Лекция "Экологические последствия использования наноматериалов"

Лекция «Экологические последствия использования наноматериалов» от  

 наставника наноквантума.

Тема: Экологические последствия использования наноматериалов

Педагог д/о: Дружинина Светлана Николаевна

Цель: Изучить экологические последствия использования наноматериалов

Задачи:

1.     Узнать, что такое нанотехнологии и нановещества.

2.     Познакомиться с перспективами развития нанотехнологий

3.     Определить экологические риски, связанные с применением нанотехнологий

4.     Определить основные методы, необходимые для снижения воздействия на экологию

Планируемый результат:дети будут знать пользу и вред нанотехнологий, в том числе и экологические последствия использования наноматериалов.

Оборудование и материалы:

Лекция включает в себя 3 части:

1.Вступительная-5мин

2.Основная-30мин

3.Заключительная-5мин

План лекции:

1.Определение «нанотехнологии» и «наноматериалы»

2.Современное развитие нанотехнологий

3.Влияние нанотехнологий на экологию

4. Методы, необходимые для снижения воздействия на экологию

5.Вывод

Ход лекции:

Вступительная часть: Здравствуйте. Меня зовут Дружинина Светлана Николаевна. Я являюсь педагогом наставником наноквантума  омутнинского технопарка «Кванториум». Сегодня предлагаю обсудить такой вопрос как, Экологические последствия использования наноматериалов. В ходе лекции мы сможем узнать, что такое «нанотехнология» и «наноматериалы», выяснить применение этой науки в различных отраслях . Определить экологические риски, связанные с применением нанотехнологий и методы, необходимые для снижения воздействия на экологию.

Экологическая проблема — одна из глобальных проблем современности. Она тесно связана с вопросами ресурсодефицитности, экологической безопасности и экологического кризиса.

Проблема экологии занимала человечество с давних времён. А с ростом прогресса, соответственно, загрязнением окружающей среды, проблемы экологии становятся всё более важными.  Нанотехнология – новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения, в том числе и для экологии.

Главная проблема в том, что наночастицы проникают сквозь абсолютно все очистительные фильтры, которые существуют на наш день.  Так как использование нанотехнологий становится всё более активным, произойдёт и некоторая революция в экологии. Будут создаваться специальные фильтры, задерживающие наночастицы. Поэтому предлагаю рассмотреть этот вопрос более подробно. Но сначала давайте разберем, а что же такое нанотехнологии и наноматериалы.

Основная часть:

Нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул. Наноматериалы-материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами, которые обусловлены присутствием этих частиц в материале.

Они могут быть как природные, так и искусственные. Например, всем нам известен такой металл, как золото. А знаете ли вы, что такое нанозолото? Благодаря присутствию в нем наночастиц, оно обладает магнитными свойствами, поэтому его применяют при лечении онкологических заболеваний для адресной доставки лекарств, а при добавлении их в воду можно получить «живую воду».

Можно привести и другой пример. Тоже всем известный металл алюминий. Свойства нанопорошка алюминия отличаются от свойств обычного порошка этого металла. Например, температура плавления обычного порошка алюминия 1000гр, а нанопорошк выше на 70%. Также, при добавлении его в др сплавы, значительно повышается его прочность.

Таким образом, изучая такие вопросы, как нанотехнологии и нановещества, мы говорим о том, как это здорово. Благодаря таким современным технологиям значительно улучшается качество жизни человека, облегчается быт, модернизируется техника на предприятиях и т.д. НО все ли так хорошо, есть ли отрицательные стороны у данных технологий? Не нужно забывать, что чем меньше частица, тем она активнее, поэтому повышается риск ее применения. Поэтому, несмотря на впечатляющие перспективы применения нанотехнологий, на уникальные физико-химические свойства наночастиц, материалы на их основе не могут не вызывать опасений в отношении их биологической совместимости и возможных негативных последствий взаимодействия с живыми организмами.

Необходима уверенность в том, что внедрение в практику нанотехнологий и использование наноматериалов не создаст дополнительных проблем в будущем, как это уже случалось прежде. Достаточно, например, вспомнить губительные для озонового слоя атмосферы последствия широкого применения хлорфторуглеродов или материалов на основе асбестовых волокон. Таким образом, для дальнейшего развития и применения нанотехнологий требуется не только изучение физико-химических свойств самих наноматериалов, но и четкое понимание механизмов их поведения в биологических системах.

Бизнес, правительства, ученые (университеты, НИИ) во всем мире в последние 20 лет включились в гонку по коммерциализации, продвижению на рынок нанотехнологий и наноматериалов (наноразмерные химические вещества). Первоначально, когда это ограничивалось переходом от микроэлектроники к наноэлектронике, то это не содержало в себе такие опасности и риски, как это стало с проникновением нано- в фармацевтику, медицину, питание, текстиль, косметику, т.е. с тем, с чем сталкивается человек в повседневной жизни.

