CC BY
70
УДК: 619:615.9:661.183
Е. Ю. Тарасова, В. П. Коростелева, В. Я. Пономарев
О ПРОБЛЕМЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Ключевые слова: нанотехнологии, наноматериалы, оценка рисков, трансформация наночастиц.
В настоящее время подавляющее большинство развитых стран мира определили разработку нанотехнологий и наноматериалов приоритетным направлением в системе фундаментальных исследований. Целью данной статьи является обзор литературных данных, касающихся сведений о возможных рисках применения нанотехнологий.
Keywords: nanotechnology, nanomaterials, risk assessment, the transformation of nanoparticles.
Currently, the vast majority of developed countries have identified the development of nanotechnology and nanomaterials in the priority of basic research. The purpose of this article is to review the literature regarding the information about the possible risks of nanotechnology.
В настоящее время подавляющее большинство развитых стран мира определили разработку нанотехнологий и наноматериалов приоритетным направлением в системе фундаментальных исследований. В Российской Федерации приняты государственные документы о научном и организационном обеспечении развития
нанотехнологий в стране.
Становится очевидным, что одним из путей достижения прогресса во всех сферах современной жизни человека, в том числе в медицине и ветеринарии, являются нанотехнологии. В связи с этим исследования в этом направлении являются актуальными и приоритетными [4].
Проблема оценки рисков, связанных с применением нанотехнологий, назрела давно. Мы наблюдаем рост их коммерческого применения без должного внимания к возможным негативным и практически непредсказуемым последствиям, потому что все, что имеет дело с нанотехнологиями и связанными с ними рисками, недостаточно изучено. Серьезную озабоченность исследователей и экспертов вызывают существенные пробелы в наших знаниях о трансформации наночастиц в окружающей среде и их токсичности для окружающей среды после того, как они были использованы по назначению. Никто не знает, как наночастицы воздействуют на животных, растения или организмы при контакте с клеточными мембранами или белком вокруг клетки. Интегрируются ли они с ними, или существуют такие типы наночастиц, которые объединяются друг с другом или отторгаются организмом? В нескольких исследованиях наблюдались различные воздействия на ракообразных и рыб: изменение эмбрионального развития у данио-рерио, изменение дыхательного объема у радужной форели под воздействием одностенных углеродных нанотрубок, случаи гибели земноводных под воздействием высокой концентрации нанотрубок с двумя стенками [3].
Следует отметить, что будущие выгоды от реализации нанопродукции и глобализация мировой торговли все больше "подстегивают" усилия по разработке именно международных стандартов, поскольку их применение обеспечивает пользователю неоценимую помощь и неоспоримое конкурентное преимущество.
В настоящее время в мире зарегистрировано и выпускается промышленностью более 1800 наименований наноматериалов. Согласно данным о форме и химическом составе можно выделить следующие основные виды наноматериалов: углеродные наночастицы (фуллерены, нанотрубки, графен, углеродные нанопены); наночастицы простых веществ (не углерода); наночастицы бинарных соединений; препараты наночастиц сложных веществ.
Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий [1,2].
В основном наноматериалы (как естественного, так и искусственного происхождения) поступают в организм через дыхательные пути, но нельзя не учитывать и попадание в желудочно-кишечный тракт, а также воздействие через кожу. Специфические защитные механизмы входных порталов защищают организм млекопитающих от вредных веществ. Однако для наноматериалов эти защитные механизмы могут быть не всегда эффективными [9].
При вдыхании наночастицы благодаря диффузии эффективно распространяются во все отделы дыхательного тракта. Маленькие размеры облегчают поступление в клетки и перенос в систему кровообращения и лимфатическую систему, и наночастицы достигают таких потенциально чувствительных мишеней как костный мозг, лимфоузлы, селезенка и сердце.
Не исключено их поглощение чувствительными нервными окончаниями в эпителии дыхательных путей и доступ к центральной нервной системе и нервным узлам, обусловленный перемещением вдоль отростков нейронов. Некоторые исследования указывают, что путь обонятельных нервов также следует рассматривать как портал входа в центральную нервную систему для человека в условиях окружающего и профессионального воздействия переносимых по воздуху наночастиц.
Выдвигают гипотезу, что наблюдаемые в некоторых эпидемиологических исследованиях сердечно-сосудистые эффекты, связанные с частицами в окружающей среде, отчасти обусловлены прямым воздействием перенесенных ультратонких частиц на вегетативную нервную систему через чувствительные нервы в дыхательном тракте. Некоторые данные подтверждают и предположение, что наночастицы в окружающем воздухе вызывают нейродегенеративные заболевания [5, 8].
В желудочно-кишечный тракт наноматериалы могут попасть непосредственно (например, если они содержатся в пище или воде, или используются в косметике, или как лекарства, или устройства, доставляющие лекарственные препараты) или при выведении из дыхательных путей.
Потенциально важный путь попадания наноматериалов в организм - через воздействие на кожу, особенно поврежденную. Следует отметить, что по некоторым данным наночастицы могут проникать даже через неповрежденную кожу при ее изгибе - как при движениях запястья.
