Наночастицы как потенциальный источник неблагоприятного воздействия на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Ю.И. Великородная, А.Я. Почепцов

Наночастицы как потенциальный источник неблагоприятного воздействия на окружающую среду

ФГУП «НИИ гигиены, токсикологии и профпатологии» ФМБА России, г. Волгоград

Yu.I. Velikorodnaya, A.Ya. Pocheptsov

Nanoparticles as a potential threat to the environment

Federal State Unitary Enterprise Research Institute of Hygiene, Toxicology and Occupational Pathology FMBA of Russia, Volgograd

Ключевые слова: наночастицы, нанотехнологии, риски, окружающая среда.

В данном обзоре кратко изложены проблемы и многие нерешенные задачи, связанные с внедрением в повседневную деятельность человека нанотехно-логий. Перечислены источники наночастиц природного и техногенного происхождения. Рассмотрено текущее состояние знаний о рисках наноразмерных частиц для окружающей среды и здоровья человека на примере наночастиц металлов и оксидов металлов. Проведена оценка достаточности и объективности полученных сведений. Представлены существующие проблемы, связанные с выявлением потенциального влияния наноматериалов на экологические системы. Предложены основные направления в изучении наночастиц и наноматериа-лов для минимизации рисков вследствие их произ-водствв, использования и утилизации.

Исследования в области наночастиц и на-нотехнологий за последние десятилетия заняли быстрорастущую нишу в научной системе. Наночастицы — это частицы, размер которых, по крайней мере в одном измерении, составляет менее 100 нм. Нанотехнологии по своей сути являются собирательным термином, который подразумевает способность работать с материалами в масштабе нанометров. Нанотехнологии могут применяться в широком диапазоне наукоемких производственных секторов, таких как энергетика (возобновляемые источники), смазочные материалы, абразивы, краски, шины, электроника (чипы и экраны), оптика, пищевая (добавки и упаковки), косметическая (лосьоны для кожи и солнцезащитные кремы) и медицинская промышленность (диагностика и доставка лекарственных средств). Это перечисление отражает разнообразие тех наноматериа-

Keywords: nanoparticles, nanotechnology, risks, environment.

This review summarizes the challenges and unresolved problems arise around nanotechnology in people's day-to-day activity. The article lists nanoparticles sources of natural and anthropogenic origin. The current knowledge about the threat nanoparticles may be to the environment and human health was considered on the examples metal nanoparticles and metal oxides. The sufficiency and objectivity of obtained information was evaluated. This review presents existing problems related to the potential impact nanomaterials may have on the eco-systems. Conclusion. The main directions in the study of nanoparticles and nanomaterials is to minimize the associated risks with their production, use and disposal are proposed.

лов, которые используются или будут использоваться в различных областях производства.

Однако одновременно с нанотехнологи-ческим прорывом возникла дискуссия в научном сообществе о том, как состав, размеры, геометрия, биораспределение и биотрансформация наноматериалов в окружающей среде могут оказывать негативное воздействие на здоровье человека. Из-за специфических свойств, присущих наноматериалам, они имеют большую тенденцию подвергаться клеточному поглощению, что может привести к биоаккумуляции и, как следствие, к неблагоприятным последствиям, в том числе к токсическому действию [12].

Известно, что наноматериалы обладают большей химической активностью по сравнению с их макроразмерными аналогами. Это может приводить к спонтанным мутациям из-

за образования аддуктов ДНК или сенсибилизации гаптена связывания [9].

В этой связи в данной работе наноча-стицы рассматриваются не с точки зрения их полезные свойств, а в качестве малоизученного потенциального источника неблагоприятного воздействия на окружающую среду вплоть до развития чрезвычайной ситуации.

Источники наночастиц

Наночастицы могут быть как частицами природного происхождения, так и результатом преднамеренной или непреднамеренной деятельности человека.

Основные природные процессы, которые являются поставщиками наночастиц в атмосферу, — лесные пожары, вулканическая активность, выветривание и эрозия почвы. Образующиеся природные наночастицы весьма разнородны по размеру, могут переноситься на тысячи километров и оставаться во взвешенном состоянии в воздухе в течение нескольких дней. Однако за время своего существования человечество и экосистемы в целом к таким видам наночастиц, скорее всего, адаптировались.

Наночастицы техногенного происхождения (выхлопные газы автомобилей, топливные элементы, металлургическая промышленность) поступают в окружающую среду в ходе различных промышленных и механических процессов. С развитием нанотехнологий и технологических процессов на их основе было синтезировано большое число искусственных наночастиц, что неизбежно привело к увеличению их количества в воздухе, воде и почве. При этом, несмотря на то что объемы производства постепенно увеличиваются, ежегодный выпуск на-ночастиц в естественную среду не может быть точно оценен существующими методами измерения. Именно наночастицы, имеющие искусственное происхождение, требуют к себе пристального внимания и нуждаются в тщательном изучении, так как их влияние на живые организмы непредсказуемо и в дальнейшем может привести к срыву адаптационных механизмов во всей экосистеме.

