Ultrajemné částice v ovzduší a koloidní částice ve vodách se vyskytují v životním prostředí na této planetě zcela přirozeně. Jejich zdrojem jsou nejčastěji sopečné erupce, požáry, eroze hornin, zvířený půdní prach, rostliny i živočichové. Významná je také mořská sůl či všudypřítomné vodní kapičky. Atmosférický aerosol se významně podílí na důležitých atmosférických dějích, jako je vznik srážek a udržování teplotní bilance Země.
Kromě aerosolů přirozeného původu se však v atmosféře nachází také částice vznikající lidskou činností. Celkový příspěvek člověkem emitovaných částic se odhaduje na 200 milionů tun ročně, což představuje více jak 3 % veškerého aerosolu v zemské atmosféře. Jakkoli se může zdát toto číslo nízké, lidská činnost zatěžuje životní prostředí především aerosoly toxické, karcinogenní a perzistentní povahy. Těmito emisemi pak není ohrožována jen příroda ale také člověk sám. Zvláště markantní dopady můžeme pozorovat v urbanizovaných centrech, kde je člověk ohrožován zdravotními důsledky smogových situací vznikajících emisemi z dopravy a průmyslu při nepříznivých rozptylových podmínkách.
V poslední době kromě uvedených problémů vyvstává také problém související s emisemi ultrajemných částic v pracovním prostředí, zvláště pak nanočástic umělého původu, o jejichž toxických účincích toho stále ještě mnoho nevíme. Nanotechnologie v současnosti vedou k rostoucímu počtu pokrokových a materiálových inovací uplatňujících se v mnoha odvětvích, jakými jsou například zdravotní péče, energetika, potravinářství, informatika, kosmetika aj. Kvůli svým různorodým a často novým vlastnostem mají nanomateriály široké spektrum možného využití.
Většina lidských činností produkuje částice o velikostech jednotek mikrometrů. Při některých činnostech, jakými jsou například svařování, tepelné procesy či doprava, se však můžeme běžně setkávat i s částicemi submikronovými, s tzv. nanočásticemi. Dle normy ČSN P CEN ISO/TS 27687 jsou nanočástice definovány jako nanoobjekty se všemi třemi vnějšími rozměry v nanostupnici.
Pokud se délka nejdelší a nejkratší osy nanoobjektu výrazně liší (obvykle více než třikrát), předpokládá se, že se použije termín nanovlákno nebo nanodeska místo termínu nanočástice. Obecně hovoříme-li o nanočásticích, máme obvykle na mysli částice menší jak 100 nanometrů vznikající lidskou činností a často z materiálů v přírodě se nevyskytujících.
Čtěte také: O nanočásticích v přírodě
Takto malé částice představují pozoruhodnou formu hmoty, u níž se již začínají uplatňovat kvantové jevy doposud známé pouze u atomů a molekul. Zvláště výrazné je to u částic menších jak 20 nanometrů, které vznikají procesem zvaným nukleace (tj. kondenzací jednotlivých molekul plynů za vzniku molekulových klastrů).
U částic menších jak 5 nanometrů vytváří již více než polovina všech molekul jejich vlastní povrch, což má velký vliv na jejich chování. Na strukturu částice proto v takovém případě již nelze nahlížet klasickým způsobem, neboť povrch není kontinuem - není možné si ji tedy představovat jako pevnou částečku či prachové zrnko. Vhodnější je přirovnání spíše k pěnovému míčku, který je ve většině svého objemu dutý a je ohraničen povrchovou vrstvou vzájemně spojených molekul mateřské látky. Typickým příkladem může být molekula fullerenu C60, která již sama o sobě je nanočásticí kulového tvaru o průměru okolo 1 nanometru.
Dominantní roli ve vlastnostech nanočástic hraje jejich povrch, na kterém se indukuje elektrický náboj. Čím menší částice je, tím větší roli její povrch hraje. Velmi malé částice jsou proto značně reaktivní a ochotně se spojují do větších celků - agregátů. Tímto procesem, který se nazývá koagulace, dochází ke stabilizaci primárních nanočástic, neboť dochází k energeticky výhodnějšímu rozložení povrchového náboje.
