1407

облегчает проникновение в них фенантрена, типичного атмосферного загрязняющего агента, продукта сгорания топлива. Эта работа стала весомым доказательством необходимости изучения поведениянаноматериалов вокружающей среде.

Таблица 1 0 . 1

Воздействие наночастиц

В табл. 10.1 представлены возможные накопления разных типов наночастиц, используемых в различных изделиях.

10.3. Методики оценки воздействия наноматериалов на окружающую среду

Рассмотрим результаты компьютерного моделирования транспорта трех наиболее распространенных видов наночастиц (Ag, TiO2 и УНТ), представленные в докладе швейцарских уче-

231

ных Б. Новак и Н. Мюллер. Наночастицы Ag и TiO2 наиболее широко представлены в потребительских товарах: серебро обладает противомикробными, противогрибковыми и другими полезными свойствами, а оксид титана 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.) В качестве третьего изучаемого материала были выбраны нанотрубки.

В модели использовались следующие исходные 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 [52] сделали оценку риска для трех областей окружающей среды – воды (реки и озера), воздуха, почвы в Швейцарии (рис. 10.4). Было рассмотрено два сценария – реалистичный (RE – realistic), основанный на имеющейся информации, и предполагаемый (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 noeffect concentration). Риск выражался как отношение прогнозируемой концентрации в окружающей среде PEC (PEC – predicted environmental concentrations) к PNEC. Материалы, для которых это отношениеменьшеединицы, считаютсябезопасными.

Для анализа использовались параметры, представленные в табл. 10.2.

232

Рис. 10.4. Возможноераспределениенаноматериаловвокружающейсреде

Таблица 1 0 . 2

Параметры, использованные при моделировании транспорта наночастиц в Швейцарии

Окончание табл. 1 0 . 2

Как видно из табл. 10.3, величины PEC для УНТ являются самыми низкими (хотя при росте производства ситуация может измениться). Содержание в воздухе всех трех типов наночастиц мало. Наночастицы серебра и оксида титана в основном находятся в воде и почве, при этом содержание наночастиц Ag в 20–200 раз ниже, чем TiO2. УНТ в воду практически не попадают.

234

Таблица 1 0 . 3

Прогнозируемая концентрация наночастиц (PEC) в окружающей среде

Наночастицы

На основе полученных величин РЕС теперь можно определить, какие наночастицы и где представляют наибольший риск

(табл. 10.4).

Таблица 1 0 . 4 Оценка риска (PEC/PNEC) в окружающей среде

Наночастицы

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

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 вприсутствии кислорода сгорают практически полностью (температура в установках примерно 850 оС). А вот отношение PEC/PNEC для наночастиц TiO2 в воде приближается к единице илидаже большенее, чтоуказывает наналичиезначимогориска.

Это предварительные результаты, не учитывающие процессы трансформации, деградации, биоаккумулирования наночастиц. Не учтены выбросы из мест производства. Тем не менее результаты оценивают риск и могут служить отправной точкой для последующих исследований, в которых, будут более полно

235

отражены специфические свойства наночастиц. В 2008 году были предствлены результаты исследований, проведенных учеными Швейцарского государственного института технологии города Цюриха. В связи с увеличением использования наночастиц серебра в товарах ежедневного применения, особенно в пластиках и текстильной продукции, оценивалось попадание и распределение их в окружающей среде. На рис. 10.5 показано попадание рассматриваемого вещества в окружающую среду на различных этапах его использования.

Рис. 10.5. Экспозиция наночастиц серебра в окружающую среду на различных этапах его жизненного цикла

236

В данных исследованиях акцент был сделан на воздействие на водную систему, так как большая часть наночастиц серебра попадает именно в воду. Поскольку 11 % от общего количества частиц попадает в Рейн, то в исследованиях также осуществлялось моделирование процессов распределения рассматриваемого вещества в водной системе р. Рейн, которая является источником поступления воды более чем от 45 европейских городов с населением более 10 000 человек. Концентрация наночастиц серебра в воде, поступающей на очистные сооружения, составляет 9 мкг/л с учетом того, что:

–всистему водоподготовки ежегоднопоступает 270 тсеребра;

–70 м3 сточных вод с одного человека образуется в год;

–85 % населения Европы служат источником поступления сточных вод на очистные сооружения;

–активный ил содержит 24 мг серебра на 1 кг массы;

–эффективность удаления серебра составляет 94 %;

–концентрация соответствует 255 т серебра в год;

–145 т серебра в год попадает в почву.

