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

Подождите немного. Документ загружается.

Поэтому необходимо оценивать риск применения и совершенствования

нанотехнологий, а также исследования на предмет, достаточны ли дейст-

вующие нормативы техники безопасности, разработанные до того, как на-

нотехнология стала возможной, для мониторинга нанотехнологии, охваты-

вающей широкий диапазон технологий, процессов и изделий?

6.1. Разработка моделей оценки рисков для здоровья

населения в результате поступления в

окружающую

среду наночастиц и наноматериалов

Анализ риска для здоровья – аналитический процесс для получения

информации, необходимой для предупреждения негативных последствий

для здоровья и жизни человека, состоящий из трех компонентов: оценки

риска, управления риском и распространения информации о риске. Анализ

риска для здоровья – это также процесс сбора, анализа и сравнения про-

гнозируемых

параметров состояния здоровья отдельного лица с парамет-

рами стандартной возрастной группы, что позволяет предсказать вероят-

ность того, что у этого лица может преждевременно появиться какая-либо

проблема со здоровьем, связанная с высоким уровнем заболеваемости и

смертности в группе.

Важнейшим объектом внимания при оценке риска для здоровья, свя-

занного с наноматериалами,

является использование нанотехнологий при

производстве электронной техники, строительных материалов, пищевых

продуктов, биологически активных добавок к пище, упаковки пищевых

продуктов как при непосредственном их использовании или употреблении,

так и при воздействии поступления наночастиц и наноматериалов в окру-

жающую среду в процессе их производства. Одним из таких рисков явля-

ется появление воздушных взвесей

наночастиц как побочного продукта про-

изводства. В большинстве своем они токсичны для человека и могут вызы-

вать ряд заболеваний.

В мире к настоящему времени уже накоплен определенный экспери-

ментальный материал по характеристике наноматериалов, методам оценки

ингаляционной и пероральной нагрузки, методам токсикологического тес-

тирования и по оценке риска. В частности, разработана

стратегия тестиро-

вания в отношении системной экспозиции наночастиц, предусматриваю-

щая, во-первых, скрининговые исследования in vitro на стандартизованных

клеточных и неклеточных моделях, во-вторых, кратковременные и, в-

третьих, долговременные исследования in vivo на лабораторных животных

при использовании ингаляционного или перорального введения наноча-

стиц с обязательным параллельным изучением их физико-химических па-

раметров (состав, площадь поверхности, размер, форма, объемное распре-

деление, характер распада и др.). Однако используемые в настоящее время

в рутинной гигиенической практике оборудование и методические подхо-

ды в большинстве своем не приспособлены для оценки специфических

ви-

дов риска, связанного с наноматериалами. Поэтому использование нано-

технологий требует разработки моделей оценки риска и стандартов безо-

пасности.

Патогенные эффекты вдыхаемых твердых частиц зависят в первую

очередь от концентрации загрязнения. Лёгочная нагрузка определяется

скоростью загрязнения и очистки. Логично для любого порошка или воло-

кон уровень дозы устойчивого состояния достигается,

когда скорости ока-

зываются сбалансированными. Это верно только тогда, когда материал

твердых частиц не влияет на механизмы очистки. В отношении наночастиц

химические и физические свойства самого материала важны, т.к. они влияют

на скорости отложения и очистки.

Сферические твердые частицы материала могут вдыхаться, когда их

аэродинамический диаметр менее 10 мкм. Более мелкие

частицы могут про-

никать глубже в легкие, так, частицы менее 2,5 мкм могут даже достигать

альвеол. Ультратонкие частицы (наночастицы с аэродинамическим диа-

метром менее 100 нм) откладываются в основном в альвеолярной области.

Волокнами считаются твердые частицы с соотношением длины к диаметру

по крайней мере 3:1. Их проникновение в лёгкие зависит от аэродинамиче-

ских

свойств. Волокна с небольшим диаметром будут проникать глубже в

легкие, тогда как очень длинные волокна (>>20 мкм) преимущественно за-

держиваются в верхних частях дыхательных путей.

