Воздействие наноматериалов на окружающую среду

Гибкая электроника не за горами Гибкая электроника не за горами

В марте 2008 г. более ста ученых из разных стран мира встретились в Швейцарии на конференции «nanoECO» для обсуждения проблем, связанных с воздействием синтезированных наночастиц на окружающую среду [1]. Хотя нано-экотоксикология является молодой областью исследований, были представлены интересные и важные результаты. Конечно, в центре внимания были нерешенные проблемы: как и в каких количествах наночастицы из «нанопродуктов» попадают в окружающую среду; какой будет, к примеру, уровень загрязнений рек, почвы; какие аналитические методы могут быть эффективно использованы?

Вопрос о применимости методов исследований очень важен. H.Krug в своем докладе [2] подчеркнул, что на данные о токсичности углеродных нанотрубок (УНТ) наряду с присутствующими в них примесями металлов (признанный эффект) могут повлиять и реактивы, применяемые для экспериментов in vitro! В этом случае выводы о вреде нанотрубок могут оказаться ложными. Поэтому при оценке токсичности очень важно правильно охарактеризовать не только сами наноматериалы, но и аналитические методы, используемые в исследованиях.

«Зеленая» химия, «зеленая» энергетика… Эти термины появились в конце прошлого века и сразу стали очень популярными. В последние годы чрезвычайно возрос интерес к ресурсосберегающим экологически чистым зеленым технологиям, инвестиции в фирмы зеленых технологий постоянно увеличиваются. «Зеленой нанотехнологии» посвящен доклад B.Karn [3]. Зеленая нанотехнология, как объясняет автор, – это способ создания и использования наноматериалов и нанопродукции без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека. Таким образом, с одной стороны к зеленой нанотехнологии относится производство наноматериалов и продуктов с использованием принципов зеленой химии и зеленых технологий (что улучшает окружающую среду косвенным образом), а с другой – создание нанопродуктов, которые непосредственно участвуют в решении прошлых, настоящих и будущих проблем, связанных с защитой природы и здоровьем людей (например, сорбенты для очистки сточных вод или питьевой воды, новые катализаторы, энергетические системы).

Результаты компьютерного моделирования транспорта трех наиболее распространенных видов наночастиц (нано-Ag, нано-TiO2 и УНТ), представленные в докладе швейцарских ученых B.Nowack и N.Mueller оказались настолько интересными, что были полностью опубликованы в журнале «Environmental Science & Technology» [4] и прокомментированы в июньском выпуске «Nature Nanotechnology» [5]. Рассмотрим их подробнее.

Наночастицы Ag и TiO2 наиболее широко представлены в потребительских товарах. Считается, что нано-серебро обладает противомикробными, противогрибковыми и другими полезными свойствами, а нано-TiO2 производится в больших количествах для использования в самоочищающихся, необрастающих, противомикробных покрытиях и красках, а также в косметических средствах как поглотитель УФ (только в Австралии имеется более 300 зарегистрированных солнцезащитных продуктов, содержащих наночастицы TiO2). Третий изученный наноматериал – углеродные нанотрубки – не нуждается в представлении нашим постоянным читателям.

В модели использовались следующие входные данные: оценки объемов мирового производства, концентрации наночастиц в различных продуктах, выход наночастиц из продуктов и параметры потоков в окружающую среду (от установок для сжигания отходов, мусорных свалок, и/или установок для очистки сточных вод) и между ее областями (воздух, почва, вода). Рассмотрен весь цикл использования продуктов, содержащих наночастицы, – от производства до утилизации. Модель такого типа обычно применяется в определении воздействия химических продуктов.

Авторы сделали оценку риска для трех областей окружающей среды – воды (реки и озера), воздуха, почвы в Швейцарии (рис.1). Было рассмотрено два сценария – реалистичный (RE – realistic), основанный на имеющейся информации, и худший (HE – high exposure), основанный на оценках, предполагающих наличие более высоких концентраций. Результаты сравнивались с величинами, которые по данным токсикологических исследований не вызывают негативных эффектов (PNEC – predicted no-effect concentration). Риск выражался как отношение прогнозируемой концентрации в окружающей среде PEC (PEC – predicted environmental concentrations) к PNEC. Материалы, для которых это отношение меньше единицы, считаются безопасными.