 Рассмотрим сферы внедрения нанотехнологий.

Примеры применения нанотехнологий сегодня. В энергетике – солнечные батареи, аккумуляторы, топливные элементы, экономичные источники света. В медицине - экспресс-диагностика, нанолекарства и нановакцины В автомобилестроении – добавки в топливо и масло, покрытия для деталей двигателя и новые лакокрасочные покрытия .Использование новых свойств вещества – это новые возможности для развития электроники, энергетики, химии, информационных технологий, фармацевтики и многих других областей науки и индустрии. Идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований — квантовые компьютеры, недорогая генетическая диагностика — через 10-15 лет будут реализованы в коммерческих продуктах «Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека»

1.В медицине

Нанокапсулы с помещенным в них препаратом могут осуществлять его адресную доставку, «настраиваясь» на определенные виды клеток, не задевая остальные. При наноразмере частиц серьёзно возрастает биодоступность препаратов в их составе, качественно изменяется их всасывание и распределение в организме, что способствует повышению эффективности их действия и снижению побочных проявлений. Развитие нанотехнологий в медицине позволяет успешно реализовать качественно новый уровень диагностики и лечения заболеваний. Нанотехнологии в медицине

2.В биологии

Нанотехнологии в биологии Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Создание биороботов. Они могут мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку.

3. Нанотехнологии в косметике .

При помощи нанотехнологии можно реально выглядеть на 15-20 лет моложе. В состав косметических средств будут включены наносферы, которые обладают способностью проникать в глубокий подкожный слой. При помощи нанотехнологии разглаживаются морщины, рубцы, устраняются прыщи, угри.

4.Нанотехнологии в военном деле. Нанотехнологии не только сделают средства массового уничтожения супермикроскопических размеров, но и миниатюризируют средства их производства. Гонка нанотехнологических вооружений, если такая возникнет, может привести к гибели человеческой цивилизации Наноснаряд Пуленепробиваемый пластик.

5. Нанотехнологии в пищевой промышленности.

 К настоящему времени в мире освоен выпуск более 500 наименований пищевых продук- тов с использованием нанотехнологий и более 90% из них на основе молока или его компонентов. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики, полимеров, органических веществ. Наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма, клеткам полезных веществ.

6. Нанотехнологии в космосе .

Ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Робот-амеба для освоения планет К ключевым направлениям микроминиатюризации космонавтики следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации

Появляются все большие свидетельства (исследования независимых ученых), что эта безусловно новая технологическая революция в области материалов представляет определенную угрозу для здоровья и безопасности человека и окружающей среды и может вызывать в будущем серьезные проблемы. Те кто разрабатывает нанотехнологии, ставит на производство, производит продукцию и продвигает ее на рынок, с гораздо меньшими затратами и менее интенсивно изучают возможные негативные последствия от нанотехнологий и наноматериалов.

Правительственная поддержка исследований в области нанотехнологий в США, Европе и Японии уже превышает триллионы долларов США.

Механизмы контроля и минимизации рисков необходимы, чтобы избежать повторения ошибок с прошлыми технологическими революциями.

Наноматериалы утилизируются и попадают в окружающую среду без системного изучения их влияния на природу, в отсутствии систем контроля, приборов слежения и обнаружения и средств и методов их превращения в окружающей среде.

Основные методы, необходимые для снижения воздействия на экологию

1. Принципы предостороженности

В решении такой важной проблемы, как снижение рисков от нанотехнологий и наноматериалов, категорически необходимо применять принцип предостороженности. Для этого необходимо разработать и применять механизмы использования обязательного контроля с учетом специфики нанотехнологий и уникальные свойства наноматериалов. Эти механизмы должны предусматривать проведение исследований наиболее серьезных рисков и немедленного принятия мер, чтобы смягчить возможный ущерб от использования конкретных нанотехнологий и наноматериалов, пока не будет доказана их безопасность. Аналогичные меры должны приниматься по отношению к окружающей среде.

Разработчики и производители обязаны обеспечить эффективность технологии и продуктов и нести ответственность за любые негативные последствия. Государственным органам и всем другим организациям необходимо разработать и привести в реальное действие на практике механизмы контроля, которые должны стать нормой для общества.

Принцип предостороженности определяется декларацией следующим образом: «Если какая-либо деятельность может предоставлять угрозу здоровью людей или окружающей среде, должны быть приняты меры предостороженности, даже если не установлены полностью причинно-следственные связи («не навредить»). Бремя защиты возлагается на изготовителей и на распространителей (в широком смысле)». «Без данных о безопасности - нет пропуска на рынок».

