Экология/6. Экологический мониторинг

Д.т.н., профессор Анциферова И.В., Павлова О.В.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Россия

Природные и случайно образованные наночастицы в окружающей среде

Мы живем в окружении миллиардов наночастиц. Они существуют в космосе, атмосфере, гидросфере, горных породах и магмах [1]. К настоящему времени кроме естественных источников поступления наночастиц существует множество источников ненамеренного антропогенного загрязнения окружающей среды. С началом эры нанотехнологий к ним добавляется целый ряд намеренно созданных источников поступления нанообъектов в различные природные среды.

Источники поступления наночастиц в окружающую среду [2]:

Природные	Антропогенные
	Ненамеренные	Намеренные
Кластеризация в газах и образование аэрозолей	Сжигание топлива в двигателях, на энергостанциях и т.д.	Сконструированные нанообъекты
Лесные пожары	Сжигание мусора	Фуллерены
Вулканические выбросы	Сварка, пайка	Нанотрубки
Пыль, поднятая с поверхности, взмучивание вод	Добыча полезных ископаемых, карьеры, шахты	Неорганические нанокристаллы, квантовые точки
Вирусы	Бытовые отходы		Лекарства «точного» действия
Продукты жизнедеятельности (пленки, коллоиды и т.д.)	Промышленное производство, строительство		Нанопленки, мицеллы, коллоиды
Биообъекты (пыльца растений, споры, бактерии и т.д.)	Приготовление пищи и другие бытовые нужды		Применение наноматериалов в быту

Случайно образованные наночастицы вызывают беспокойство, их очень сложно контролировать.

Наночастицы в космосе образуются при физических процессах, включающих импактный механизм, а также электрические разряды и реакции конденсации, происходящие в солнечной туманности.

Еще 15 лет назад американцы на своих космических кораблях собрали протопланетную пыль. При ее изучении в земных лабораториях оказалось, что эта пыль имеет размеры от 10 до 150 нм. Ученые сделали химический анализ пыли и отнесли ее к углистым хондритам класса С1. Позже они пришли к выводу, что, по крайней мере, планеты земной группы Солнечной системы произошли из наночастиц, состав которых отвечает углистым хондритам.

Советские космические корабли доставили на Землю лунный грунт. Большей частью он состоит из реголита. Реголит - продукт переработки коренных лунных пород космическими агентами: солнечным ветром, галактическим излучением, микро- и макрометеоритной бомбардировкой и кометными ударами. Лунный реголит миллиарды лет подвергается воздействию так называемого солнечного ветра. На Луне солнечный ветер - это протоны или ядра водорода. Под воздействием этих протонных бомбардировок происходит аморфизация поверхности лунного грунта или, другими словами, поверхностные слои реголита (металло-окислы) превращаются в наночастицы [1].

Кроме этого, такие элементы, как кремний синтезируются в звездах, они находятся в виде наночастиц в звездной атмосфере, в межзвёздном пространстве и постоянно опускаются на Землю [3].

Наночастицы в атмосфере.

. Нефильтрованные выхлопные газы с дизельным двигателем содержат потенциально большое количество вредных веществ в результате неполного сгорания горючего. При сгорании дров в домашнем камине образуются фуллерены или нанотрубки. Достаточно одного лесного пожара, чтобы образовалось целая гамма фуллеренов, нанотрубок, графенов.

Один из источников образования наночастиц – пылевые бури Сахары, которые разносят столько песка над океаном, что он виден из космоса. Пыль Сахары состоит из наномаштабных смешанных оксидов кремния, алюминия, титана, железа, калия и кальция. Пыль Сахары содержит железистые соединения, которые удобряют морские регионы, в которых она оседает. В результате этого быстро растущие водоросли производят диметилсульфид, молекулы которого образуют в воздухе мелкие кристаллы, тоже наночастицы.

Самыми крупными поставщиками наночастиц на большие высоты в атмосфере служат вулканы (вулканическая пыль) [2].

Еще одним пример наночастиц в атмосфере - вирусы. Например, если размеры бактерий исчисляются микрометрами, то большинство вирусов имеют размеры от 10 до 200 нм. Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли от 1 до 4 млн человек, представляет собой сферу диаметром от 80 до 120 нм (рис. 1).

Рисунок 1 - Вирус гриппа H2 N2 (диаметр около 100 нм) [4]

Наночастицы в гидросфере образуются большей частью в вершинах, так называемых «черных курильщиков». Гидротермальные растворы - это наночастицы. Но, соединяясь с холодной водой (а их температура около 400°С), они обращаются уже в видимые частицы.

Высокие уровни наноминерализации связаны с зонами разгрузки флюидно-гидротермальных горячих источников (жерла "черных курильщиков"), которые смешиваются с холодной водой. Из них образуются рудные месторождения [1].

Частицы железа, находящиеся в морской воде, тоже собираются в наночастицы в виде магнитотактических бактерий. Они образуют цепи из наномасштабных кристаллов магнетита. На это есть веские причины, так как магнитные цепи действуют как компасные стрелки, направляющие бактерии по наклонному геомагнитному полю в различные слои воды. При попадании в эти слои бактерии сохраняют свои основные свойства. Бактерии опускаются на морское дно в таком количестве, что они могут считаться ответственными за формирование месторождений железной руды. Как только бактерии опускаются на дно, они располагаются параллельно к имеющемуся геомагнитному полю и, тем самым, навсегда фиксируют его направление. Так, наночастицы стали свидетелями, так называемого спрединга морского дна (Seafloor spreading) – подвижки земной коры на дне океанов. Из этого можно сделать вывод: магнитные частицы всегда присутствовали в достаточном количестве. При купании люди могут наглотаться их даже в пресной воде, так как магнитотактические бактерии имеются повсюду [2].

Наночастицы в горных породах. При процессах химического выветривания образуются аморфный или опаловидный кремнезем, водные алюмосиликаты (аллофан), алюмосиликатные глины (галлуазит), оксиды (магнетит, гематит), гидрооксиды (гетит). Процессы ретроградного метаморфизма приводят к таким реакциям, когда, например, биотит в твердом состоянии переходит в хлорит, вермикулит, смектит и т.д. Процессы преобразования терриконов приводят к тому, что наноминеральные ассоциации стекловатых и раскристаллизованных фаз поликомпонентного состава находятся в метастабильном состоянии. При выделении полезных ископаемых образуются так называемые пустые породы, в том числе и с примесью благородных металлов. И в этих, вроде бы пустых, отвалах, образуются вторичные месторождения за счет самоорганизации благородных металлов. В первую очередь - золото и серебро. И уже через 20 лет эти "пустые" терриконы преобразуются во вторичные месторождения [1].

Литература:

1. О.А.Богатиков. Неорганические наночастицы в природе.//Вестник Российской академии наук. – 2003.т.73.№5 – С.426.

2. Анциферова И.В. Источники поступления наночастиц в окружающую среду.//Vestnik.pstu.ru. - 2012. - С.55-56.

3. Матиас Шуленбург. Наночастицы – крохотные частицы с огромным потенциалом. VDI Technologiezentrum GmbH. – 2008. – С.8.

4. Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. М.: Эксмо. - 2009. - С. 256.