Raspredelenije_nanomaterialov.jpgРис.1. Возможное распределение наноматериалов в окружающей среде (воздух; почва, растительность; почва, покрытая растительностью; вода; отложения) [5]

К сожалению, невозможно найти перечень всей продукции, содержащей наночастицы. Многие производители не информируют об их наличии. Вероятно, в ближайшие годы ситуация изменится к лучшему, а пока авторы [4] использовали для анализа параметры, некоторые из которых представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры, использованные при моделировании транспорта наночастиц в Швейцарии

Наночастицы Категория продукции % от общего колич. Способ выделения % Область выделения
нано-Ag текстиль 10 истирание при использовании

истирание при стирке

утилизация

рецикл

экспорт

разложение

5

5

2,5

0,5

2

85

воздух

очистка сточных вод

сжигание мусора

живая система

живая система

живая система

косметика

25 использование

утилизация

95

5

очистка сточных вод

сжигание мусора

аэрозоли

чистящиесредства

15

5

использование

утилизация

истирание

95

5

5

воздух, стоки, почва

сжигание мусора

очистка сточных вод

металлическаяпродукция 5

рецикл

утилизация

разложение

истирание

47,5

2,5

45

5

живая система

сжигание мусора

живая система

очистка сточных вод

пластмассы 10 утилизация

разложение

утечка

50

45

5

сжигание мусора

живая система

почва, сточные воды

краски

35

разложение

утилизация

45

50

живая система

место утилизации

нано-TiO2 пластмассы 2 истирание

утилизация

5

95

воздух, сточные воды

сжигание мусора

косметика

60 использование

утилизация

95

5

 сточные воды, вода

сжигание мусора

покрытия 2

использование

утилизация

95

5

сточные воды, воздух

сжигание мусора

металлы 1

истирание

рецикл

утилизация

5

90

5

сточные воды

живая система

сжигание мусора

хранение/

производствоэнергии

10

25

утилизация

рецикл

25

75

сжигание мусора

живая система

краски

25

утечка

утилизация

50

50

сточные воды, почва

место утилизации

УНТ пластмассы,

спортивное

оборудование
50 истирание

утилизация

5

95

воздух

сжигание мусора

электроника,батареи 50 рецикл

 

утилизация

40

 

10

живая система

сжигание мусора

место утилизации

     экспорт 50 живая система

В таблице 2 приведены величины PEC, полученные в [4] для двух сценариев (RE и HE).

  Прогнозируемая концентрация (PEC) в окружающей среде
    Нано – Ag Нано – TiO2 УНТ
  Единицы RE HE RE HE RE HE
Воздух мкг/м3 1,7х10-3 4,4х10-3 1,5х10-3 4,27х10-2 1,5х10-3 2,3х10-3
Вода мкг/л 0,03 0,08 0,7 16 0,0005 0,0008
Почва мкг/кг 0,02 0,1 0,4 4,8 0,01 0,02

Таблица 3

  Оценка риска (PEC/PNEC) в окружающей среде
  Нано – Ag Нано – TiO2 УНТ
  RE HE RE HE RE HE
Воздух н/o н/o 0,0015 0,004 1,5х10-5 2,3х10-3
Вода 0,0008 0,002 >0,7 >16 0,005 0,008
Почва н/о н/о н/о н/о н/о н/о

н/о – не определен из-за отсутствия экотоксикологических данных


Как видно из табл. 2, величины PEC для УНТ являются самыми низкими (хотя, конечно, в будущем при росте производства ситуация может измениться). Содержание в воздухе мало для всех трех типов наночастиц. Частицы наносеребра и нанооксида титана в основном находятся в воде и почве, при этом содержание нано-Ag в 20–200 раз ниже, чем нано-TiO2. УНТ в воду практически не попадают.

На основе полученных величин РЕС теперь можно определить, какие наночастицы и где представляют наибольший риск (табл. 3).

Результаты моделирования показывают, что в настоящее время УНТ не представляют риска для окружающей среды. Основная часть продуктов, содержащих нанотрубки, или идет в повторный цикл, или попадает в установки для сжигания мусора, где УНТ в присутствии кислорода сгорают практически полностью (температура в установках примерно 850оС). А вот отношение PEC/PNEC для нано-TiO2 в воде приближается к единице или даже больше нее, указывая на наличие значимого риска.

Конечно, это предварительные результаты. Например, сознательно не рассматриваются трансформация, деградация, биоаккумулирование наночастиц, хотя эти процессы могут играть важную роль. Не учтены выбросы из мест производства. Тем не менее, результаты дают оценку риска и могут служить отправной точкой для последующих исследований, в которых, в том числе, будут более полно отражены специфические свойства наночастиц.

Автор – О. Алексеева

  • 1. nanoECO. Nanoparticles in the Environment. Implications and Applications 2–7 March, 2008 Centro Stefano Franscini Monte Verità Ascona, Switzerland
  • 2. H.F. Krug et al., nanoECO Book of Abstracts 2–7 March, 2008, p.53
  • 3. B. Karn. nanoECO Book of Abstracts 2–7 March, 2008, p.77
  • 4. N. Mueller, B. Nowack., Environ. Sci. Technol. 42, 4447 (2008)
  • 5. M. Scheringer, Nature Nanotechnol., 3, 332 (2008)
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (2 votes)
Источник(и):

ПерсТ: Воздействие наноматериалов на окружающую среду