Tento článek se zabývá problematikou biodegradace, ekotoxicity a nanomateriálů, včetně jejich charakterizace a potenciálních rizik. Věnuje se také chování nanomateriálů v životním prostředí a jejich interakcím s živými organismy. Moderní chemie a fyzika v oblasti nanotechnologií přechází k novým typům experimentů a to ne ve zmenšování mikroobjektů postupem „TOP-DOWN“ (miniaturalizace i při použití suprakulových mlýnů je na hranici svých možností), ale naopak ve výstavbu nanoobjektů z atomů a malých molekul.
Nanotechnologie a nanomateriály
Vědní obor, který se věnuje studiu nanomateriálů (nanočástic), včetně vývoje materiálů a zařízení o nano-rozměrech, se nazývá nanotechnologie. Současné nanotechnologie jsou interdisciplinární vědní obor, které zahrnují klasické obory jako fyzika, kvantová mechanika, chemie, biochemie, elektronika apod. Stavba těchto objektů je založena na intra a intermolekulárních nevazebných interakcích s cílem vytvoření supramolekulárních komplexů velikosti nanočástic. Toto je nový přístup vycházející z principu „BOTTOM UP“ (tzv. směrem vzhůru). Vzhledem ke skutečnosti, že se rozměry nanočástic nacházejí pod hranicí optického rozlišení, stala se důležitým faktorem, který přispěl k rozvoji nanotechnologií, zejména nová technika.
Definice nanomateriálů dle nařízení Evropské komise 2011/696/EU: „Nanomateriálem se rozumí přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt nebo materiál vyrobený obsahující částice v nespoutaném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1 nm - 100 nm.“ [1]. Na to lze navázat definici Nanotechnologie, která se zabývá jejím chováním - oddělováním, spojováním a deformací nanomateriálů. Zjednodušený princip odlišného chování nanomateriálů spočívá v tom, že fyzikálně-chemické vlastnosti pevných látek nejsou stejné uvnitř materiálu a na jeho povrchu.
Při zmenšení částic daného materiálu pod 100 nm začínají fyzikálně-chemické vlastnosti povrchu převládat nad vlastnostmi daného materiálu a částice se začne chovat, jako by celá byla tvořena jen povrchem. Nanočástice našly uplatnění již v době, kdy uživatelé neznali jejich podstatu (skláři, keramika-glazury, chemická katalýza, metalurgie, výroba sazí, apod.). Zároveň je realitou, že se nanočástice nacházejí vedle nás od nepaměti. Vznikají při požárech, erupcích sopek, erozí, chemickým rozkladem organických látek antropogenní činností, tj. např. Zcela zásadní význam měl vynález elektronového mikroskopu, který umožnil spatřit a identifikovat trojrozměrnou strukturu nanočástic. Následné konstrukční změny elektronového mikroskopu v 80. a 90. letech 20. stol.
O nanotechnologiích se hovoří jako o fenoménu konce 20. a počátku 21. stol. Tomu odpovídá i obrovský nárůst podpory výzkumu v dotčených oblastech, a proto lze učinit závěr, že život nanotechnologie bude mít v budoucnu podstatný dopad na světovou ekonomiku. Do chodu jsou uváděny nové nanotechnologické společnosti, které využívají tzv. rizikový kapitál. Lze tedy těžko najít oblast, kde by nedocházelo k aplikacím či výzkumu v oblasti nanotechnologií. Ať chceme, či nechceme, setkáváme se s produkty v běžném každodenním životě například zubní pasty, krémy na opalování, deodoranty, šampony, kosmetické pleťové a antibakteriální přípravky apod. Oblastí s nejvyšší vývojovou aktivitou je elektronika, informatika a medicína.
Čtěte také: Ekologické přednášky
Po záporných zkušenostech s některými látkami (např. DDT, PCB, dioxiny apod.) se světová veřejnost snaží apelovat na výzkumná centra i výrobce, aby v případě nanomateriálů a nanotechnologií zachovávali tzv. princip předběžné opatrnosti.