Koagulace je proces spontánní a jeho rychlost závisí na koncentraci aerosolu, převažující velikosti částic a na jejich náboji. Z tohoto důvodu z aerosolu neustále mizí velké množství malých částic a současně vzniká mnoho větších agregátů. Ve velikostním spektru běžného atmosférického aerosolu proto nacházíme dvě charakteristická maxima - jedno okolo 10-20 nm a druhé okolo 200-300 nm, která se objevují i ve spektrech aerosolů tvořených uměle vznikajícími nanočásticemi (např. na pracovištích, pokud se nacházíme v určité minimální vzdálenosti od jejich zdroje).
Výzkumy ukázaly, že nanočástice mají díky svým mimořádným fyzikálním vlastnostem také neobvyklé biologické účinky. Příkladem mohou být nanočástice stříbra, které se již dnes široce využívají pro své vynikající baktericidní a desinfekční účinky. Naproti tomu fullereny byly potvrzeny jako vynikající pohlcovače volných radikálů, a rovněž dokáží ničit vir HIV. S rozvojem znalostí o nanočásticích, zejména o jejich toxikologii, se však také stále více poukazuje na jejich možná rizika pro lidské zdraví.
Čtěte také: Zdroje nanočástic v ovzduší
Důsledky intoxikace lidského těla umělými nanočásticemi nejsou doposud dobře známy, a proto mnoho odborníků oprávněně varuje před jejich masovým rozšířením, zejména pak do produktů denní potřeby (např. do kosmetiky, sportovního zboží, oblečení, opalovacích krémů, prostředků pro dentální hygienu, potravin aj.). V této souvislosti se proto stále více hovoří o tzv. principu předběžné opatrnosti.
Díky své velikosti mohou nanočástice, podobně jako molekuly látek či viry, pronikat do buněk, prostupovat přes nejrůznější biomembrány, účastnit se metabolismu anebo se v těle dlouhodobě ukládat. Z hlediska vstupu představují pro nanočástice nejsnadnější cestu plíce a trávící ústrojí. Nanočástice mohou do těla vstupovat i dermálně, avšak kůže je poměrně účinnou bariérou. Relativně snadno jí však pronikají částice lipofilní povahy.
V dýchacím ústrojí je depozice částic značně závislá na jejich velikosti a na oblasti dýchacího systému, kam pronikají. V horních cestách dýchacích silně závisí na tom, zda k dýchání slouží nos nebo ústa, na plicní ventilaci a na velikosti vdechovaných částic. Vzduch vdechovaný nosem je při svém průchodu přes spirálovité útvary v nosních cestách ohříván a zvlhčován. Největší částice jsou odstraňovány ze vzduchu usazováním a impakcí, nejmenší pak difúzí na nosních chloupcích a v ohybech dýchacích cest. Při dýchání ústy se usazují především velké částice o velikostech jednotek mikrometrů a účinnost se významně zvyšuje se zvyšující se dechovou frekvencí.
Čím je částice menší, tím hlouběji do dýchací soustavy může proniknout. Částice menší jak 100 nanometrů tak pronikají do tracheobronchiální a alveolární oblasti, kde se deponují vlivem difúze. V alveolární oblasti se nanočástice již mohou dostávat do krevního oběhu, neboť stěna alveol je tlustá pouhé 2 mikrometry. Inhalační studie provedené na zvířatech prokázaly, že rychlost přestupu částic touto cestou do krve je značně závislá na charakteru materiálu, který nanočástici tvoří. Kovové nanočástice přechází do oběhového systému rychle, zatímco nekovové nanočástice jen velmi málo nebo vůbec. U jedinců trpících dýchacími nebo oběhovými onemocněními je však prostupnost vyšší a účinek této bariéry se snižuje nebo zcela vytrácí.