Примеры токсичности некоторых видов наночастиц

Развитие нанотехнологий, как уже было отмечено, привело к увеличению количества наночастиц, попадающих в почву, воз-

дух и воду. В целях охраны здоровья человека и окружающей среды от потенциальныгх отрицательные эффектов наноматериалов большее число исследований было сосредоточено на оценке токсичности наночастиц, наиболее часто используемых в промышленности [11].

Основными типами наночастиц, которые изучаются многими учеными, являются:

• фуллерены (группировка фуллеренов Buck-minster, углеродные нанотрубки, наноконусы и т.д.);

• наночастицы металлов (Ag, Au, Fe и др.);

• оксиды металлов (или бинарные соединения, в том числе карбиды, нитриды и т.д.), например TiO2, CuO, ZnO и оксиды Fe;

• комплексные соединения (сплавы, композиты, наножидкости и др., состоящие из двух или более элементов);

• квантовые точки (или Q-точки);

• органические полимеры (дендримеры, полистирол и т.д.);

Тем не менее для большинства инженерные наноматериалов данные о токсичности весьма противоречивы, спорны и демонстрируют малоубедительные результаты [9]. В таком контексте очень важно понимание механизмов токсичности наноматериалов как для синтеза наиболее эффективных форм, так и для создания биологически и/или экологически безопасного производства на всех этапах синтеза, использования и утилизации.

Биологическое действие наночастиц может быть обусловлено не только их химическим составом, но также определенными физическими свойствами. В частности, некоторые наночастицы являются фотохимически активными в том смысле, что они генерируют возбужденные электроны под воздействием света (например, TiO2, ZnO, SiO2 и фуллерены). В присутствии кислорода эти электроны могут образовытать супероксидные радикалы [3]. Вследствие этого организмы одновременно подвергаются воздействию как наночастиц, так и светового излучения (в ультрафиолетовой части спектра), что имеет особое значение в контексте токсичности для экосистем.

Токсичность металлов зависит от многих факторов: растворимости, специфичности связывания с определенными звеньями мета-

болических процессов живых организмов и т.д. В свою очередь нанотоксичность может быть связана с электростатическим взаимодействием наночастиц с мембраной клеток и их накоплением в цитоплазме. Наночастицы металлов проявляют цитотоксичность в зависимости от заряда на поверхности мембран. Кроме того, наночастицы металлов проявляют антибактериальную активность. При этом грамположительные бактерии являются менее чувствительными к нанотоксическому эффекту по сравнению с грамотрицательными организмами, что обусловлено наличием защитного слоя из пептидогликанов [15].

Наночастицы меди были исследованы на токсичность на лабораторных рыбках Бато гвпо в сравнении с растворимыми ионами меди (СиБ04) [8]. В этом исследовании наночастицы меди оказались менее токсичными, чем ионы меди. Наночастицы меди используются в качестве противомикробного средства аналогичным образом, как и наноча-стицы серебра [7].

Серебряные наночастицы играют важную роль в области нанотехнологий, в первую очередь наномедицины. Они обладают потенциальной антимикробной активностью по отношению ко многим патогенным микроорганизмам. Наряду с этой антимикробной активностью наночастицы серебра демонстрируют неприемлемое токсическое воздействие на здоровье человека и окружающую среду. Существуют доказательства того, что наноча-стицы серебра являются токсичными не только для бактерий, но и для клеток млекопитающих [5]. Длительное дермальное воздействие коллоидного серебра или солей серебра вызывает кожные заболевания, такие как ар-гирии или аргирозы [6]. Даже в макроформе серебро является чрезвычайно токсичным для рыб, водорослей, некоторых растений и грибов, а также почвенных бактерий, приводя к нарушению экосистемы [14].

Сведения о влиянии наночастиц золота на окружающую среду практически отсутствуют, хотя некоторые исследования выявили цитотоксичность наночастиц золота размерностью от 0,8 до 15 нм по отношению к некоторым типам клеток. Как и предполагалось, наиболее токсичными оказались наноча-стицы золота размером <1,4 нм [13].

