Nanočástice v životním

prostředí

J. Filip

Regionální Centrum Pokročilých Technologií a MateriálůUniverzita Palackého, 17. listopadu 11, Olomouc

Životní prostředí

„Soubor veškerých činitelů, se kterými přichází do styku živý subjekt (organismus, populace, člověk, lidská společnost) a podmínek, kterými je obklopen, tj. vše, co na subjekt přímo i nepřímo působí. Obsah pojmu ž.p. se velmi často zužuje na životní prostředí člověka, lidské společnosti“ (Máchal et. al.: Malý ekologický a environmentální slovníček; 1997).

„Životním prostředím je vše, co vytváří přirozené podmínky existence organismů včetně člověka a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Jeho složkami jsou zejména ovzduší, voda, horniny, půda, organismy, ekosystémy a energie“ (§ 2 zákona č. 17/92 o životním prostředí).

Výskyt nanočástic v životním prostředí

Atmosféra

Hydrosféra (koloidy – významná role při transportu látek)

Litosféra (půdy, nukleační zárodky tuhé fáze, reakční lemy, nanolamely a domény v krystalických látkách)

Biosféra (i člověk)

Vznik zejména na fázovém rozhraní

Typy nanočástic v životním prostředí

Přírodní nanočástice – přirozený výskyt (dříve je nebylo možné studovat dostupnými technikami)

Antropogenně vzniklé nanočástice

nanočástice neřízeně uvolňované do ŽP a vznikající výsledkem určitých reakcí a procesů

s negativním vlivem na ŽP

bez prokázaného negativního vlivu na ŽP

nanočástice cíleně vpravované do ŽP

Analogie v organismech přirozené

nežádoucí

cílené

Nanočástice v ovzduší Nanočástice jako složka aerosolů

v oblastech nezatížených zvýšenou prašností

Nanočástice jako složka aerosolů

v oblastech zatížených zvýšenou prašností

Nanočástice v pracovním ovzduší

(Nano)částice v ovzduší – z biomasy

Vulkán Eyjafjallajökull

(Nano)částice v ovzduší – z vulkanické

činnosti

Cca 6 Tg/rok

(Nano)částice z vulkanické činnosti

- další příklady

Tephra v

Oregonu

Další přirozené zdroje (nano)částice v

ovzduší

(Nano)částice v ovzduší – z eolické

činnosti

Meziplanetární prach

ročně 20 – 40 tis. tun

Další přirozené zdroje (nano)částice v

ovzduší

Antropogenní zdroje nanočástic v ovzduší

Filtr pevných částic

Saze z dieselových motorů

Mapa magnetické susceptibility půd v

Polsku

0 200 400

Susceptibilita

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0

t

Hlo

ub

ka

(cm

)

Půdní profil

Další antropogenní zdroje (nano)částic

- teroristické aktivity, demolice

Další antropogenní

zdroje (nano)částic

Laserové tiskárny

Opalovací krémy

Sušičky prádlaGrilování masa

Vláknité (nano)materiály v ovzduší -

azbesty

asbestová vlákna se vyznačují vysokou pevností v tahu ve směru podélné osy vlákna

(nelámou se při ohýbání), jsou chemicky inertní, nerozpustné v HCl nehořlavé, tepelně odolné.

Nanočástice oxidů železitých ve vodách a půdách

Zvětrávání

zvětrávání – chemická a fyzikální degradace hornin na relativně

jemné částice a rozpuštěné látky

Přírodní ferrihydrit

~15 t/rok čistého ferrihydritu

~2300 t/rok: směsferrihydrit + CaCO3

Fe5HO8 · 4H2O

Jímací nádrže – Zlaté Hory

Další příklady nanočástic oxidů Fe ve vodách a půdách

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

de

pth

(c

m)

As (ppm) - excavation

As (ppm) - outcrop

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

0.00 500.00 1000.00 1500.00

de

pth

(c

m)

Fe (ppm) - excavation

Fe (ppm) - outcrop

Cambishi, Zambie

As-schwertmannit

PTÁCI, SAVCI

Pstruh duhovýHolub poštovní

Delfín skákavý

ĆLOVĚK

Fusarium oxysporum

HOUBY, ŘASY

Verticillium sp.

HMYZ

Včela medonosná

BAKTERIE

Magnetospirillum gryphiswaldense

MIKROORGANISMY

NANOČÁSTICE V ORGANISMECH

- rozmanité chemické složení a krystalická forma - odlišný význam pro organismus

Nanočástice oxidů a oxyhydroxidů Fe v

organismech

Mikrobiální biomineralizace

Biogenní minerály jsou výsledkem dvou odlišných procesů:

BIM – biologicky indukované mineralizace

(biologically induced mineralization)

minerály jsou produkovány extracelulárně

BCM – biologicky kontrolované mineralizace (biologically controled mineralization)

minerály jsou produkovány intracelulárně

BCM – biologicky kontrolované mineralizace

0,5 m

Magnetospirillum gryphiwaldense

magnetotaktické bakterie

Fe3O4

MTB izolované z přírodního prostředí

BIM - biologicky indukované mineralizace

Bakterie způsobují tvorbu nanočástic

ovlivněním vnějšího prostředí

BIM – nanočástice

vytvářeny extracelulárně

špatně krystalické

nepravidelný tvar a poměrně široká

velikostní distribuce nanočástic

nedefinovaná morfologie

Gallionella ferruginea

Leptothrix ochracea

„todorokit“

Nanotechnologie pro čištění vod

Použití nanočástic biogenních oxidů železa pro odstraňování

xenobiotik

Katalytický rozklad H2O2 Sorpce AsIII a AsV

Environmentální aplikace přírodního ferrihydrituR

es

idu

al c

on

ce

ntr

ati

on

(m

g/L

)

