К счастью, ТФУ, по-видимому, гораздо менее токсично, чем длинноцепочечные ПФАВ, такие как перфтороктансульфоновая кислота (ПФОС) и перфтороктановая кислота (ПФОК), которые связывают с проблемами для здоровья человека.

Вездесущность ТФУ является побочным эффектом перехода от использования озоноразрушающих хлорфторуглеродов (ХФУ) в хладагентах. Альтернативные хладагенты, изначально считавшиеся менее вредными, чем ХФУ, имеют свои собственные последствия, что делает этот случай тем, что ученые называют «неудачной заменой».

«Когда современные хладагенты испаряются в атмосферу, они распадаются на ТФУ, которое затем выпадает на землю с дождем», — пояснил эколог-геохимик Кристиан Нюроп Альберс из Геологической службы Дании и Гренландии.

Грунтовые воды становятся питьевой водой, поэтому часть работы Альберса — проверять их на загрязнители. Но чтобы убедить политиков в необходимости регулировать тот или иной загрязнитель, ему и его коллегам нужно показать, что вещество попадает в грунтовые воды из-за его современного использования, а не из-за применения десятилетия назад. Для этого им нужно знать возраст воды.

«Существует много сложных методов для этого, но они не всегда просты в использовании, очень дороги или трудоемки», — сказал Альберс. «Золотым стандартом» является измерение распада трития в гелий, но лишь несколько лабораторий в мире могут провести такой тест, а образец воды необходимо хранить 6 месяцев, чтобы увидеть распад.

Измерение ТФУ не так точно, как измерение распада трития, и тем, кто использует этот метод, необходимо учитывать наличие ферм в районе, поскольку сельскохозяйственные химикаты также могут выделять ТФУ в грунтовые воды и влиять на результаты. Но измерение ТФУ быстро и просто, поэтому «теперь мы используем его на регулярной основе», — отметил Альберс. Он и его коллеги недавно опубликовали метод, и исследовательская группа в Германии также начала его применять.

В целом, ПФАВ в окружающей среде являются «предметом огромного количества дискуссий», — сказал эколог-радиохимик Энди Канди из Саутгемптонского университета, не участвовавший в разработке метода. «По мере того как измерение ПФАВ становится более рутинным, я думаю, мы будем видеть все больше людей, использующих ПФАВ в качестве трассеров», — добавил он.

Пластик: палка о двух концах

Ежегодно производится более 460 миллионов тонн пластика, и эта цифра постоянно растет. Когда пластик используется для упаковки пищевых продуктов, на него часто ставят дату истечения срока годности. Ауке-Флориан Хиемстра из Центра биоразнообразия Naturalis в Лейдене (Нидерланды) — нидолог, ученый, изучающий птичьи гнезда. Он использовал эти даты, чтобы проследить историю птичьих гнезд, найденных вдоль каналов Амстердама. В прошлом радиоуглеродное датирование применялось к некоторым очень старым гнездам, но использование пластика оказалось гораздо более простым процессом.

«Одно найденное нами птичье гнездо оказалось похожим на книгу по истории», — сказал Хиемстра. Мусор в нем варьировался от масок времен пандемии COVID-19 до обертки от шоколадного батончика, рекламирующего чемпионат мира по футболу 1994 года. Конечно, дата истечения срока годности куска пластика не соответствует точно дате, когда птица включила его в свое гнездо, но обнаружение нескольких предметов одного временного периода является показательным. Чтобы повысить уверенность в методе, исследователи интегрировали свои находки с архивами Google Street View, которые показали наличие гнезда в различные моменты времени.

Но даже если пластик открывает возможности для оценки возраста некоторых природных материалов, он может затруднить определение возраста других. Это связано с тем, что пластик производится из давно умерших растений и животных, в которых содержится ничтожное количество изотопа углерода-14, используемого для радиоуглеродного датирования. Углерод из пластика может «разбавлять» природный углерод и заставлять материалы казаться старше, чем они есть.

