Трифонова Т.А., Ширкин Л.А. Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий

Подождите немного. Документ загружается.

Углеродные нанотрубки можно применять в виде массивных изделий и

миниатюрных устройств. В первом случае множество трубок используется

в качестве наполнителей для композитов, источников тока, адсорбентов

или аккумуляторов газов, во втором – для изготовления различных элек-

тронных устройств, полевых эмиттеров электронов, сверхпрочных зондов

микроскопов, сенсоров.

Из полиметилметакрилата, наполненного ориентированными нанот-

рубками, получены очень

прочные волокна. Для обнаружения крупных

нейтральных молекул с наполнителями из нанотрубок созданы полимер-

ные мембраны.

При наномасштабных размерах трубок адсорбция других молекул мо-

жет изменять её электронные свойства. Другая проблема использования

нанотрубок как электронных устройств связана с шумами, возникающими

при прохождении электрического тока. Предполагается, что одним из ис-

точников шумов

могут быть молекулы, адсорбированные на внешней сто-

роне углеродной нанотрубки. В то же время это обстоятельство может

быть использовано для создания чувствительных сенсорных устройств.

Исследования по заполнению трубок различными веществами показа-

ли, что углеродные нанотрубки можно рассматривать как своеобразные

химические реакторы. Полученные к настоящему времени результаты по-

зволяют утверждать, что химические

превращения в полости трубок, а

также плавление кристаллов и кристаллизация жидкостей отличаются от

реакций в обычных условиях [5].

4. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ

НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ. ОЦЕНКА

ЭКОТОКСИКОКИНЕТИКИ НАНОПРИМЕСЕЙ

4.1. Выявление потенциальных источников

поступления наночастиц и параметров

их распределения в воздушной среде

Известно, например, что наночастицы способны накапливаться в воз-

духе, почве и сточных водах, однако пока не хватает данных для точного

моделирования таких процессов. В частности, эти данные необходимы для

установления экспозиционных нагрузок на персонал производств и насе-

ление.

Наибольшую угрозу представляют взвешенные в воздушной среде час-

тицы. По дисперсности и особенностям поведения в воздухе все частицы при-

нято разделять на три группы:

1) ультратонкие частицы или наночастицы размером меньше 0,1 мкм,

не видимые под микроскопом; броуновское движение для этих частиц пре-

обладает над гравитационным осаждением, поэтому они долго могут со-

храняться в воздухе;

2) частицы средней дисперсности размером от 0,1 до 10 мкм, видимые

под микроскопом, такие частицы оседают в неподвижном воздухе с посто-

янной скоростью, зависящей от их размера и удельного веса согласно за-

кону Стокса;

3) грубодисперсные частицы размером более 10 мкм – для них грави-

тационное осаждение преобладает над броуновским, такие частицы оседа

ют в неподвижном воздухе с возрастающей скоростью.

С токсикологической точки зрения важное значение приобретает клас-

сификация частиц по размерам в отношении их способности проникать

более или менее глубоко в дыхательные пути и задерживаться в них. Со-

гласно наиболее распространенной классификации пыль подразделяется на

частицы размером:

1) менее 0,2 мкм, к которым относятся

наночастицы – такие частицы

способны проникать в легкие и задерживаться в них;

2) от 0,2 до 5 мкм – такие частицы легко заносятся в легкие и являются

наиболее часто встречающимися в них пылинками;

3) от 5 и до 10 мкм – такие частицы проникают в легкие редко;

4) от 10 и до 50 мкм – такие частицы в основном задерживаются в

верхних

дыхательных путях и бронхах, постепенно выводятся наружу;

5) выше 50 мкм – такие частицы в легкие не проникают, задерживаются

в верхних дыхательных путях и легко выводятся наружу.

Исследования распределения ультрадисперсных частиц в различных

средах часто проводят с применением радиоактивных меток. Например,

система «радон – дочерние продукты распада (ДПР)» может служить фи-

зической моделью поведения

наночастиц в воздухе помещений.