в которой выделены отдельно движущиеся водные массы (В1), застойная вода (В2), осадок и постоянные отложения (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Модель распределения концентраций наночастиц серебра в Рейне

237

При оценке изменения концентрации наночастиц серебра вдоль течения реки для трех возможных вариантов содержания вещества в одной среде (максимального, среднего и минимального) с учетом рассмотренной модели было выявлено ее увеличение, что представлено на рис. 10.7 [51].

Рис. 10.7. Изменение концентрации наносеребра в речной воде по течению

На данном графике видно, что в зависимости от исходного содержания наночастиц серебра в воде его концентрация от Базеля до Лобита, т.е. на расстоянии 700 км, увеличивается в 3– 5 раз, что связано с процессами водообмена, суспензирования, диффузии и перемещения осадка.

Было определено пороговое значение содержания наночастиц серебра в воде на очистных сооружениях и в поверхностных водах: 185 мкг/л и 2 нг/л соответственно. Отношение концентрации наночастиц серебра к пороговому значению на очистных сооружениях составляет 9 мкг/л к 185 мкг/л, т.е. 0,05, что показывает отсутствие риска для микроорганизмов на данных сооружениях.

238

11.ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ

ИТОКСИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОПОРОШКОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

При разработке безопасности наноматериалов необходимо учитывать общие свойства частиц. К ним относятся:

–Небольшой размер наноматериалов (это позволяет им проникать через клеточные мембраны и находиться внутри структуры ДНК или белка и, тем самым, изменять их функции. Наночастицы способны легко проникать через барьеры организма и накапливаться во внутренней среде).

–Большая удельная поверхность наноматериалов (эффект повышения химического потенциала веществ в ультрадисперсной форме приводит к аномальному увеличению растворимости

иреакционной способности веществ в составе наноматериалов, что способствует увеличению токсичности).

–Поверхностные характеристики (высокая реакционная способность наноматериалов приводит к увеличению продукции свободных радикалов, которые ведут к повреждению ДНК).

–Облегчение проникновения других контаминантов (возможно, что наноматериалы адсорбируют отдельные контаминанты и транспортируют их внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних; таким образом, наноматериалы могут выступать в роли своеобразных проводников).

–Метаболизм (многие наночастицы с трудом распознаются

иэлиминируются клетками иммунной системы).

–Накопление в объектах окружающей среды (возможно, что наноматериалы не метаболизируются микроорганизмами

ине подвергаются процессам детоксикации, что ведет к их накоплению в растительном, животном или микробном организме, и, тем самым, увеличивается их поступление по пищевой цепи в организм человека).

239

Рис. 11.1. Оценка потенциальной опасности различных частиц

На рис. 11.1 показана потенциальная опасность различных наночастиц [8].

11.1. Физико-химические факторы, определяющие опасность нанопорошков

К физико-химическим характеристикам нанопыли относятся химический и дисперсный состав, удельная поверхность, плотность, горючесть и взрываемость, удельное электрическое сопротивление, слипаемость, смачиваемость, абразивность, концентрация и др.

Способность частиц образовывать конгломераты, налипать на стенки аппаратов обусловлена аутогезионным и адгезионным взаимодействием. Аутогезией (слипаемостью) называют взаимодействие частиц пыли между собой, адгезией – взаимодействие споверхностями монослоя частиц, контактирующего с ними. Разрывнаяпрочностьпылевогослояхарактеризует слипаемостьпыли.

Гигроскопичность, т.е. способность поглощать влагу из окружающей среды, оказывает влияние на свойства пыли: адгезионное и аутогезионное взаимодействие, сыпучесть, электриче-

240