Экология наноматериалов

Москва
Лаборатория знаний
2020

А. Ю. Годымчук,
Г. Г. Савельев, А. П. Зыкова
ЭКОЛОГИЯ
НАНОМАТЕРИАЛОВ

Допущено 

по университетскому политехническому образованию 
Учебно методическим объединением вузов

в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 152200 
«Наноинженерия»

Под редакцией

3е издание, электронное

проф. Л. Н. Патрикеева и проф. А. А. Ревиной

Учебное пособие

УДК 504:539-022.532
ББК 20-1+28.08+52.84
Г59

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Годымчук А. Ю.
Г59
Экология
наноматериалов
:
учебное
пособие
/
А. Ю. Годымчук,
Г. Г. Савельев,
А. П. Зыкова
;
под
ред.
Л. Н. Патрикеева
и
А. А. Ревиной. —
3-е
изд.,
электрон. — М.
:
Лаборатория
знаний,
2020. — 275 с. — (Нанотехнологии). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-838-4
В данном учебном пособии рассмотрены потенциальные
и реальные экологические риски, возникающие при взаимодействии наноматериалов с окружающей средой. Анализ проведен на основании экспериментального изучения миграции
и путей попадания наноматериалов в экосистему (атмосфера,
гидросфера, литосфера), физико-химических свойств наноразмерных золей, а также исследований в области токсикологии
и экотоксикологии наноматериалов при их взаимодействии
с растениями, почвой, беспозвоночными и млекопитающими.
Отдельное
внимание
уделено
вопросам
поступления,
миграции и выведения наночастиц из организма человека.
Сформулированы некоторые общие выводы и перечислены
перспективные направления исследований в области экологии
наноматериалов.
Для преподавателей и студентов, специализирующихся
в областях разработки и применения нанотехнологий.
УДК 504:539-022.532
ББК 20-1+28.08+52.84

Деривативное издание на основе печатного аналога: Экология
наноматериалов
:
учебное
пособие
/
А. Ю. Годымчук, Г. Г. Савельев, А. П. Зыкова ; под ред. Л. Н. Патрикеева и А. А. Ревиной. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2012. — 272 с. : ил. — (Нанотехнологии).
ISBN 978-5-9963-0523-0

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-838-4
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 1. Основные понятия, классификация наноматериалов
и источники их поступления в окружающую среду . . . . . . 12

1.1. Определение наноматериалов и их классификация . . . . . . 13
1.2. Основные характеристики наноматериалов . . . . . . . . . . . 36
1.3. Промышленные источники поступления наноматериалов
в окружающую среду. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.4. Потенциальные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.5. Источники образования наноматериалов в природе. . . . . . 70
Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Список литературы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Глава 2. Свойства наноматериалов, определяющие их
взаимодействие с объектами окружающей среды . . . . . . . 80

2.1. Коллоиды наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2. Миграция наночастиц в окружающей среде . . . . . . . . . . 108
2.3. Миграция нанообъектов в организме человека . . . . . . . . 121
Контрольные вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Список литературы к главе 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Глава 3. Влияние наноматериалов на объекты
окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

3.1. Нанотоксикология и наноэкотоксикология —
новые разделы науки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

3.2. Биологическое действие наноматериалов . . . . . . . . . . . . 158
3.3. Токсическое действие наноматериалов . . . . . . . . . . . . . . 173
3.4. Зависимость токсичности наноматериалов
от абиотических факторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

Контрольные вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Список литературы к главе 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Глава 4. Методы экотоксикологического исследования
и оценка рисков воздействия наноматериалов
на окружающую среду и человека . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

4.1. Токсикологическое исследование наноматериалов . . . . . . 210
4.2. Оценка рисков воздействия наноматериалов
на окружающую среду и человека . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

4.3. Социальные риски развития нанотехнологий . . . . . . . . . 262
Контрольные вопросы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Список литературы к главе 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

ОГЛАВЛЕНИЕ

Использование возможностей материального мира на наноразмерном уровне создает предпосылки к синтезу новых
искусственных систем, которые, в первую очередь, отличаются от традиционных материалов по свойствам, а следовательно,
по
функциональным
возможностям.
Индустрия
наноматериалов это быстрорастущая и постоянно
расширяющаяся область науки и производства, которая
стремительно порождает новые направления развития биологии, физики и химии и обещает вторую промышленную,
или
даже
биологическую,
революцию.
При
этом,
однако, появляются новые источники активного выделения наночастиц в окружающую среду, что в свою очередь
создает новые риски для проникновения, взаимодействия
и воздействия наноматериалов на все объекты окружающей среды, включая человека.
Анализ работы ряда наноцентров и действующих программ развития наноиндустрии в странах Евросоюза и Соединенных Штатах Америки показал, что правительства
технологически развитых стран во всех случаях учитывают отличия в токсикологических и экотоксикологических
свойствах новых наноматериалов в отличие от объемных
материалов. Однако до сих пор нет ни систематических
исследований о природе токсичности и канцерогенности
наночастиц, ни сертифицированных технологий определения типа токсичности, ни
соответствующих санитарных и
гигиенических норм использования наноматериалов.
Новые интенсивно накапливающиеся знания о поведении
и
свойствах
наноматериалов
в
окружающей
среде
нуждаются в систематизации и адаптации особенно для