Rizika spojená s nanomateriály
První dva potenciální zdroje nebezpečí [4-6] spolu velmi úzce souvisí, protože právě výskyt nanočástic ve složkách životního prostředí umožní jejich kontakt s živými organismy. Přítomnost nanočástic v živém organismu navozuje řadu interakcí mezi jejich povrchem a biologickými systémy. Tyto interakce mohou vést ke vzniku proteinových koron, obalování částic, vnitrobuněčné absorpci a biokatalytickým procesům, které mohou mít kladné či záporné výsledky z pohledu toxicity. Dochází k prolínání organického světa se syntetickým světem vyrobených nanomateriálů.
Vznikají nano-bio rozhraní spojená s dynamickými fyzikálně-chemickými interakcemi, kynetickými a termodynamickými výměnami mezi povrchy nanomateriálů a povrchy biologických komponent (bílkoviny, membrány, lipidy, DNA, biologické tekutiny apod). Z rešeršní práce [4-5] vyplynulo, že je jen málo vědomostí o tom, co se s nanočásticemi děje uvnitř buňky. Analýza chování a osud nanočástic v životním prostředí je rovněž komplikován, protože je mnoho neznámých faktorů a vlivů. Toto jsou jejich vlastnosti, se kterými vstupují do vnějšího prostředí. V ovzduší hraje roli tzv. abiotický faktor vlivu, pod který lze zahrnout teplotu, vlhkost, sanitu, intenzitu slunečního záření, smog polutanty anorganického a organického původu, apod.
I u půdního prostředí musíme vzít v úvahu jeho fyzikálně chemickou charakteristiku. Aby půda byla půdou, musí obsahovat tuhou, kapalnou a plynnou fázi. Tuhá fáze (složka) obsahuje minerální podíl (primární a sekundární minerály) různého zrna (dělení podle obsahu frakce 0,01 mm) a organický podíl - půdní organická hmota. Základem této hmoty jsou huminové látky, což jsou směsi polydisperzních sloučenin s vysokou molekulovou hmotností s aromatickou a alifatickou částí s funkčními skupinami -COOH, -OH, fenolické -OH, -NH2, N-heterocykly apod. Základní dělení huminových látek je podle rozpustnosti v závislosti na pH.
Fulvinové kyseliny jsou rozpustné ve vodě, huminové kyseliny v zásaditém prostředí a huminy jsou zcela nerozpustné ve vodě. Půdní voda, též nazývaná půdním roztokem, může obsahovat fulvinové kyseliny, fytoextrakty s látkami polyfenolové struktury, glycidy, ionty apod. Mezi autory [7] zabývajícími se toxicitou nanomateriálu je vcelku shoda, že je to hlavně plocha nanočástic, která je hybnou silou bioaktivity. Největším problémem však zůstává, že získáme-li poznatky o konkrétním nanomateriálu, nemusí být vůbec pravdivé, budou-li tyto samé částice vyrobeny jinou syntetickou cestou nebo budou-li modifikovány.
Čtěte také: Česká republika: životní prostředí a ekonomika
Dalším problémem je charakterizace jejich povrchů jednoduchým a dostupným měřícím zařízením. Rovněž se předpokládá, že přírodní nanočástice se budou chovat odlišně od tzv. „ing-nanočástic“ - tj. Zůstává otázkou, zda tradiční přístupy (metodiky) hodnocení rizik, tj. identifikace nebezpečí, popis nebezpečí a konečná charakteristika rizika pokryjí celou složitou problematiku spojenou s nanotechnologiemi. Toto hodnocení bude pravděpodobně ovlivněno např. formou vyráběného nanomateriálu (jedná se o nanočástice, nanotyče a nanovrstvy) či skutečností, že je nanomateriál ve výrobě začleněn do jiného výrobku.