ДПР изотопов радона в течение короткого времени после распада су-

ществуют в виде положительно заряженных атомов (ионов), которые на-

много тяжелее молекул воздуха. В воздухе они могут находиться в двух

состояниях: в виде свободных атомов и в виде атомов, осевших на аэро-

зольные частицы – главным образом

субмикронного размера (Рузер Л.С.,

1968). Способность ДПР радона адсорбироваться частицами аэрозоля ис-

ключительно важна, так как при этом ДПР продолжают оставаться в воз-

духе, вместе с которым попадают в органы дыхания [1]. К тому же из-за

относительно короткой продолжительности жизни ДПР радона-222 соеди-

няются преимущественно с аэрозольными частицами очень малых разме-

ров с аэродинамическим диаметром порядка нескольких сотен нанометров,

при этом доля свободных

ионов обычно не превышает 10 %. В отсутствие

аэрозольных частиц значительная часть ДПР удаляется из воздуха в ре-

зультате отложения на поверхностях пола, стен и других предметов. Аэро-

зольные частицы с осевшими на них ДПР радона отличаются высокой био-

логической активностью, близкой к активности наночастиц.

В присутствии взвешенных частиц субмикронного размера относи-

тельная биологическая эффективность ДПР радона-222 будет выше. Для её

характеристики используется величина эквивалентной равновесной объ-

ёмной активности ДПР радона или ЭРОА, которая напрямую использует

понятие скрытой энергии α-излучения и зависит от вентиляции, а также от

запылённости воздуха. Скрытой энергией α-излучения короткоживущего

ДПР радона-222 называют общую энергию α-чатиц, излучаемых

при рас-

паде данного радионуклида до

210

Pb (см. таблицу).

Скрытая энергия α-излучения короткоживущих дочерних

продуктов распада радона-222 [1]

Скрытая энергия α-излучения

Радионуклид T

1/2

на один атом,

МэВ

на 1 Бк объём-

ной активности,

МэВ/Бк

Относит. вклад в

общую скрытую

энергию

равновесной

смеси

218

Po (RaA) 3,05 мин 13,69 3615 0,10

214

Pb (RaB) 26,8 мин 7,69 17840 0,52

214

Bi (RaC) 19,9 мин 7,69 13250 0,38

214

Po (RaC’) 164 мкс 7,69 2·10

–3

≈ 0

Всего в равновесной смеси на 1 Бк радона ≈ 34705 1

Эквивалентной равновесной объёмной активностью неравновесной

смеси ДПР в воздухе называется объёмная активность радона такой нерав-

новесной смеси радона с его короткоживущими ДПР, которая имеет такую

же концентрацию скрытой энергии α-излучения короткоживущих ДПР, как

и данная неравновесная смесь:

ЭРОА

= 0,10A

RaA

+ 0,52A

RaB

+ 0,38A

RaC

В условиях радиоактивного равновесия радона и его ДПР выполняются

следующие равенства для объёмной активности (Бк/м

): A

= A

RaA

= A

RaB

= A

RaC

= A

RaC

, и поэтому ЭРОА

= A

. Однако на практике радиоактивное

равновесие между радоном и его ДПР отсутствует из-за постоянного уда-

ления ДПР из воздуха. Поэтому ЭРОА

всегда меньше объёмной активно-

сти радона A

и связана с ней формулой

ЭРОА

= F·A

где F – коэффициент равновесия между радоном и его ДПР. Коэффициент

равновесия и ЭРОА радона возрастают с уменьшением скорости вентиля-

ции и с увеличением концентрации тонкодисперсных аэрозолей в воздухе

помещения. Измеряя инструментально эти величины, можно расчётными

методами оценить реакционную способность наночастиц, что особенно

важно для нанодиагностики.

На современном этапе большое значение для

нанодиагностики имеют

газофазные процессы. Это особенно важно ещё и потому, что в газовой фа-

зе можно изучать реакции безлигандных наночастиц. Такие кластеры со-

ставляют основу для создания более сложных ансамблей и занимают осо-

бое место при получении монодисперсных частиц, изучении периодично-

сти их свойств и особенностей формирования высокоорганизованных ан-

самблей. Безлигандные

частицы – перспективный материал для исследова-

ния их размерных свойств.