Для того чтобы сделать созданные наноматериалы более биосовместимыми, применяют покрытие или ковалентную модификацию поверхности, однако некоторые исследования показали, что как покрытия, так и ковалентная модификация могут подвергаться воздействию кислорода воздуха или УФ излучения. Даже покрытия, используемые в доставке лекарств, могут не быть биостойкими, или может иметь место метаболизм, и наноматериал, находящийся внутри, подвергнется внешнему воздействию. Необходимо определить стабильность покрытий и ковалентной модификации поверхности и в экологическом окружении, и in vivo [7].
Кроме того, доставка лекарств с помощью наночастиц в центральную нервную систему поднимает вопрос об их судьбе после перемещения к специфическим типам клеток или субклеточным структурам в мозге.
Синтезированные наноматериалы, используемые как противомикробные препараты, могут сдвинуть баланс микробных сообществ, если они будут выводиться в окружающую среду. В общем случае наночастицы могут эффективно сорбироваться на осадках и частицах грунта и затем перемещаться по продуктовой цепочке.
Токсичность наноматериалов, согласно имеющимся литературным данным, обусловлена в первую очередь развитием окислительного стресса и повреждением ДНК, что может приводить к развитию воспалительной реакции, апоптозу и некрозу клеток. Нельзя исключать, однако, и наличия других механизмов токсичности наноматериалов, связанных, в частности, с их повреждающим действием на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также возможной генотоксичностью и аллергезирующим действием [6-9].
Появление нанотехнологий, характеризуясь приростом числа новых нанопродуктов, сопровождается существенным отставанием в
разработке регламентов безопасности их производства и применения.
Оценку безопасности при работе с наноматериалами целесообразно проводить поэтапно, начиная с изучения и описания физико-химических свойств наночастиц и наноматериалов, включая строение и форму наночастиц, методы измерения количества и концентрации наночастиц и наноматериалов в объектах окружающей среды. Следующим этапом должно стать описание возможных источников и путей миграции в окружающей среде.
Поскольку миграционная способность наночастиц зависит не только от их химической природы, но от их размера и структуры, сильно влияющих на величину удельной поверхности, неопределенность в оценке их миграционной способности значительна. В настоящее время подходы, основанные на оценке дозы по общей поверхности наночастиц в единице объема, считаются наиболее адекватными, хотя иногда применяются и способы оценки дозы на основе числа частиц или массовой концентрации.
Кроме того, на первые план выходит проблема нанотоксичности в силу того, что токсичность наночастиц не является простым преобразованием уже известной токсикологии к наномасштабам. Наночастицы демонстрируют отличающиеся от частиц такого же химического состава, но другого размера, физико-химические и, следовательно, токсикологические свойства, причем эти свойства существенно зависят не только от размера, адгезивных, каталитических и электрических свойств наночастиц, но и от их чисто геометрических характеристик.
Совокупность изложенных фактов свидетельствует о том, что наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологиеским (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, в связи с чем они относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной.
Отсутствие токсикологических данных не должно привести к превентивной приостановке нанотехнологических исследований. Наоборот, следует бороться за трезвый баланс между дальнейшим развитием нанотехнологий и исследованиями, необходимыми для определения потенциальной опасности. Хотя токсикология конкретного материала может быть хорошо определенной, токсичность его наноразмерной формы может разительно отличаться. Разумно было бы рассмотреть проблемы окружающей среды и здравоохранения до широкого распространения нанотехнологий.
Литература
1. Андриевский, Р.Н. Наноматериалы: концепция и современные проблемы / Р.Н. Андриевский // Рос. хим. журнал. - 2002. - № 5. - С. 50-56.
2. Негуляев, Г.А. Нанотехнологии: проблемы патентования и экспертизы / Г.А. Негуляев // Патенты и лицензии. -2007. - № 12. - С. 18-24.
3. Сударенков, В.В. Нанотехнологии или скрытая угроза: предупреждены, но пока неизвестно, о чем / В.В. Сударенков // Нано Технология Экология Производство. -2012. - №6. - С. 50-55.
4. Тарасова, Е.Ю. Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве / Е.Ю. Тарасова, В.П. Коростелева, В.Я. Пономарев // Вестник КНИТУ. - 2012. - №21. - С. 121-123.
5. Хохлявин, С.А. Нанотехнологии и стандарты -неразрывный симбиоз / С.А. Хохлявин // Наноиндустрия. -2010. - № 3. - С. 32-36.
6. Harper, T. What is Nanotechnology? / T. Harper // Nanotechnology. - 2003. - № 1. - P. 12-14.
7. Huang, Z. International Nanotechnology Development in 2003: Country, Institution, and Technology Field Analysis based on USPTO Patent Database / Z. Huang //J. Nanopart. Res. - 2004.- № 4. - P. 325-354.
8. Willis, C. Nanotechnology. The terminology challenge / C. Willis // ISO Focus. - 2007. - № 4. - P. 26-27.
9. Youtie, J. Nanotechnology publications and citations by leading countries and blocs / J. Youtie //J. Nanopart. - 2008. - № 6. - P. 981-986.
© Е. Ю. Тарасова - к.б.н., доц. каф. ТиТОП ККИ, [email protected]; В. П. Коростелева - к.вет.н, доцент той же
кафедры, [email protected]; В. Я. Пономарев - к.т.н., доц. каф. ТПП КНИТУ, [email protected].
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 30.07.13. по 13.10.13.