Токсичность наночастиц TiO2, SiO2 и ZnO была исследована на грамположитель-ных (Bacillus subtilis) и грамотрицательных (Escherichia coli) бактериях в водной суспензии. Антибактериальная активность в целом увеличивалась от SiO2 и TiO2 до ZnO. Bacillus subtilis оказалась наиболее чувствительным тест-объектом в данном эксперименте. Ингибирование бактериального роста наблюдалось также в условиях низкой освещенности, хотя ожидалось, что образование реактивных форм кислорода при этом будет снижено [2j.

Изучение влияния наночастиц цинка на человека показало, что их токсичность зависит от концентрации, а наиболее вероятным путем поступления является дыхательная система [4j. B. Wang et al. обнаружили, что наночастицы цинка при внутрижелудочном введении могут вызвать анорексию, потерю массы тела и даже приводят к гибели мышей, в то время как для макроаналогов цинка в тех же концентрациях данные эффекты были менее выраженными, а гибели животных не происходило [16j.

Кроме того, многие исследователи изучали влияние других типов наночастиц (фулле-реиов, углеродных наиотрубок, квантовых точек и прочих наноматериалов) в опытах in vivo и in vitro. Это достаточно обширный материал, который в рамках нашей работы мы не станем приводить. Отметим лишь, что он носит разнородный и противоречивый характер в вопросе о соотношении вреда и польза наночастиц, что обычно и характеризует все исследования в области «иано» и является достаточно ощутимой проблемой в практической деятельности токспколого-гпгиеническпх учреждений при разработке «дорожной карты» в случае развития чрезвычайной ситуации.

Оценка рисков, связанныгх с нанома-териалами

Осознание и понимание проблемы на-нотехнологий имеет чрезвычайную важность в случае развития непредвиденных обстоятельств. Сомнения в безопасности наночастиц не раз высказывались в научном мире, а также в службах разных стран, занимающихся эколого-гигиенической оценкой химических веществ [1; lOj. На сегодняшний день алго-

ритм принятия решений при ликвидации аварийных ситуаций на производстве, связанном с синтезом наноматериалов, не разработан и даже не существует в проекте.

Уравнение, с помощью которого можно было бы выработать единый план действий, содержит слишком много неизвестных переменных:

• синтез разнообразных по форме, составу, размеру и функционализации наночастиц и наноматериалов на их основе;

• отсутствие единых, унифицированных критериев (пусть даже не международных, а внутригосударственных) оценки токсичности наночастиц и наноматериалов, а также методов их обнаружения в окружающей среде (воде, почве, воздухе);

• отсутствие данных о полном жизненном цикле наночастиц в естественной среде, а также об их взаимодействии с другими источниками загрязнения.

На данный момент нормативная база, регламентирующая безопасную работу с на-номатериалами и утилизацию отходов в процессе их производства, не разработана, в результате чего в окружающую среду могут попадать самые разнообразные наночастицы. Человек может подвергаться воздействию на-норазмерных частиц различными путями: через кожный контакт, при поступлении через пищеварительный тракт с водой или пищей, а также при вдыхании взвеси наночастиц.

На сегодняшний день токсичность наночастиц и наноматериалов в естественной среде изучена крайне недостаточно. Экспериментальные данные о влиянии наночастиц на живые системы показывают, как было отмечено, что некоторые из них являются токсичными для ряда организмов даже в очень малых количествах. Это касается фуллеренов, наночастиц серебра и квантовых точек и, в меньшей степени, углеродных нанотрубок и наночастиц меди, ZnO, TiO2 и SiO2. Однако имеющиеся данные трудно экстраполировать на био- и экосистемы в целом и практически невозможно спрогнозировать отдаленные последствия массированного воздействия наночастиц. Одиночные модельные расчеты недостаточны для комплексной оценки возможного вреда от воздействия наночастиц на живые организмы,

так как необходимо учитывать сложные взаимосвязи природных систем.

Таким образом, для оценки рисков, связанных с наночастицами, нужны долгосрочные и масштабные исследования. В предлагаемом регламенте определения потенциальной токсичности наноматериалов для человека должны содержаться следующие аспекты:

• регламентация требований к характеристикам синтезированных наночастиц;

• выявление причинно-следственных связей между характеристиками наночастиц и вызываемыми ими токсическими эффектами, определение наиболее адекватных показателей для тестирования при гигиеническом нормировании (например, площадь поверхности, химический состав, морфология частиц);

• выявление соотношения «доза — эффект» для наночастиц различного состава и размера для четко определенных мишеней: целостных организмов, клеточных культур и субклеточных структур;

• разработка стандартных методов испытаний и форматов отчетности для сравнительной интерпретации результатов тестирования.