Таким образом, исследования распределения аэрозольных частиц с ад-

сорбированными на них ДПР радона, являющихся своеобразными марке-

рами, которые можно измерить инструментально (аэрозольными радио-

метрами и др.), позволят в конечном счёте:

– составить описание (модель) поведения наночастиц в воздухе произ-

водственных помещений и

рабочих зон;

– оценить персистентность наночастиц, т.е. дать оценку продолжитель-

ности сохранения их биологической активности. Известно, что наночасти-

цы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также

при контактах с микроорганизмами, однако эти процессы плохо изучены.

В результате полученные данные могут дать характеристику потенци-

альной опасности наночастиц для

здоровья персонала.

4.2. Исследование миграции наночастиц

Учитывая, что в наноматериалах часто используются наночастицы раз-

личных соединений металлов и нанооксиды, миграция тяжёлых металлов

в системе «отходы – почва» может служить физико-химической моделью

миграции наночастиц из отходов, содержащих отработанные наноматериа-

лы, в почвы.

Техногенная миграция тяжёлых металлов – это миграция тяжёлых ме-

таллов, осуществляемая в природно-антропогенной системе «отходы (ат-

мосферные выпадения) – почва» [10]. Существуют различные оценки опас-

ности отходов, загрязняющих землю. Наиболее опасны те токсичные тер

раполлютанты, которые и геохимически, и биохимически подвижны и мо-

гут попасть в питьевую воду или в растения. Это в первую очередь соеди-

нения тяжёлых металлов (ТМ). Наряду с выбросами предприятий имеются

многочисленные участки, где складируются открытым способом бытовые

и промышленные отходы (шлако- и золоотвалы, хвостохранилища, свал-

ки). По концентрации и

комплексу тяжёлых металлов аномалии здесь не

уступают выбросам, являясь источником повторной эмиссии в окружаю-

щую среду. В результате воздушной и водной миграции техногенные оре-

олы вокруг свалок в несколько раз больше территории, отведённой под от-

ходы. Отходы, таким образом, способны вызывать трансформацию при-

родных систем в природно-техногенные и даже техногенные

Одним из главных механизмов наблюдаемой трансформации и являет-

ся техногенная миграция тяжёлых металлов и других элементов в системе

«отходы – почва». Для ландшафтов, загрязнённых промышленными отхо-

дами, техногенная миграция ТМ является ведущим процессом преобразо-

вания. В почвенном профиле формируется техногенный поток рассеяния

тяжёлых металлов, имеющий чёткую пространственную связь с его источ

ником – твёрдыми промышленными отходами, а наблюдаемая техногенная

аномалия ТМ характеризуется динамичностью и непостоянством парамет-

ров полиметалльного загрязнения. Перераспределение ТМ имеет выражен-

ный импульсный характер: на начальных этапах привноса ТМ в гумусовом

горизонте формируется «импульс» – максимум концентраций ТМ, кото-

рый в дальнейшем под действием, как правило, кислых фильтрационных

вод смещается в

нижележащие горизонты.

Нами выявлено, что техногенная миграция тяжёлых металлов в системе

«отходы – почва» – процесс инвариантный, т.е. характер итогового рас-

пределения металлов по почвенному профилю качественно не зависит от

вида химических соединений тяжелых металлов, внесённых с промышлен-

ными отходами, так как действует универсальный механизм мобилизации

и перераспределения металлов из отходов

и почв, определяемый динами-

ческим равновесием «аккумуляция – кислое (кислотное) выщелачивание»

в присутствии многочисленных лигандов [10]. Значительная часть тяжё-

лых металлов присутствует в водах не в виде простых ионов, а в форме

сложных ионных комплексных соединений – минеральных, органо-

минеральных и органических комплексов, которые представляют собой

заряженные комлексы и коллоидные частицы с развитой поверхностью. В

этом случае миграционная способность и устойчивость металлов в раство

ре сильно возрастают.