Jako odezva na přítomnost cizorodé látky se v tělech všech organismů uplatňuje řada procesů. Proces, který spočívá ve schopnosti transportu nečistot zachycených v dýchacím ústrojí směrem ven, se nazývá clearance. Má dvě fáze. První (rychlá) mukociliarní fáze se uplatňuje v tracheobronchiální oblasti plic, kde se nacházejí bičíkovité buňky, které kmitají a vytlačují za pomocí hlenu zachycené částice směrem ven. Druhá (pomalá) fáze, tj. fagocytóza, všeobecně představuje pohlcování především tuhých částic větších rozměrů (buněk, virů, bakterií, aj.). Fagocytující buňka obklopí částici výběžky své cytoplazmy a uzavře ji do svého nitra, vzniká tzv. fagosom. Dojde ke splynutí fagosomů s primárními lyzosomy a vznikají fagolyzosomy, ve kterých dochází k degradaci fagocytované částice.
Čtěte také: Hlidane v ovzdusi: Co byste měli vědět
Nejsou-li nanočástice účinně zlikvidovány některým z uvedených procesů mohou se prostřednictvím oběhového a lymfatického systému postupně dostat do jakékoli tělesné tkáně, orgánu i do nervové soustavy, v nichž mohou způsobit nevratné poškození či mutace DNA. Doposud diagnostikovaná onemocnění spojená s vdechnutými nanočásticemi jsou astma, bronchitida, rozedma plic, rakovina plic a neurodegenerativní onemocnění jako jsou Parkinsonova nebo Alzheimerova choroba. Nanočástice pronikající trávícím ústrojím způsobují nejčastěji Crohnovou chorobou a rakovinou tlustého střeva. V oběhovém systému jsou nanočástice spojovány s výskytem arteriosklerózy, s krevními sraženinami, srdeční arytmií, srdečními chorobami a dokonce i se zástavou srdce. Potenciální zdravotní důsledky expozice nanočásticím tedy rozhodně nelze podceňovat.
Náležitou pozornost otázkám ochrany zdraví před účinky nanočástic je nutné věnovat především v pracovním prostředí. Zde jsou lidé exponováni po dlouhou dobu a často i nanočásticím tvořenými toxickými látkami. Zmíněná problematika se týká nejen pracovišť ve výrobních provozech či v těžebním sektoru, ale i v administrativě, kde jsou používány klimatizační jednotky a výpočetní technika.
V čistém venkovním ovzduší bychom v centimetru krychlovém napočítali přibližně tisíc nanočástic; v pracovním ovzduší jsou ale jejich koncentrace sto až milionkrát vyšší. S nejvyššími koncentracemi se lze setkávat na pracovištích, kde dochází k tepelným úpravám látek, mletí, řezání, broušení, drcení, přesypávání či spalování. Svou emisní stopu však má také kancelářská technika, klimatizace, vonné tyčinky, kouření, hořící svíčky, či lidé samotní.
Ačkoli by se mohlo zdát, že nejvíce jsou lidé ohroženi na pracovištích, kde jsou v ovzduší dosahovány nejvyšší koncentrace aerosolů, výzkumy ukázaly, že v případě nanočástic tato úměra neplatí. Prokázalo se totiž, že negativní zdravotní účinky nanočástic nekorelují s (hmotnostní) dávkou, kterou exponovaná osoba obdrží, nýbrž jsou spojeny s celkovým povrchem částic, jímž byla daná osoba vystavena. Rozhodující roli tedy hraje velikost částic, méně pak jejich chemické složení, tvar či krystalická struktura. Naproti tomu jejich počet či hmotnostní koncentrace v ovzduší mají až druhotný význam.
V současnosti neexistuje mnoho přístupů, které by v konkrétních rysech definovaly postupy pro analýzu a hodnocení rizik spojených s expozicí nanočásticím na pracovištích. Některé se opírají o klasické přístupy, jiné naopak zavádějí přístupy zcela nové, které však, s ohledem na nedostatek informací o nebezpečnosti nanočástic, jsou pouze orientační.