В регламент по изучению влияния на-норазмерных частиц на экологическую систему в целом необходимо дополнительно включать следующие пункты:

• разработка унифицированных методов отбора проб, обнаружения и количественного измерения наночастиц в окружающей среде, промышленных установках и потребительских товарах;

• исследование поведения наночастиц различного типа в почве, донных отложениях, воде и воздухе, а также в производственных условиях и потребительских товарах;

• изучение адсорбции/десорбции наночастиц в отношении органического, минерального и биологического компонентов почвы, воды и воздуха.

Однако всегда нужно учитывать, что как человек является неотъемлемой частью экологической системы, так и экосистему невозможно отделить от человека: слишком велико их воз-

действие друг на друга. Следовательно, изучение наноматериалов должно быть комплексным, с привлечением широкого круга специалистов.

Заключение

Внедрение новых технологий и производств всегда сопряжено с рядом трудностей экономического, гигиенического, социального характера, но все они временные. А так как нет никаких сомнений в том, что нанотехно-логии и производство наноматериалов будут по-прежнему развиваться, в политике по отношению к данной сфере производства следует применять принцип осторожности. Это в свою очередь требует развития детальных методов контроля над наноматериалами в окружающей среде, чтобы в будущем (ближайшем или отдаленном) любые риски чрезвычайных ситуаций, связанные с «уникальными» частицами, были сведены к минимуму.

Литература

1. Abbott L.C., Maynard A.D. Exposure assessment approaches for engineered nano-materials // Risk Analysis. 2010. Vol. 30. No. 11. P. 1634-1644.

2. Adams L.K., Lyon D.Y., Alvarez P.J.J. Comparative ecotoxicity of nanoscale TiO2, SiO2, and ZnO water suspensions // Water Research. 2006. Vol. 40. No. 19. P. 3527-3532.

3. Applications and impacts of nanomaterials / M. Hoffmann [et al]. New York: McGraw Hill, 2007. P. 540.

4. Beckett W., Chalupa D., Pauly-Brown A. et al. Comparing inhaled ultrafine versus fine zinc oxide particles in healthy adults: a human inhalation study // American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2005. Vol. 171. P. 1129-1135.

5. Braydich-Stolle L., Hussain S., Schlager J.J. et al. In vitro cytotoxicity of nanoparticles in mammalian germline stem cells // Toxicological Sciences. 2005. Vol. 88. No. 2. P. 412-419.

6. Chen X., Schluesener H.J. Nanosilver: a nano-product in medical application // Toxicology Letters. 2008. Vol. 176. No. 1. P. 1-12.

7. Cioffi N., Torsi L., Ditaranto N. et al. Copper nanoparticle/polymer composites with anti-

fungal and bacteriostatic properties // Chemistry of Materials. 2005. Vol. 17. No. 21. P. 5255-5262.

8. Griffitt R.J., Weil R., Hyndman K.A. et al. Exposure to copper nanoparticles causes gill injury and acute lethality in zebrafish (Danio rerio) // Environmental Science and Technology. 2007. Vol. 41. No. 23. P. 8178-8186.

9. Hartung T. Food and thought <...> on alternative methods for nanoparticle safety testing // ALTEX. 2010. No. 27. P. 87-95.

10. Maynard A.D. Nanotechnology: the next big thing, or much ado about nothing? // Annals of Occupational Hygiene. 2007. Vol. 51. No. 1. P. 1-12

11. Nogueira D.R., Mitjans M., Rolim C.M.B., Vinardell M.P. Mechanisms underlying cytotoxicity induced by engineered nano-materials: A Review of in vitro studies // Nanomaterials. 2014. No. 4. P. 454-484.

12. Oberdurster G., Stone V., Donaldson K. Toxicology of nanoparticles: A historical perspective // Nanotoxicology. 2007. Vol. 1. P. 1-25.

13. Pan Y., Neuss S., Leifert A. et al. Size-dependent cytotoxicity of gold nanoparticles // Small. 2007. Vol. 3. No. 11. P. 1941-1949.

14. Panyala N.R., Pena-Mendez E.M., Havel J. Silver or silver nanoparticles: a hazardous threat to the environment and human health? // Journal of Applied Biomedicine. 2008. Vol. 6. No. 3. P. 117-129.

15. Rana S., Kalaichelvan P.T. Antibacterial effects of metal nanoparticles // Advanced Biotechnology. 2011. Vol. 2. No. 2. P. 21-23.

16. Wang B., Feng W., Wang T. et al. Acute toxicity of nano- and micro-scale zinc powder in healthy adult mice // Toxicology Letters. 2006. Vol. 161. P. 115-123.

Контакты:

Великородная Юлия Ивановна,

научный сотрудник лаборатории патоморфологии

ФГУП «НИИ гигиены, токсикологии и профпатоло-

гии» ФМБА России.

Тел.: 8(919)986-40-09.

E-mail: velikorodnaya@rihtop.ru