ПРЕДИСЛОВИЕ

студентов, которые должны понимать важность и ответственность инженерных решений, сказывающихся на безопасности окружающей среды.
Целью данного учебного пособия является ознакомление студентов естественнонаучных специальностей, связанных с синтезом и эксплуатацией наноматериалов, с потенциальными
и
реальными
рисками,
возникающими
при
взаимодействии наноматериалов с окружающей средой и с
организмом человека как частью биосферы. Авторы старались избежать перечисления разрозненных примеров, пытаясь при этом логично и понятно сформировать общую
картину, отражающую поведение и воздействие наноматериалов на окружающую среду. В пособии сформулированы
некоторые общие выводы и перечислены перспективные
направления
исследования
эколого-токсикологических
свойств и оценки рисков наноматериалов в рамках их разработки, производства и применения.
Важно отметить, что в настоящее время исследования
в области нано(эко)токсикологии в основном развиваются
в зарубежных странах — Великобритании, США, Швеции,
Канаде, Дании, Франции, Китае, Японии и др. Поэтому в
пособии преимущественно обобщен международный опыт
научного сообщества по исследованию путей миграции и
механизмов взаимодействия наноматериалов с окружающей средой в атмосфере, гидросфере и литосфере, включая способы попадания, выведения и особенности миграции наночастиц в организме человека.
Материал
учебного
пособия
подготовлен
в
рамках
учебных курсов «Отрасли наноиндустрии и области применения нанотехнологий» и «Экологические аспекты нанотехнологий», читаемых на кафедре наноматериалов и нанотехнологий
Томского
политехнического
университета
для бакалавров и магистров, на основании свежих данных
в области нанотехнологии и нанотоксикологии. Один из
авторов этой книги, профессор Геннадий Гаврилович Савельев, к великому сожалению, не дожил до момента издания. В этот труд вложены неоценимые советы и рекомендации этого мудрого, глубокомыслящего человека и
ученого. Он умел и помогал молодым людям не только по
Предисловие
5

лучать специальные знания, но и формировать свое мировоззрение и материалистический подход к анализу всех
явлений. Его серьезное отношение к учебно-воспитательной работе отражалось во всесторонней идейной, организационной и психологической поддержке молодых преподавателей и аспирантов.
В рамках довольно многогранной темы пособия, объединяющей исследования от микробиологии и фотосинтеза
до фотокатализа и рентгеновской спектроскопии, а также
в силу ограниченного объема авторам не везде удалось
правильно расставить акценты, избежать неточностей и
процитировать всю необходимую литературу, но попытка
создать учебное издание в помощь преподавателю и студенту, не имеющее аналогов в российской литературе для
высшей школы, безусловно, достойна уважения.

Редакторы книги,
профессор Лев Николаевич Патрикеев
и профессор Александра Анатольевна Ревина

6
Предисловие

В настоящее время изучение и применение наноразмерных
объектов
признано
приоритетным
направлением
научно-технического прогресса, от которого зависит дальнейшее развитие самых разных сфер жизнедеятельности современного общества — экономики, медицины, научных
исследований, информационных технологий, экологии, оборонной промышленности и т. д. С развитием нанотехнологий появляется множество материалов, содержащих наноразмерные (<100 нм) частицы. Уже сейчас объем промышленного производства наноматериалов в развитых странах
достигает нескольких тысяч тонн в год.
В наноразмерном состоянии любые вещества приобретают новые химические, физические и биологические свойства, существенно отличающиеся от их свойств в макрообъемном
состоянии.
В
частности,
нанообъекты
могут
быть использованы для адресной доставки лекарственных
препаратов, для борьбы с онкологическими заболеваниями
и опасными инфекциями, в генной и молекулярной инженерии, для улучшения качества окружающей среды, в
парфюмерно-косметической и пищевой промышленности и
во многих других применениях. Изучение возникающих
потенциальных рисков при контактах человека и других
биологических систем с наноматериалами
представляется
актуальной и важной задачей.
Нанотехнологии, как и любые новые технологии, несут не только несомненные преимущества, но и потенциальную опасность вредного воздействия на здоровье человека и природные экосистемы. В связи с этим для управления рисками, связанными с производством и оборотом