До начала продвижения продукции на рынок необходимо определить порядок оценки жизненного цикла наноматериалов.

Должны быть использованы самое безопасное сырье, наиболее безопасные процессы и приборы.

Принцип предостороженности обязательно должен применяться к нанотехнологиям, т.к. уже имеющиеся объективные исследования указывают на то, что, по крайней мере, некоторые наноматериалы и нанотехнологии могут причинить вред здоровью человека и окружающей среде.

Чрезвычайно малые размеры (10^-9м) искусственных, рукотворных* наноматериалов могут и придают им новые потенциально и реально полезные физические, химические и биологические (в том числе лечебные) свойства; в тоже время, как следствие этого, высокая реакционная способность, подвижность, фотоактивность и другие свойства могут способствовать их повышенной токсичности. Потенциальную токсичность наноматериалов не представляется возможным с теоретической точки зрения предсказать исходя из токсичности объемных материалов такой же химической природы. У наноматериалов она практически всегда выше.

2. Обязательное специальное регламентирование нанотехнологий

Действующие в настоящее время законодательства ни в одной стране не позволяют обеспечить надлежащий контроль за наноматериалами. Необходимо разработать специальную нормативную базу, учитывающую особенность нанотехнологий и наноматериалов. Это надо сделать правительственным органам и в кооперации с независимыми общественными организациями.

Если в государстве существуют регулирующие системы, то до появления специальных в них необходимо внести изменения, которые позволят применить их к наноматериалам, как временную меру, пока не начнут действовать постоянные специальные регламенты по отношению к нанотехнологиям и нанопродуктам.

С учетом новых свойств наноматериалов и связанных с ними рисков, они должны классифицироваться как новые вещества для целей оценки и регламентации.

3. Охрана здоровья и безопасности населения и рабочих, производящих наноматериалы

Благодаря своим очень малым размерам, наночастицы могут проникать через биологические мембраны и попадать в клетки, ткани, органы легче, чем более крупные частицы. При вдыхании они могут попадать из легких в систему кровообращения и далее проследовать по всему организму. Тоже происходит при попадании наночастиц в желудочно-кишечный тракт. Возможно проникновение наночастиц не только через поврежденную кожу, но и через неповрежденную и даже в кровоток. По кровотоку наночастицы могут циркулировать по всему организму и накапливаться в органах и тканях, включая мозг, печень, сердце, почки, селезенку, костный мозг, нервную и лимфатическую системы.

Попадая внутрь клетки, наночастицы могут нарушать функционирование клеток, вызывать вредные окислительно-восстановительные реакции, приводящие даже к смерти клеток.

Поэтому необходимо оградить работников, производящих наночастицы, наноматериалы на их основе и потребителей от вредного воздействия, как и всю живую природу. Те, кто занимается исследованиями, разработками, производством, упаковкой, погрузкой, транспортировкой, хранением, использованием, утилизацией наноматериалов будут потенциально подвержены наибольшему риску вредного воздействия.

Все государства без исключения недостаточно внимания уделяют проблеме негативных последствий, контролю и принятию регламентирующих документов по данной проблеме. Во всяком случае, ассигнования на исследования, производство и коммерциализацию нанотехнологий значительно превосходят затраты на контроль за рисками в сотни раз.

Значительное число исследователей, студентов, аспирантов занято в различных направлениях по созданию и изучению наноматериалов. Все они могут быть потенциальными и реальными объектами вредного воздействия наночастиц. И, несмотря на это, ни в одном международном или национальном стандартах по безопасности производства и охране здоровья нет специальных разделов по нанотехнологиям и наноматериалам, нет и принятых стандартных методов для измерения воздействия наноматериалов на людей, занятых их производством.

Работодатели на этих производствах должны использовать ранее описанный принцип предостороженности. Работник и их представители (реально профсоюзы) должны участвовать во всех вопросах, связанных с обеспечением безопасности и охраны здоровья на производствах, производящих наноматериалы.

Не ведется и целенаправленная подготовка специалистов по проблемам нанотехнологических рисков.

4. Охрана окружающей среды

Для разработки регламентирующих документов по экологическим проблемам использования нанотехнологий и наноматериалов необходимы систематические исследования по оценке жизненного цикла наноматериалов, включая их разработку, производство, транспортировку, применение изделий, переработку и утилизацию: перед продвижением продукта на рынок необходимо оценить воздействие полного жизненного цикла наноматериалов на окружающую среду, здоровье и безопасность людей.