VI

V

redukce:

oxidace

sorpce

precipitace na površích

katalýza

(Keenan et al. 2008, EST)

(Zhang 2003, J Nanopart Res)

Nanočástice elementárního železa

7700 m2

Compounds Tested and Treatable using commercial Fe0

Methanes:

Carbon tetrachloride (CT)

Chloroform

Bromoform

Other Organics:

1,1,2-Trichlorotrifluoroethane

(Freon 113)

Trichloroflouromethane (Freon 11)

1,2,3-Trichloropropane

1,2-Dichloropropane

1,2-Dibromo-3-chloropropane

1,2-Dibromoethane

n-Nitrosodimethylamine (NDMA)

Nitrobenzene

Ethanes:

Hexachloroethane

1,1,1-Trichloroethane (TCA)

1,1,2,2-Trichloroethane

1,1,2,2-Tetrachloroethane

1,1,1,2-Tetrachloroethane

1,1-Dichloroethane (DCA)

Ethenes:

Tetrachloroethene (PCE)

Trichloroethene (TCE)

1,1-Dichloroethene

trans-1,2-Dichloroethene

cis-1,2-Dichloroethene

Vinyl chloride

Inorganics:

Chromium, nickel

Lead, Copper, Zinc

Nitrate, Arsenic

http://www.hepure.com/zero_valent_iron_treated_contaminants.html

Laboratoní testování nanočástic železa

Treatment of selected metals using of nZVI

1.00% 10.00% 100.00% 1000.00%

U

Zn

V

Pb

Ni

Cu

Mn

Cd

Cr

Be

Ba

As

tetrachloroethene trichloroethene

1,1-dichloroethene 1,2-dichloroethene

Pilotní testy s nanočásticemi železa

Sum of chlorinated ethenes

0.00

2 000.00

4 000.00

6 000.00

8 000.00

10 000.00

12 000.00

HP - 4 HP - 5 HP - 6

Co

nc

en

tra

tio

n [

g/L

]

Prior application

One week after application

HP-4 HP-5 HP-61.5 m 2.0 m

Direction of groundwater flow

Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa

9 m

Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa

metodou direct push

Reaktivní plocha povrchu používaných

nanočástic železa

V pilotním měřítku používáno X až X00 kg

nanočástic železa

V konkrétní aplikaci použito 200 kg:

< 5 m2 ~ 5 000 000 m2

Plocha přibližně 2.5 x 2.5 km

Porovnání s makroskopickou

formou železa:

Geochemická bariéra využívající nanočástic železa

• zóna s odlišnými fyzikálně-

chemickými podmínkami

- (pH, redox-potenciál, sorpční

kapacita, biogenní pochody)

• vyskytuje se relativně běžně v přírodě

- faciální změny sedimentace

- vertikální zonalita

• možno generovat uměle

- uměle vytvořená linie

v horninovém prostředí, kde

řízeně probíhají geochemické

reakce mezi horninovým

prostředím, podzemní vodou a

dodávanými reagenty

- neklade hydraulický odpor

podzemí vodě

Geochemická bariéra využívající nanočástic železa

• Application of nZVI in reactive barriers

• Source: engineering productionMars, Svratka, CZ, 2012-2013; remediation: MEGA

Huge decrease

in concentration

of chlorinated

ethenes behind

reactive barriers

nZVI for groundwater treatment technologies – field

applications

Combination of nZVI with organic substrate for geofixation of Cr(VI) in groundwater

nZVI efficiently but temporally reduced Cr(VI) in situ

whey application caused a decrease in Cr(VI) and remained below the detection limit –

microbial biomass development; Fe(II) concentration significantly increased

CrCr(VI)(VI)

CrCr(III)(III) nZVI

Fe(III)

whey

Fe(III)

Fe(II)

Fe(III) CrCr(VI)(VI)

CrCr(III)(III)

51

Sledování migrace a osudu nanočástic

Large-scale experiment na pracovišti VEGAS, Stuttgart

Další aplikace nanočástic elementárního železa

Degradace yperitu

Military Institute

0

25

50

75

100

0h 1h 3h 5h 1h 3h 5h 1h 3h 5h 1h 3h 5h

0 g/L 0 g/L 2 g/L 4 g/L 6g/L

samples%

es

tro

ge

ns

re

mo

va

l

E2 EE2 EEQ

Odbourávání estrognů z

povrchových a odpadních vod

17β-estradiol (E2)

17α-ethinylestradiol (EE2)

+ další mikropolutanty – léčiva (např. ibuprofen),

pesticidy, herbicidy apod.

Odstraňování sinic z povrchových vod pomocí

nanočástic kovového železa

B. Maršálek et al. EST 46, 2316, 2012; R. Zbořil et. al. PCT/CZ2011/0075

Vysoká a selektivní toxicita

nanočástic kovového železa

vůči cyanobakteriím.

Toxicita vůči dafniím,

vodním rostlinám a rybám je

o 2-3 řády nižší!

Cell

destructionOriginal

cells

Deformation of cells