ВВЕДЕНИЕ

продукции, содержащей наноматериалы, необходимо уже
на стадии их разработки проводить комплексные исследования по оценке степени вредного влияния новых нанопродуктов. В ряде стран Европейского союза и США уже
разрабатываются соответствующие нормативные и методические документы, направленные на оценку безопасности
производства и использования продуктов нанотехнологий.
С
2004
по
2011
г.
в
мире
было
проведено
около
30 конференций, симпозиумов и семинаров, посвященных
вопросам
безопасности
и
токсичности
наноматериалов
(Nanomaterials: a risk to a health at work, 2004; Nanotechnology
Conference
on
Health
and
Safety,
2006;
Nanotoxicity-2007; Nanotox-2008; NANOSAFE-2008; NanoSafety-2008;
NanOEH-2009; NanoSafety-2010 и др.). На этих мероприятиях были представлены работы по оценке потенциальных
и реальных рисков, возникающих при внедрении наноматериалов. Рассматривались, в частности, такие вопросы,
как механизмы взаимодействия наноматериалов с биологическими объектами, влияние на экосистему, взрывоопасность наноматериалов. Участники мероприятий отмечали, что временное отсутствие токсикологических данных не должно привести к превентивной приостановке
нанотехнологических исследований. Наоборот, следует бороться за трезвый баланс между дальнейшим развитием
нанотехнологии
и
исследованиями,
необходимыми
для
определения их потенциальной опасности.
Очень важно, чтобы правительственные органы и промышленность в достаточной степени финансировали проведение научно обоснованной оценки рисков. Если не принять необходимые профилактические шаги, общество и
правительство могут отнестись к наноматериалам как к
опасным, что создаст серьезные барьеры на пути коммерциализации и внедрения полезных и уникальных в других отношениях продуктов нанотехнологий. Именно поэтому в России в 2007 г. вышло Постановление № 54 от
23.07.2007 Главного государственного санитарного врача
РФ «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы», которое декларативно требует оперативного и комплексного

8
Введение

анализа опасности (или безопасности) использования тех
или иных наноматериалов. Такой анализ должен
быть
подтвержден достоверными экспериментальными данными
и соответствующими нормативами.
Несмотря на то, что люди подвергались воздействию
наноразмерных частиц на всех стадиях эволюции, за прошлое столетие сила этого воздействию резко увеличилась
вследствие увеличения роли антропогенных источников.
Быстро развивающаяся область нанотехнологии, вероятно,
приведет к новым путям проникновения создаваемых человеком материалов в организм человека — путем вдыхания, проникновения через кожу, с пищей и водой, посредством введения в кровь и т. п. Именно поэтому информация,
представленная
в
данном
пособии,
актуальна
и
важна для каждого специалиста, работающего в сфере нанотехнологий.
Результаты ранних биокинетических исследований наноразмерных частиц и новые эпидемиологические и токсикологические исследования ультрадисперсных частиц могут
стать базой для расширяющейся области нанотоксикологии, которая может быть названа как «оценка безопасности новых наноматериалов и наноструктур».
Установлено, что многие наночастицы обладают высокой способностью проникать через мембраны внутрь клеток и разрушать их. Последствия, вызванные попаданием
наночастиц в мозг, печень и другие жизненно важные
органы могут быть опасны для здоровья и жизни человека
и животных. Доказано, что после кратковременного нахождения организма в атмосфере с высокой концентрацией
углеродных
наноматериалов,
у
него
развиваются
опасные аномалии — фиброз и другие легочные повреждения, а попав в кровоток, наночастицы могут активировать
тромбоциты и вызывать тромбоз кровеносных сосудов.
Информационный банк данных о токсичности наноматериалов уже достаточно большой. Однако, несмотря на
проведение
многочисленных
конференций,
семинаров,
симпозиумов, открытие тематических журналов, учебного
материала (учебников, пособий, указаний, практикумов)
по этой тематике в настоящее время явно недостаточно.

Введение
9

Цель предлагаемого учебного пособия — ознакомить
студентов с потенциальными и реальными рисками, возникающими при взаимодействии наноматериалов с окружающей средой, в частности с организмом человека, как
частью биосферы.
В первой главе изложены основные понятия и классификация наноматериалов, описаны их отличительные свойства, а также преднамеренные и непреднамеренные источники поступления наноматериалов в окружающую среду,
включая антропогенные и природные источники.
Во второй главе рассмотрены основные свойства наночастиц при образовании ими коллоидов в атмосфере, гидросфере и литосфере, описаны пути миграции в окружающей среде, включая пути попадания наноразмерных объектов в организм человека, и развивающиеся при этом биохимические и физико-химические процессы, приводящие
к патогенезу.
В третьей главе даны понятия «нанотоксикология» и
«наноэкотоксикология», разъяснена разница между ними,
рассмотрены основные механизмы и виды действия наноматериалов на объекты окружающей среды, включая животных и растения. Приведены примеры токсического эффекта
наноматериалов на млекопитающих, беспозвоночных, растения и почву. В условиях in vitro и in vivo
показано модулирующее влияние абиотических факторов в
условиях токсического действия наноматериалов на биологические объекты.
В четвертой главе освещены наиболее распространенные методы определения и изучения наноматериалов в
окружающей среде, а также особенности экотоксикологического исследования наноматериалов. Отдельно представлены
вопросы
условий
возникновения,
проблем
разработки и методологии оценки рисков использования наноматериалов для окружающей среды, техника безопасности
и этические проблемы развития нанотехнологий.
Каждая
глава
заканчивается
контрольными
вопросами, которые будут полезны студенту для проверки своих
знаний, и списком литературы для отдельного, более подробного изучения.

10
Введение