Тяжелые металлы практически никогда не присутствуют в растворах в

виде простых ионов, что делает их отличной физико-химической моделью

для исследования миграции наночастиц, в частности частиц коллоидных

размеров, обладающих высокой адсорбирующей способностью. Отмечает-

ся, что наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превра-

щения, нежели более крупные

объекты того же состава, и поэтому способ-

ны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойст-

вами.

Одним из наиболее подходящих для подобных исследований материа-

лов, являющихся в определённой степени моделью наноматериалов, могут

быть отходы гальванических производств. Отходы гальванических произ-

водств (гальваношламы) включают в себя нейтральные или щелочные от-

ходы, содержащие гидроокиси

и окиси металлов, нейтрализованные и

обезвреженные цианистые соединения, отходы, образующиеся при обез-

жиривании металлических поверхностей, отходы, содержащие жидкое

стекло, отходы полиграфической промышленности [10]. Шламы гальвани-

ческих производств, или гальваношламы (ГШ), представляют собой вязкую

пасту, содержащую прочно связанные гидроксиды и оксиды различных тя-

жёлых металлов. Тем не менее исследования показали высокую опасность

шламов, особенно полиметалльного состава. Процесс выщелачивания из

гальваношламов завершается образованием крупных многоядерных соль-

ватных комплексов – соединений растворённых ионов ТМ и молекул рас-

творителя.

Исследователями отмечается, что молярная теплота выщелачивания

близка к величине реакции образования молекул воды из ионов водорода и

гидроксид-ионов, а лимитирующей стадией процесса является диффузия –

в изотермических условиях

процесс протекает во внешнедиффузионной

области. Нами показано, что основной вклад в полиметалльное загрязне-

ние почв вносят элементы, обладающие наибольшей относительной атом-

ной массой и характеризующиеся разнообразием миграционных, главным

образом комплексных и коллоидных форм (Л.А. Ширкин, Т.А. Трифонова,

Н.В. Селиванова).

Кинетику миграции и выщелачивания в системе «отходы – почва»

можно исследовать в лабораторных условиях посредством замеров элек-

тропроводности – сравнением электрокинетических кривых R

/R = f (x, t)

на загрязнённых R и незагрязнённых R

моделях почвенного профиля, так

как наночастицы – это химически активные частицы, переносящие на себе

заряд.

Изучение миграции ингредиентов отхода по профилю почвы в полевом

эксперименте должно проводиться в стационарных опытах с учетом кон-

кретных почвенно-климатических условий, специфики отхода и предпола-

гаемого способа его утилизации. Доза внесения отхода рассчитывается по

наиболее

токсичному компоненту и предполагаемой нагрузки на почву.

Показателем водно-миграционной опасности являются глубина миграции

компонентов отхода по профилю почвы и уровень содержания их в фильтрате.

В любом случае все исследования воздействия наночастиц должны

проводиться с обязательным параллельным изучением их физико-химических

параметров: состав, площадь поверхности, размер, форма, объемное рас-

пределение, характер

распада, электростатические свойства поверхности и др.

Учёт химической активности и физических свойств наночастиц необхо-

дим, так как заряды, переносимые ими, легко вступают в контакт с клеточ-

ной мембраной.

Одним из эффективных методов исследования металлсодержащих на-

ночастиц и оксидов является рентгенофлуоресцентная спектроскопия. Ме-

тод основан на возбуждении атомов исследуемого вещества излучением

маломощной рентгеновской трубки. При этом возникает вторичное флуо-

ресцентное излучение, которое регистрируется детектором. Рентгеноспек-

тральный анализ по положению и интенсивности линий характеристиче-

ского рентгеновского излучения позволяет установить качественный и ко-

личественный состав и служит для экспрессного неразрушающего контро-

ля состава вещества. Рентгенофлуоресцентный метод позволяет быстро и с

высокой точностью анализировать большинство

элементов периодической

системы в твёрдых, жидких, газообразных и плёночных образцах с высо-

кой чувствительностью. В зависимости от способа получения, обработки и

отображения информации об объекте, а также от преследуемой цели рент-

генофлуоресцентный анализ подразделяется на три основных направления –

качественный, количественный и полуколичественный анализ.