Nepochybně bude řešit, jakým způsobem je zajištěna bezpečnost výroby, bezpečnost pracovníků ve výrobě a v případných dalších zpracovatelských zařízeních, zda je ohrožena veřejnost v blízkosti výroby a zpracovatelských zařízení, zda a případně jakým způsobem je ohrožen spotřebitel, jaká mohou být rizika spojená s likvidací či recyklací nanoproduktů apod. Fyzikálně-chemické nebezpečí představuje především výroba nanočástic systémem „TOP-DOWN“, kdy nanočástice vznikají mechanickou cestou tj. např. broušením, řezáním, supermletím apod. Zde je nutné si připomenout a uvědomit, že nanočástice jsou přítomny v podstatě ve všech prašných provozech, kde dochází například k obrábění kovů, opracování dřeva, mletí, broušení, svařování, apod.
Obecně je pro prachovzdušné směsi typické, že nejsou v čase ani místě stálé, nejsou homogenní. Na výbušnost prachu má podstatný vliv velikost částic. Obecné riziko výbuchu se zvýší snížením velikosti částic. Řada nanočástic například Fe, Ni, Al, Mn, Co podléhá samovznícení a díky svému velikému povrchu jsou katalyticky aktivní a tím mohou iniciovat nekontrolovanou reakci s exotermním průběhem. Zvláštní riziko představují nanočástice ve formě aerosolu, tedy ty, které jsou suspendovány ve vzduchu. Vdechováním aerosolu nanočástic vede k jejich depozici v dýchacím ústrojí člověka, ale lze předpokládat, že v závislosti na průměru, ploše, povrchu apod.
Zdravotní rizika nanočástic lze z logiky věci, aproximovat na dlouhodobé zkušenosti s ultrajemnými částicemi, které při vdechování měly za následek zvýšení výskytu respiračních a kardiovaskulárních chorob. Zásadní rozdíl oproti mikro částicím, je v tom, že nanočástice mohou procházet do buňky řadou endocytických procesů, zejména fagocytózou a makropinocytozou. Z historie lze doložit řadu příkladů, kdy rozvoj a aplikace nových technologií (využití nových sloučenin) mělo v daném období a při daném stavu znalostí opodstatnění a společenský a ekonomický význam, viz výroba freonů, DDT, asbestových izolačních hmot apod. I v dnešní době se v případě freonů (ledonů) vedou diskuze, kolik životů toto chladící medium zachránilo (například válečné konvoje, potravinová pomoc).
Ve výzkumech aktivních nanotechnologií lze najít oblasti, které se již dnes dají zneužít, například jako nosiče rizikových a vysoce rizikových biologických agens s cílem zvýšení jejich rezistencí. U veřejnosti, a to díky novinářům a autorům sci-fi literatury, lze identifikovat dva krajní přístupy - futorologové, kteří považují nanotechnologie jako za základ budoucího blahobytu a trvalého života a fanatiční odpůrci nanotechnologií. Uvědomujeme si, že začínají převažovat studie a výzkumné práce o vlivu ing-nanosloučenin na životní prostředí oproti vlivu přírodních a tzv. antropogenních nanočástic. Toto je logicky způsobeno obrovským rozvojem nanotechnologií.
Čtěte také: Prezentace: Komunální odpady a skládky
Většina syntéz nanočástic, či nanomateriálů probíhala ve výzkumných centrech vybavených špičkovou instrumentální technikou, kde vedle identifikace fyzikálně-chemických vlastností a hledání unikátních aplikací, většinou následují i testy bioaktivity, a tím vzniká základní návaznost na toxicitu, resp. Člověk se při běžném životě vystavuje kontaktu s nanočásticemi o rozdílných koncentracích, se zvýšenou koncentrací nanočástic se může setkat na určitých místech (industriální část města) či při určitých činnostech (sportovní střelba, kouření, ohňostroj) nebo při práci v „klasických“ provozech, viz níže.
Z těchto důvodů uvádíme některé postřehy z provedených měření koncentračních zněn nanočástic v „běžných“ situacích a semi-systematické měření ve vybraných provozech, kde jsme se snažili přijmout i exaktní závěry s následným doporučením. Níže uvádíme schéma doporučeného postupu při tzv. I při měření koncentrace a distribučního rozložení nanočástic v tzv. „běžných situacích“ jako je jízda v pražském metru - trasa C, jízda městským autobusem linkou č. 189, okolí městské části Kačerov při jízdě v osobním automobilu, v administrativní budově, malém požáru, výfuk od dieselových motorů, zábavní pyrotechnika, sváření, střelbě, apod.