Analýza rizik souvisejících s expozicí nanočásticím na pracovišti musí předem předpokládat detailní znalost o používaných nanočásticích, informace o jejich toxicitě, úrovni expozice během pracovní doby, při jednotlivých pracovních činnostech a na různých místech pracoviště. Sběr dat před samotnou analýzou rizik je tedy naprosto klíčový a hraje nejdůležitější roli v prevenci rizik. Velmi důležitý je také systematický postup, který by měl být dodržen, aby nebyla některá rizika přehlédnuta. Obecný systémový přístup je schématicky uveden na obrázku 2.
Konkrétní doporučený postup pro analýzu rizik podává například materiál zpracovaný holandským institutem IVAM, který prezentuje výsledky výzkumu prováděného pro odborové svazy FNV, VNO-NCV a CNV v roce 2010. Tento materiál obecně doporučuje dodržet níže uvedené kroky:
Eliminovat riziko zcela není v praxi obvykle možné, a proto je třeba definovat a zavádět taková preventivní opatření, která budou poskytovat požadovanou ochranu zaměstnanců. V případě nanočástic se nejčastěji jedná o tato opatření:
Nejúčinnějšími opatřeními na pracovištích jsou obvykle opatření technická, neboť nejsou závislá na lidském jednání. Proto by jim měla být věnována patřičná pozornost a vždy by měla být navrhována a implementována s ohledem na podmínky v daném provozu. Nejlepší ochranou je, izolace zdroje rizika od okolního prostředí, aby nemohlo docházet k nežádoucím emisím do pracovního prostředí. K tomuto účelu slouží nejrůznější hermetické boxy, boxy s laminárním prouděním, kryty či bariéry. Dalším účinným opatřením je odsávání aerosolů u zdroje jejich vzniku a v neposlední řadě také poskytování osobních ochranných pracovních prostředků. Jako nezbytný se na většině pracovišť jeví také průběžný nebo alespoň periodický monitoring kontaminace ovzduší aerosoly.
Je dobře známo, že prostředí střelnic a jejich blízké okolí je kontaminováno především olovem (Plumbum, Pb) a dalšími těžkými kovy. Složky životního prostředí (atmosféra, půda, voda) kontaminované Pb a jinými těžkými kovy představují vážné nebezpečí pro zdraví všech živých organismů vč. člověka v důsledku povětrnostních vlivů a (bio)chemických reakcí na povrchu olověných střel a jejich (ultra)jemných částic.
Nanočástice těžkých kovů (Pb, Sb, As, Cr) vznikají po zápalu výmetné slože náboje a jsou emitovány do okolní atmosféry po výstřelu a do těla putují inhalačně nebo transdermálně. Nejohroženějšími skupinami jsou z tohoto pohledu stálí zaměstnanci střelnic (instruktoři, obsluha, úklid) a profesionální střelci vč. sportovních s častým výskytem v takto exponovaných místech. Nicméně i členové jejich rodin jsou ohroženi expozicí nanočástic těžkých kovů z povýstřelových zplodin, aniž to vždy tuší.
Hlavními zdroji nanočástic při střelbě jsou složky zápalné/výmetné slože a slitiny ze kterých je vyroben plášť náboje vč. střely (kulky/broky). Nanočástice během výstřelu vznikají většinou buď chemicky, nebo mechanicky třením (interakcí materiálu kulky a hlavně). Zápalka se používá pro spuštění procesu zapálení chemické slože a nejčastěji obsahuje sloučeniny Pb, barium (Ba) a Sb (tricinát (styfnát) olova, dusičnan barnatý a sulfidy antimonu). Historicky platí, že toxicita pro člověka závisí podle Remyho (1961) na množství, délce expozice, pohlaví, věku a zdravotním stavu. U nanočástic se budou uplatňovat ale i další vlivy jako velikost, tvar, chemické složení, pH, teplota ad. Morfologie nanočástic Sb je obvykle sférická nebo plošná.