4.3. Наноразмерные эффекты в проблеме безопасности наночастиц

для здоровья

Размерные эффекты – это явление, выражающееся в качественном из-

менении физико-химических свойств и реакционной способности в зави-

симости от количества атомов или молекул в частице вещества, происхо-

дящее в интервале менее 100 атомно-молекулярных диаметров.

Проявление размерных эффектов – одно из основных отличий нанохи

мических реакций от химических превращений при обычных условиях

проведения реакции.

Принято различать два типа размерных эффектов: собственный, или

внутренний, и внешний. Внутренний связан со специфическими измене-

ниями в объёмных и поверхностных свойствах как индивидуальных час-

тиц, так и получаемых в результате их самоорганизации ансамблей. Внеш-

ний эффект является размерно зависимым

ответом на внешнее поле сил,

независимых от внутреннего эффекта.

Эксперименты с внутренним размерным эффектом направлены на ре-

шение проблем электронных и структурных свойств кластеров. К таковым

относятся химическая активность, потенциал ионизации, энергия связи

между атомами в частице и между частицами, кристаллографическая струк-

тура. Температура плавления и оптические свойства также можно рассмат

ривать как функции размера частицы и её геометрии. Зависимость про-

странственного расположения электронных уровней носит название кван-

тового размерного эффекта [5].

Анализ научных публикаций показывает, что в конечном счете опас-

ность наночастиц для здоровья будет определяться иммунитетом и нано-

размерными эффектами, обусловливающими распределение по организму

наночастиц, поступающих в системное кровообращение через

лёгкие, ки-

шечник и другие точки контакта. Так, установлено, что распределение по

телу наночастиц строго зависит от их поверхностных характеристик. По-

этому оценка способности иммунологических реакций организма в отно-

шении наночастиц с учётом наноразмерных эффектов крайне необходима

для понимания связи наночастиц с рисками для здоровья.

Иммунитет – это комплекс реакций, направленных на

поддержание го-

меостаза при встрече организма с агентами, которые расцениваются как

чужеродные независимо от того, образуются ли они в самом организме или

поступают в него извне. Различают два основных вида иммунитета: неспе-

цифический, или врожденный (к нему относится фагоцитоз), и специфиче-

ский, или приобретаемый в ходе жизни организма (к нему относятся гумо-

ральный и клеточный иммунитет).

Неспецифический (неадаптивный) иммунитет. Способность к фагоци-

тозу проявляют все лейкоциты, но в наибольшей степени нейтрофилы и

моноциты, которые по выходе из кроветворных органов в кровь недолго в

ней задерживаются и через несколько часов или суток переходят

сквозь

стенки капилляров в окружающие ткани. Моноциты здесь превращаются в

очень крупные (диаметром до 25 мкм) макрофаги, действующие особенно

активно в очагах воспаления. Наибольшую фагоцитарную активность про-

являют нейтрофилы, способные к амебоидному движению со скоростью до

40 мкм/мин.

В клетках содержатся ферменты и перекись водорода, с помощью ко-

торых происходит переваривание

захваченных чужеродных частиц и мик-

робов. Действуя против вирусов, нейтрофилы вырабатывают интерферон.

В то время как одна клетка нейтрофила способна захватить до 30 микроб-

ных клеток, моноциты – в 3 – 4 раза больше. Передовая линия защиты ор-

ганизма для всех этих клеток – на границе между вдыхаемым воздухом и

эпителием воздухоносных путей, между веществами пищи

и кишечным

эпителием, в образовавшейся ране. Фагоциты разрушают и собственные

клетки тела, которые из-за старости или болезни утратили специфические

для данного организма черты и стали чужеродными. Эти формы клеток

объединяют в мононуклеарно-фагоцитарную систему (МФС). Продолжи-

тельность жизни фагоцитов ограничена несколькими сутками.