Jednoznačně nelze definovat malé navýšení množství nanočástic v závislosti na obsazenosti vagonu metra. jízda městským autobusem linkou č. Koncentrace nanočástic, kterým jsou vystaveni cestující na trati linky autobusu MHD č. 189 má o řád vyšší hodnotu než v metru na trase C (max. 36,7.103 N/cm3 v metru, 260.103 N/cm3 v autobusu). Pravděpodobně nejrizikovější částice mají rozměr do 50 nm, a to z důvodu jejich možnosti překonat ochrannou bariéru buňky. Částice těchto rozměrů byly přednostně identifikovány v okolí lokality Kačerov, což je opět lokalita nájezdu na Pražský okruh a D1.
Při měření v pracovnách v patrech nad sebou v traktu ul. Extrémní nárůst počtu nanočástic je v pracovně, kde se pravidelně kouří. Byla prokázána změna koncentrace a velikosti nanočástic v závislosti na vzdálenosti od jejich zdroje. Rozměr nanočástic při zapálení zábavné pyrotechniky je nad 100 nm, což je údaj změřený v relativně velké vzdálenosti od zdroje. Při střelbě nejvíce nanočástic ohrožuje střelce při použití revolveru (typ: Colt King Cobra - průměrný počet částic 825 tis. N/cm3) a nejméně u samopalu (typ: H&K MP5 KA4 - průměrný počet částic 81 tis.
Hlavní zdroj mikro a nanočástic bylo broušení dřeva Massaranduba na pásové brusce (obr. č. Hlavní riziko představoval tvar nanočástic, které byly ve tvaru ostrých jehliček (nejvíce od dřeva Massaranduba (obr. č. 2) koncentrace a distribuční rozložení (obr. č. Změna tvaru nanočástic u přelévání surového železa závisela na venkovní teplotě. V zimním období krásné kulové částice (potenciálně nižší toxicita) viz obr. č. V ovzduší byly identifikovány nanočástice řady těžkých kovů, zároveň nanočástice s atypickým složením a tvarem (obr. č. 10, obr. č.
Máme k dispozici stovky originálních separátů publikovaných k toxicitě a ekotoxicitě nanočástic. Zestručnění příspěvku nám neumožnilo u každého uvedeného faktu poskytnout citaci a diskuzi. Uvedená fakta jsou podložena a my se s nimi ztotožňujeme. U příkladu semi-systematických měření uvádíme pouze ilustrační zlomek získaných výsledků. Tak například v truhlářském provozu bylo distribuční rozložení nanočástic měřeno u všech dřev, a to i při dalších technologických operacích (řezání, frézování, vrtání, apod.), kde byl prováděn odběr nanočástic pro analýzu tvaru pomocí elektronového mikroskopu, dále byl sedimentovaný povrch chemicky analyzován (měřena infračervená ATR spektra technikou FT-IR), testován na tepelnou odolnost (GTA - termogravimetrická analýza/DSC - diferenční kompenzační kalorimetrie), extrahován, apod.
Biodegradace a ekotoxicita
Problematika biologické rozložitelnosti organických látek ve vodách z hlediska ochrany životního prostředí. Principy biologické rozložitelnosti v aerobních a v anaerobních podmínkách. Další procesy týkající se biologické rozložitelnosti. Metodika stanovení aerobní a anaerobní rozložitelnosti. Vztah mezi biodegradabilitou a toxicitou organických látek. Specifikace toxicity/ekotoxicity, baterie testů toxicity, využití testů toxicity v praxi (legislativní souvislosti a případové studie).
tags: #přednášky #biodegradace #a #ekotoxicita
Oblíbené příspěvky:
Kontakt
Zelaná Hrebová, z.s.
[email protected]
IČ: 06244655
Paskovská 664/33
Ostrava-Hrabová
72000
Bc. Jana Veclavaková, DiS.
tel. 774 454 466
[email protected]
Jaena Batelk, MBA
tel. 733 595 725
[email protected]