Antimonové nanočástice jsou nebezpečné pro životní prostředí. Jsou zdraví škodlivé po vdechnutí nebo požití a jsou toxické i pro vodní společenstva. U nanoformy Sb se předpokládá karcinogenita, mutagenita a teratogenita. Sb3+ u bakterií je považován za mutagen. Experimentální údaje ukazují, že i malé množství přijatého antimonu může mít dlouhý biologický poločas, a to zejména v plicích. Toxicita nanočástic antimonu v řadě kovů Cu, Zn, Co, Sb je považována za nejnižší. Nanočástice oxidu antimonitého (Sb2O3) indukují toxicitu erytroidů během vývoje, ale nemají žádný vliv na erythroidní diferenciaci. Výsledky tedy neprokazují cytotoxicitu, ale vykazují toxicitu v buněčných membránách.
Čím jsou nanočástice menší, tím hlouběji se mohou dostat do plic. Částice menší než 2,5 μm prochází až do plicních sklípků, přes stěnu plicního alveolu difundují dál do krve. Částice menší než 100 nm mohou procházet prakticky jakoukoliv živou strukturou. Střelba a povýstřelové doprovodné jevy generují nanočástice těžkých kovů, které představují riziko pro lidské zdraví dermální a inhalační expozicí.
Aerosolové částice vzniklé při střelbě obsahují komplexní směs složek s obsahem kovů a zbytky uhlíku (zejména saze), vytvořené v průběhu exploze střelného prachu. Všechny tyto částice existují v ovzduší po výstřelu přímo na místě (u pistolí) jen velmi krátkou dobu. Proto účinky na zdraví by měly být spojeny s průměrnou expozicí spíše než s maximální koncentrací nanočástic.
Specifický expoziční limit pro nanoformu antimonu není stanoven, ale přípustná mez expozice antimonu a jeho sloučenin (PEL) je 0,5 mg. m -3 (průměr za 8h směnu). Český limit PEL, který je uveden v nařízení vlády č. 361/2007 pracuje s hodnotou PEL 0,5 mg. m -3 a s NPK-P 1,5 mg. m -3. Limit pro oxid antimoničitý, jako Sb je pak uváděn pro PEL 0,1 mg. m -3 a pro NPK-P 0,2 mg. m -3. Pro toxikologii antimonu (bez nanoformy) obecně platí, že chronická expozice antimonu ve vzduchu v množství 9 mg. m -3 může zhoršit podráždění očí, kůže a plic. Průmyslová expozice může vést k příznakům podráždění dýchacích cest a případně až k pneumokonióze (zaprášení plic). Fokální fibróza plic byla pozorována ve studiích na zvířatech. Účinky na srdce, dokonce fatální, byly spojené s dlouhodobou průmyslovou expozici oxidu antimonitého. Hlášeny byly také kardiovaskulární problémy. U potkanů, kteří byly dlouhodobě vystaveni atmosféře s obsahem oxidu antimonitého byl pozorován nárůst v počtu plicních nádorů.
Podle Scotta (2001) dnes existuje celá řada metodik pro snížení znečištění Pb, Sb a jinými těžkými kovy v prostředí vnitřních i venkovních střelnic, vč. ekologického bezolovnatého střeliva nebo lepšího záchytu vystřelených kulek. Pravděpodobně nejslibnější prevencí znečištění životního prostředí je vývoj „zelené“ munice - bezolovnatá zápalka, výmetná slož i vlastní střela. Místo Pb se u nových kulek používá slitina wolframu (W) a cínu (Sn). Wolfram je z hlediska životního prostředí netoxický kov.
Doporučení pro snížení expozice nanočásticím při střelbě:
Protože informace o vlivu nanočástic těžkých kovů na lidské zdraví, vč. antimonu, nejsou stále zcela jasné, je nutná další výzkumná činnost. Pokusy nahradit olovo v palných směsích jinými prvky nebo látkami jsou nutným krokem ke snížení zdravotních rizik. I když povýstřelové zbytky pocházející z netoxické munice neobsahují takové koncentrace nanočástic prvků těžkých kovů jako konvenční střelivo, je nutné brát v potaz, že nezanedbatelná část jich vzniká mechanicky interakcí střely s hlavní zbraně.
