Ученые-экологи во главе с Технологическим колледжем Вирджинии обнаружили, что при сжигании угля образуются невероятно мелкие частицы очень необычной формы оксида титана.
При вдыхании эти наночастицы могут попасть в легкие и потенциально в кровоток.
Твердые частицы, известные как наночастицы субоксида титана, непреднамеренно образуются при сжигании угля, создавая эти мельчайшие частицы размером до 100 миллионных долей метра, сообщила команда под руководством Технологического института Вирджинии. Когда частицы попадают в воздух - если только они не улавливаются высокотехнологичными ловушками частиц - они могут улетать от дымовых труб электростанций и перемещаться с воздушными потоками локально, регионально и даже глобально.
Например, эти наночастицы были обнаружены на городских улицах, тротуарах и в стоячей воде в Шанхае, Китай.
Выводы опубликованы в последнем выпуске журнала Nature Communications под руководством руководителя группы Майкла Ф. Хочеллы-младшего, заслуженного профессора геолого-геофизических наук Колледжа естественных наук, и И Яна, профессора Восточно-китайского педагогического университета в Шанхае.. Среди других участников исследования - Университет Дьюка, Университет Кентукки и Лаврентьевский университет в Канаде.
«Проблема с этими наночастицами заключается в том, что нет простого или практичного способа предотвратить их образование во время сжигания угля», - сказал Хочелла, добавив, что в странах со строгими экологическими нормами, таких как Соединенные Штаты, большинство наночастицы будут улавливаться ловушками для частиц. Иначе обстоит дело в Африке, Китае или Индии, где правила слабы или вообще отсутствуют, а угольная зола и дым попадают на открытый воздух.
"Благодаря передовым технологиям, используемым на угольных электростанциях в США, в соответствии с Законом о чистом воздухе и Агентством по охране окружающей среды, большая часть этих наночастиц и других мельчайших частиц удаляется до окончательного выброса выхлопных газов электростанции. газы», - сказал Хочелла. «Но в странах, где частицы от сжигания угля удаляются не так эффективно или удаляются вообще, эти наночастицы субоксида титана и многие другие типы частиц выбрасываются в атмосферу, что частично приводит к туманному небу, от которого страдают многие страны, особенно в Китае и Индии."
Хочелла и его команда обнаружили эти ранее неизвестные наночастицы не только в угольной золе со всего мира и в газообразных выбросах угольных электростанций, но и на городских улицах, в почвах и ливневых прудах, на очистных сооружениях.
«Я не мог поверить в то, что обнаружил в самом начале, потому что о них крайне редко сообщалось в естественной среде», - сказал Ян, который когда-то работал приглашенным профессором в Департаменте геонаук Технологического института Вирджинии вместе с Хочеллой.. «Мне потребовалось несколько месяцев, чтобы подтвердить их наличие в пробах угольной золы».
Недавно обнаруженный субоксид титана, называемый фазами Магнели, когда-то считался редким, лишь в редких случаях обнаруживаемый на Земле в некоторых метеоритах, в небольшой области скальных образований в западной Гренландии, а иногда и в лунных породах. Выводы Хочеллы и его команды показывают, что эти наночастицы на самом деле широко распространены во всем мире. Только сейчас их впервые изучают в естественных условиях с помощью мощных электронных микроскопов.
Почему открытие произошло именно сейчас? Согласно отчету, почти весь уголь содержит следы минералов рутила и/или анатаза, как «нормальных», встречающихся в природе, так и относительно инертных оксидов титана, особенно в отсутствие света. Исследования показали, что когда эти минералы сжигают в присутствии угля, они легко и быстро превращаются в эти необычные наночастицы субоксида титана. Затем наночастицы уносятся с газами, покидающими электростанцию.
При вдыхании наночастицы проникают глубоко в легкие, возможно, даже в воздушные мешочки, которые перемещают кислород в нашу кровь во время нормального процесса дыхания. Хотя токсичность этих частиц для легких человека еще не известна, предварительный тест на биотоксичность, проведенный Хочеллой и Ричардом Ди Джулио, профессором экологической токсикологии, и Джессикой Брандт, докторантом, оба из Университета Дьюка, показывает, что частицы действительно обладают потенциалом токсичности..
По мнению команды, необходимы дальнейшие исследования, особенно тестирование биотоксичности, непосредственно связанное с легкими человека. По словам Янга, партнерство с угольными электростанциями в США или Китае было бы идеальным.
Более тревожно, исследование показывает, что наночастицы субоксида титана биологически активны в темноте, что делает частицы весьма подозрительными. Точные последствия для здоровья человека пока неизвестны.
«В будущих исследованиях потребуется очень тщательно изучить и получить доступ к токсичности наночастиц субоксида титана в легких человека, и это может занять годы, отрезвляющая мысль, учитывая ее потенциальную опасность», - сказал Хочелла.
Поскольку сама наночастица субоксида титана производится случайно, Хочелла и его команда случайно наткнулись на наночастицу, изучая разлив угольной золы в 2014 году в реке Дэн, Северная Каролина. Во время изучения перемещения токсичных металлов вниз по течению в золе реки Дан команда обнаружила и признала присутствие небольшого количества очень необычного субоксида титана.
Группа позже произвела наночастицы субоксида титана при сжигании угля в лабораторном моделировании.
Эта новая потенциальная опасность для здоровья от загрязнения воздуха основана на уже установленных выводах Всемирной организации здравоохранения. По его оценкам, ежегодно во всем мире происходит 3,3 миллиона преждевременных смертей из-за загрязненного воздуха, сказал Хочелла. В Китае ежегодно регистрируется 1,6 миллиона преждевременных смертей из-за сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, вызванных загрязнением воздуха. По словам Янга, в большинстве китайских мегаполисов ежегодно наблюдается 100 дней с сильным туманом, когда концентрация частиц в два-четыре раза превышает нормы ВОЗ.
Прямое воздействие на здоровье человека - это только один из факторов. Выводы тысяч ученых определили, что самым большим фактором потепления планеты и, как следствие, изменения климата является сжигание угля в промышленных масштабах. Воздействие наночастиц субоксида титана, обнаруженных в атмосфере, помимо парниковых газов, на животных, воду и растения пока не известно.