Специфический (адаптивный) иммунитет. Гуморальный иммунитет

обеспечивается В-лимфоцитами

, в которых вырабатываются антитела (гам-

ма-глобулины), клеточный - Т-лимфоцитами. Макрофаги выступают при

этом в роли посредников в процессе взаимодействия всех участников со-

бытий с помощью вырабатываемых клетками лимфо- и монокинов. Лим-

фоциты, таким образом, в отличие от нейтрофилов и моноцитов обеспечи-

вают иммунитет, иммунную память организма: раз встретившись с

веще-

ствами чужеродного генотипа, они узнают их и через десятки лет. В крови

взрослого человека содержится до 1012 лимфоцитов и до 1020 молекул

иммуноглобулинов. В плазме крови содержится также около 15 белков

комплемента, активно участвующих в реакциях взаимодействия антител с

антигенами. Лимфоциты образуют антитела не только против обычных

инфекций и даже не только против

естественных природных антигенов.

Эти удивительные клетки также активно действуют, если в организм попа-

дают искусственные белки.

Долгое время оставалось загадкой, каким образом могут вырабатывать-

ся антитела против соединений, с которыми организм человека или живот-

ного никогда не встречался. Способ, который выработался в процессе эво-

люции, состоит в следующем. Одна клетка-предшественница образует пу-

тем серии последовательных митозов и дифференцировок семейство до-

черних лимфоцитов, отличающихся друг от друга

структурой глобулино-

вых рецепторов на поверхности и способностью синтезировать свой осо-

бый тип антител. Каждый из лимфоцитов содержит примерно 105 таких

рецепторов. Попадающие в кровь или другие ткани антигены (вирусы,

микробы) по принципу случайности встречаются со многими лимфоцита-

ми, но становятся раздражителями (активаторами) по отношению только к

некоторым. Для того чтобы

в лимфоците возникла ответная реакция, струк-

туры антигена и рецептора должны подойти как ключ к замку. Если такой

контакт произошел, клетка начинает увеличиваться в размерах, делиться, в

ее цитоплазме образуется густая эндоплазматическая сеть с рибосомами,

синтезируются и выходят из клетки антитела, способные блокировать ан-

тигены именно того типа, который вызвал ответную

реакцию.

Такие клетки называют плазматическими. Дочерние плазматические

клетки, ведущие родословную от лимфоцита, получившего антигенный

стимул, составляют клон. За 5 суток из одного лимфоцита образуется до

500 дочерних плазматических клеток, на поверхности каждой из них пред-

ставлены по 105 рецепторов, структурно соответствующих антигену, вы-

звавшему активацию. С помощью механизма глобулиновой рецепции ор-

ганизм оказывается

в состоянии нейтрализовать 105 – 106 антигенов.

Nemmar et al изучали транслокацию частиц с помощью ингалированного

ультратонкого технеция (

99m

Tc), метящего частицы углерода в крови. Эти

частицы, которые были очень сходны с ультратонкой фракцией действи-

тельно загрязняющих частиц, быстро диффундировали в течение 5 мин в

системное кровообращение. Авторы пришли к заключению, что фагоцитоз

с помощью макрофагов и эндоцитоз с помощью эпителиальных и эндоте-

лиальных клеток ответственен за транслокацию частиц в кровь,

но воз-

можны и иные способы [11].

Литература по транслокации очень малых частиц в кровообращение

ограничена и часто противоречива. Недавнее исследование подтвердило

отложение и очистку спустя 2 ч от ультратонких (60 нм) меченых

99m

Tc аэ-

розолей у добровольцев. Не выявлено достоверной радиоактивности в пе-

чени (1 – 2 % от ингалированной радиоактивности) но, к сожалению, не

сообщалось об измерениях радиоактивности в крови. В соответствии с