Воздействие наночастиц на окружающую среду

(К.В. Шайтан, 2009; В.В. Мазуренко, А.Н. Руденко, В.Г. Мазуренко, 2009)

 

Область применения	Тип наноматериала	Возможные пути воздействия
Воздух	Поверх- ностные воды	Грунто- вые воды	Сточ- ные воды	Почва	Отходы
Продукты косметики, средства личной гигиены	TiO2, ZnO, фуллерен (C60), Fe2O3, Ag	–	+	–	+	–	–
Катализаторы, смазки и присадки к топливу	CeO2, Pt, MoS3	+	+	–	+	–	–
Краски и покрытия	TiO2, SiO2, Ag, кванто- вые точки	+	+	–	+	–	–
Обработка воды и восстановле- ние окружающей среды	Fe, Fe–Pd, полиуре-тан	–	+	+	+	+	–
Агрохимические препараты	SiO2 (порис-тый) в качестве носителя	+	+	–	–	+	–
Фармацевти-ческие препараты	Нанопрепараты и наноноси-тели	–	–	+	+	+	–
Пищевая упаковка	Ag, наноглина, TiO2	–	–	–	–	+	+

 

Сегодня появился термин «зеленая нанотехнология», как способ создания и использования наноматериалов и нанопродукции без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека. К зеленой нанотехнологии, с одной стороны, относится производство наноматериалов и продуктов с использованием принципов зеленой химии и зеленых технологий (что улучшает окружающую среду косвенным образом), а с другой, – создание нанопродуктов, которые непосредственно участвуют в решении прошлых, настоящих и будущих проблем, связанных с защитой природы и здоровьем людей (например, сорбенты для очистки сточных вод или питьевой воды, новые катализаторы, энергетические системы).

Наноматериалы воздействуют на окружающую среду не только сами по себе, но и в виде отходов нанопроизводства, а также при их превращении в отходы потребления.Так, ученые, проанализировав один из самых распространенных методов производства нанотрубок – химическое осаждение в паровой фазе, – обнаружили, что в процессе химических превращений в окружающую среду поступает свыше 10 ароматических углеводородов, в том числе канцероген – полициклический бензапирен. Остальные компоненты «коктейля» негативно влияют на озоновый слой планеты.

По решению Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ, прошедшего в 2008 г., приоритетными задачами, обеспечивающими качество и безопасность нанопродукции и нанопроизводств, были признаны «разработка гигиенических нормативов, определяющих безопасные уровни приоритетных видов наноматериалов в воздухе рабочей зоны, населенных пунктов и жилых помещений, питьевой воде, продуктах питания и других объектах внешней среды, а также регламентация процессов производства, транспортировки, использования и утилизации токсичных наноматериалов, которая исключала бы возможность их воздействия на человека в опасных для здоровья масштабах» [13, с. 88].

Согласно решению Пленума, безопасность наноматериалов должна оцениваться последующим основным блокам методически значимых проблем:

– методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах, позволяющие отличить наноматериалы от их аналогов в традиционной, то есть макродисперсной форме; - изучение взаимодействия наноматериалов с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты, цитохромы Р-450) в системах in vitro;

– изучение механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны и связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro;

– изучение изменения характеристик наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);

– определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейро-, гепато-, кардио-, иммуно-, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения наноматериалов по органам и тканям;

– определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;

– изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, протеомный и метаболомный профили, потенциальную аллергенность;

– изучение влияния в моделях in vitro выживаемости пробиотических микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта в присутствии наноматериалов, процессов всасывания наноматериалов в желудочно-кишечном тракте на моделях in situ и in vivo и определение влияния наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта [13, с. 88]

В ближайшем будущем окружающая среда станет объектом положительных и отрицательных воздействий нанотехнологий. Следовательно, «оценка безопасности наноматериалов и нанотехнологий должна иметь наивысший приоритет в условиях ожидаемого их распространения и вероятного воздействия на людей непосредственно или опосредованно через окружающую среду (воздух, воду, почву) и продукты питания» [11, с. 89]. Для обеспечения безопасного будущего человечества необходимо проводить разработки в области нанотехнологий и наноматериалов параллельно с изучением их экологических и гигиенических аспектов, причем результаты анализа должны находиться в открытом доступе.

Форсированное развитие наноиндустрии требует оценок риска и угрозы нанотехнологического прогресса, требующие глубокого анализа и междисциплинарных научных дискуссий.

Как пример можно привести проведенную оценку риска для трех областей окружающей среды – воды (реки и озера), воздуха, почвы в швейцарскими специалистами (рис.10.5). Авторы исследования рассмотрели весь жизненный путь продуктов, содержащих наночастицы – от производства до утилизации, и оценили риск их использования для трех областей окружающей среды: воды, воздуха, почвы. Риск выражался как отношение прогнозируемой концентрации в окружающей среде к концентрации, которая не вызывает отрицательных эффектов. Материалы, для которых это отношение меньше единицы, считаются безопасными.

Рис.10.5. Возможное распределение наноматериалов в окружающей среде (воздух; почва, растительность; почва, покрытая растительностью; вода; отложения)

(M. Scheringer, 2008)

Результаты проведенного моделирования показали, что величины прогнозируемой концентрации в окружающей среде для углеродных нанотрубок (УНТ) – самые низкие (хотя, конечно, в будущем при росте производства ситуация может измениться). Основная часть продуктов, содержащих нанотрубки, или идет в повторный цикл, или попадает в установки для сжигания мусора, где УНТ в присутствии кислорода сгорают практически полностью (температура в установках примерно 850 ^оС). Содержание в воздухе мало для двух других исследуемых типов наночастиц. Частицы наносеребра и нанооксида титана в основном находятся в воде и почве, при этом содержание наносеребра в 20–200 раз ниже, чем наноTiO₂. УНТ в воду практически не попадают. То есть в настоящее время УНТ не представляют риска для окружающей среды. А вот прогнозируемая концентрация наноTiO₂ в воде такова, что возможен значимый риск.

Однако, не имеет смысла останавливать развитие прогрессивной технологии, которая открывает качественно новые перспективы для человеческого общества. Вместе с тем целесообразно активизировать научный потенциал в области разработки экологических и гигиенических проблем нанотехнологий.

Завершая очень сжатое изложение поведения ксенобиотиков в экосистемах и возможные последствия этих взаимодействий, отметим некоторые основные положения:

– ксенобиотики включают многие классы веществ, они способны мигрировать по всей биосфере и переходить из одной среды в другую: из атмосферы в океан, с суши в водоемы и т. д.;

– биологическое действие многих ксенобиотиков, действующих совместно, усиливается, т. е. в функциональном смысле мы наблюдаем эффект, больший суммы отдельных веществ, кроме того, многие ксенобиотики или продукты их метаболизма оказываются более токсичными и канцерогенными, чем исходные;

– действию ксенобиотиков подвергаются такие структурно-функциональные системы клетки, как генетический аппарат, биомембраны, белки и их обмен;

– трансформация ксенобиотиков в объектах окружающей среды может приводить к появлению более персистентных и остатков неразложившихся соединений;

 

Ссылка на рис. 10.6?

 

Рис. 10.6. Общая схема действия экологических ксенобиотиков

 

– многие ксенобиотики (например, гидрофобные пестициды, некоторые металлы и их соединения) способны аккумулироваться в живых организмах в более высоких концентрациях, чем в окружающей среде;

– экологическую опасность представляют даже низкие, сублетальные концентрации ксенобиотиков, которые (особенно при длительном воздействии) могут в течение ряда поколений снижать воспроизводство в популяциях и тем самым приводить к вымиранию этих популяций.