Это может быть проблематичным для изучения океанических процессов. Один из способов измерения времени, прошедшего с момента нахождения воды у поверхности, основан на датировке по углероду-14. Если 1% углерода в пробе воды происходит из микропластика (консервативная оценка, учитывая, что в некоторых образцах до 5% углерода в океане приходится на пластик), то это заставит пробу казаться на 64 года старше, чем она есть на самом деле, подсчитал эколог-океанограф Шии Чжао из Японского агентства науки и технологий по изучению морских недр.

Циркуляция океана происходит в течение тысяч лет, поэтому добавление 64 лет не сильно меняет общую картину. Но количество пластика постоянно растет, поэтому «подумайте об этом в будущем сценарии», — сказал Чжао. Особенно в «горячих точках» пластикового загрязнения материал может существенно исказить изучение океанической циркуляции.

«Это может стать проблемой по мере попадания в океан большего количества микропластика», — отметил Канди.

Антропоцен

Мы живем в период, неофициально называемый антропоценом, потому что маркеры человеческой деятельности очевидны в экологических записях по всему миру. Хотя официальная дата начала не согласована, ученые предложили ряд вариантов. Одно из определений предполагает, что период начался в середине XX века и отмечен множеством созданных человеком веществ, таких как пластик, которые evident в геологических слоях, включая ледяные и осадочные керны. Но одним из самых вездесущих и надежных кандидатов в маркеры начала антропоцена является плутоний-239. Ядерные испытания, проведенные в 1940-х и 1950-х годах, были основным источником плутония-239, который разлетелся в атмосфере по всему земному шару, отложив слой по всей Земле и «промаркировав всю планету», — сказал Канди.

Наличие маркера того момента, когда антропогенная деятельность начала влиять на геологическую летопись, — это мощный исследовательский инструмент, поскольку он предоставляет точку отсчета, относительно которой ученые могут измерять, как природа реагировала с тех пор, — сказала эколог-геохимик Агнешка Галушка из Университета Яна Кохановского в Кельце, Польша.

Например, в исследовании пыльцы в палеоэкологических записях по всей Северной Америке ученые изучили, как изменилось разнообразие видов растений с середины XX века, и сравнили это с предыдущими периодами. Они обнаружили, что скорости появления и исчезновения видов были выше, чем в любое другое время с конца последнего ледникового периода около 13 000 лет назад. Вероятно, это связано с изменениями в землепользовании, а также с занесением вредителей и инвазивных видов на континент — всем, что движется человеческой деятельностью.

Аналогично, в исследовании торфяников Изерских гор в Европе ученые изучили, как с середины 1960-х годов сжигание угля повлияло на микроорганизмы. Анализируя микробные сообщества, исследователи обнаружили, что амебы поглощали титан, алюминий и хром из неорганических остатков угля и включали эти элементы в свои оболочки. «Это было довольно шокирующей новостью для всех нас», — поделилась Галушка.

Идентификация загрязнителей как маркеров возможного начала антропоцена заставила ученых задаться вопросами: «Каковы были изменения с течением времени? — говорит Канди. — И, что важно, каковы были причины этих изменений? Вызваны ли они деятельностью человека или имеют природное происхождение?»

Использование антропогенных маркеров не ограничивается датировкой. Ученые начинают применять их как «отпечатки пальцев» для отслеживания миграции животных, изучая накопление определенных загрязнителей в тканях. Химические сигнатуры от сжигания ископаемого топлива или промышленных выбросов, обнаруженные в перьях птиц или чешуе рыб, могут рассказать о маршрутах их перемещений и местах кормления. Это открывает новые возможности для охраны видов, позволяя идентифицировать критические, но уязвимые места обитания, подверженные наибольшему антропогенному давлению. Таким образом, то, что изначально было ядом, становится ключом к пониманию и, возможно, спасению экосистем.