Попадающие в окружающую среду искусственные (чаще всего искусственные материалы, не производимые самой природой, не дружественны ей и очень трудно биологически разлагаются или усваиваются) наночастицы и наноматериалы представляют собой особый беспрецедентный класс промышленных загрязнений. Их особый вред может быть связан с необычными свойствами веществ (из которых их производят), включая их мобильность и устойчивость в почве, воде, воздухе; бионакопления, непредсказуемое взаимодействие с химическими и биологическими материалами.

Даже отдельные, несистемные исследования в этом направлении настораживают. Например, доказано, что наноразмерный алюминий в большой концентрации останавливает рост корней пяти с/х культур; побочные продукты производства одностенных углеродных нанотрубок повышают смертность и задержку развития мелких ракообразных, а наносеребро наносит вред не только вредным, но и полезным микроорганизмам.

Потенциальные экологические риски пока еще не выявлены, т.к. системные исследования не проводились.

Отсутствуют, или их недостаточно, аппаратура и методы слежения за наноматериалами в полном цикле производства, применения и в окружающей среде.

Вывод. Таким образом, нужно отметить, что дальше будет происходить радикальное преобразование современного производства, всех сфер жизни человека под воздействием нанотехнологий.

Однако эти перспективы останутся не реализованными без действенного контроля за негативными последствиями от использования нанотехнологий. Вернее изменения будут существенными, но в них будут преобладать реальные вредные последствия.

Эти технологии междисциплинарные и межотраслевые и поэтому от них можно ждать успехов и рисков во всех сферах деятельности человека.

В настоящее время в мире производится 2000 оригинальных наноматериалов. За 10 лет их использования не один вид из них не был изучен в полном объеме на безопасность.

Наноматериалы могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье населения, поэтому параллельно с созданием новых классов наноматериалов и изучением их свойства происходит формирование государственной политики в сфере нанотехнологий и стратегии их дальнейшего развития в мире в целом и в каждой отдельной стране в отдельности. Опасения относительно токсичности наноматериалов напрямую связаны с их размерами, обусловливающими высокую химическую активность и высокую способность проникновения в организм. Наночастицы настолько малы, что легко транспортируются как в человеческое тело, так и в окружающую среду. Например, некоторые наночастицы (типа меди или серебра) могут быть вредными для водной среды.

Удаление же наночастиц из окружающей среды может представлять существенную проблему. Частицы могут быстро поглощаться растениями и почвой и транспортироваться на большие расстояния. Наночастицы диоксида титана поглощают и концентрируют тяжелые металлы, например кадмий. Наночастицы оксида алюминия могут задерживать рост корней растений.

Остается неясным, повлияет ли появление таких наночастиц в атмосфере на токсичность и характер движения других вредных веществ, загрязняющих окружающую среду. Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера.

Природные наночастицы окиси железа могут послужить для транспортировки техногенного свинца в окружающей среде. Как выяснили исследователи под руководством Франка фон дер Каммера (Frank von der Kammer) из Департамента наук о земле и окружающей среды Венского университета, такие наночастицы содержатся как в почвах, так и в водоемах. «Нанонауки» о земле являются главным направлением исследований департамента. При этом ученые исследуют процессы, происходящие в окружающей среде на нанометровой шкале: например, процессы минералообразования, обусловленные деятельностью микроорганизмов, транспорт загрязняющих веществ с помощью наночастиц или воздействие нанотехнологии на живую природу

Исследователи проанализировали пробы, взятые из почв и водоемов Германии и Швеции, обратив особое внимание в первую очередь на гуминовые вещества, состоящие из нанометровых частиц, а также наночастицы оксида железа размером от 1 до 40 нм.

Ученые обнаружили, что эти железистые частицы играют для свинца роль своеобразного «такси».

По утверждению авторитетного журнала The Economist, каждый человек вдыхает 106 наночастиц в минуту. Ряд исследований показывает, что наночастицы, получающиеся при сгорании (combustion-derived nanoparticles, CDNP), имеют способность накапливаться в носовых путях, что может вы - звать различные заболевания.

Наночастицы проникают в организм через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт и кожу. Наибольшую опасность представляют наночастицы, проникающие в организм при вдыхании. Несомненно, с наночастицами люди сталкивались задолго до появления нанотехнологии: дым, в том числе табачный, смог и т.д. Силикоз, возникающий вследствие вдыхания угольной пыли, рак легких при контакте с асбестом - давно открытые закономерности.

Заключительная: Наноматериалы находят все более широкое применение. В то же время очевидно, что искусственные нанообъекты могут обладать токсическими свойствами. Причем степень такого воздействия не может быть оценена, исходя из знаний о токсичности материалов, из которых они изготовлены. Для дальнейшего развития нанотехнологий необходимо более четкое понимание как свойств самих наноматериалов, так и механизмов их взаимодействия с биологическими объектами.