Přesto, že existuje značný zájem na substituci Pb a dalších těžkých kovů v zápalkách, dodnes převládá tricinát olovnatý (trinitrorezorcinát olovnatý, TNRO) jako hlavní složka zápalek díky svým jedinečným vlastnostem. Střelba konvenčním střelivem a emise nanočástic těžkých kovů v koncentracích, které jsou spojeny s řadou nepříznivých vlivů na zdraví střelců a obsluhy střelnic je stěžejním tématem výzkumu v řadě zemí vč. České republiky. Hlavním problémem je mj. zvyšující se počet žen a neplnoletých mezi sportovními a rekreačními střelci, kteří nejsou seznámeni s těmito konkrétními riziky, a není jim poskytnuta adekvátní ochrana proti nim.
Primární prevence tohoto rizika vyžaduje vytvoření bezolovnatých zápalek a kulek z jiného materiálu než těžkých kovů. Prevence zahrnuje lepší dohled nad ventilačními systémy v krytých střelnicích a rozvoj větrání nad střeleckým postavením v otevřených střelnicích.
Polétavý prach neboli pevné částice (PM - particulate matter) jsou drobné částice menší než 10 μm schopné volného pohybu v atmosféře. Přirozeně se částice do atmosféry uvolňují při vulkanické činnosti, požárech, erozi, nebo z mořské vody. Mezi antropogenní zdroje pak patří především spalovací procesy. K nejvýznamnějším primárním zdrojům prašnosti patří domácí topeniště a doprava. Velikost a tvar částic se mění. Částice PM10 jsou tvořeny komplexní směsí mnoha různých druhů látek včetně sazí (uhlíku), částic síranů, kovů a anorganických solí jako je i mořská sůl. Významný zdrojem je tzv. sekundární prašnost, zvíření již usazeného prachu (těžba, doprava, stavebnictví). V domácnosti může být zdrojem polétavého prachu například svíčka, lak na vlasy, nebo jen hořící vařič.
Prachové částice jsou palčivý problém současnosti. Vliv prachu na lidské zdraví závisí na velikosti částic, jejich tvaru a chemickém složení. PM10 jsou schopny pronikat do dolních cest dýchacích, částice PM2,5 pronikají do průdušinek, částice PM1 do plicních sklípků. Aerosolové částice obsažené ve vdechovaném vzduchu mají široké spektrum účinků na srdečně-cévní a respirační ústrojí. Dráždí sliznici dýchacích cest, mohou způsobit změnu struktury a funkce řasinkové tkáně, zvýšit produkci hlenu a snížit samočistící schopnosti dýchacího ústrojí. Tyto změny omezují přirozené obranné mechanismy a usnadňují vznik infekce. U prašného aerosolu nebyla zjištěna prahová hranice jeho působení. Předpokládá se, že působení částic PM2,5 se začne projevovat už od koncentrací 5 µg.m-3. Státní zdravotní ústav každoročně vyhodnocuje dopad znečištění ovzduší na lidské zdraví.
Obecný emisní limit pro PM10 není stanoven. Zdroje znečišťování musí být zřizovány a provozovány tak, aby při hmotnostním toku tuhých znečišťujících látek 2,5 kg/h a menším, hmotnostní koncentrace tuhých znečišťujících látek v odpadním plynu nepřekročila hodnotu 200 mg/m3. Pro regiony, kde byly překročeny imisní limity, musí být zpracován program zlepšování kvality ovzduší.
Tabulka: Zařazení látky v seznamu látek pro integrovaný registr znečišťování
| Látka | Doba průměrování | Imisní limit |
|---|---|---|
| PM2,5 | 3 kalendářní roky | 20 µg.m-3 (platí od 1.1.2020) |
tags: #nanocastice #v #ovzdusi #emisni #limity