Лабораторные исследования показали, что если вдыхаемые концентра-

ции низки, так что скорость отложения вдыхаемых частиц ниже, чем ско-

рость очистки легких, то половина времени задержки взвешенных веществ

составляет около 70 дней (устойчивое состояние легочного вещества во

время постоянной экспозиции). Если же скорость отложения вдыхаемых

частиц превышает скорость очистки, то половинное время задержки час-

тиц существенно увеличивается, отражая нарушение и удлинение функции

очистки, связанной с альвеолярными макрофагами, с продолжающимся на-

коплением легочного вещества (перегрузки). Вдыхаемые волокна, которые

сохраняются в

альвеолах, могут взаимодействовать с легочными эпители-

альными клетками или даже проникать в легочную ткань. Биоперсисти-

рующие твердые материалы, определенно такие частицы, которые содер-

жат мутагенные субстанции или асбестозные волокна или кремнезем, ко-

торые сохраняются годами в легких, увеличивая риск возникновения рака.

Большинство сферических твердых частиц с наноразмерами легко по-

падают в легкие и достигают альвеол. Эти частицы могут удаляться из лег-

ких, поскольку очистные механизмы не

испытывают влияния со стороны

самих частиц. Важно отметить, что специфическая область поверхности

частиц, по-видимому, является лучшим показателем для максимума пере-

носимого уровня экспозиции, чем общая масса. Вдыхаемые нановолокна

(диаметром менее 100 нм) также могут проникать в альвеолы, и их очистка

будет зависеть от длины специфических волокон. Недавние результаты по

легочным

эффектам углеродных нанотрубок подтверждают опасения, что

наноразмерные волокна могут индуцировать скорее общую неспецифиче-

скую легочную реакцию [11].

Хотя тип частиц, по-видимому, не играет важной роли в том, будут ли

они внедрены в сурфактантную выстилку альвеол, сам процесс проникно-

вения является критическим. Взаимодействие частиц с клеткой возможно

только после того, как

происходит погружение частиц в жидкую выстилку.

Логично, как это описано в сообщении о кремнии, что реактивные группы

на наночастицах влияют на их взаимодействие с легкими (или в общем с

биологическим материалом). В некоторых случаях возможно предсказать

реактивность наноповерхностей. Однако, учитывая бедность данных, не-

обходима проверка этих предсказаний в лабораторных условиях [11].

Влияние

ингалированных частиц на другие органы выяснено только

недавно. Большинство исследований было сконцентрировано на возмож-

ных последствиях воздействий частиц на сердечно-сосудистую систему. Од-

нако недавние данные подтвердили концепцию, что нервная система также

может служить мишенью для вредных эффектов ингалируемых частиц.

Две комплементарные гипотезы объясняют нарушения функции сердечно-

сосудистой системы после

ингаляции ультратонких частиц. Первая гипоте-

за объясняет наблюдаемые эффекты появлением строгих (и сохраняющихся)

легочных воспалительных реакций, приводящих к высвобождению медиа-

торов, которые могут влиять на сердце или другие сердечно-сосудистые

исходы. Вторая гипотеза объясняет, что частицы транслоцируются из лёг-

ких в системное кровообращение и тем самым прямо или косвенно влияют

на

гемостаз и сердечно-сосудистую целостность. Прохождение твердых ма-

териалов из легочного эпителия в кровообращение, по-видимому, ограни-

чено наночастицами. Вопрос о транслокации частиц всё ещё нуждается в

уточнении [11].

Эпидемиологические исследования предоставили ценную информацию

о побочных для здоровья эффектах, особенно воздушных загрязнений, ука-

зывая на то, что наночастицы являются важными средовыми факторами рис-

ка для сердечно-сосудистой смертности. Индуцируемые частицами легоч-

ные и системные воспаления ускоряют атеросклероз и меняют сердечную

автономную функцию и могут быть частью патофизиологического пути, свя-

зывающего

загрязнение воздуха частицами с сердечно-сосудистой смерт-

ностью. Было также установлено, что частицы, откладывающиеся в альве-

олах, ведут к активации продукции цитокинов альвеолярными макрофага-

ми и эпителиальными клетками и к увеличению воспалительных клеток.

Увеличение вязкости плазмы, fibrinogen и C-реативного белка наблюда-

лось в выборках случайно отобранных здоровых взрослых, связанных с

воздушным

загрязнением.

Таким образом, по данным ряда исследований, попадание наночастиц

в организм человека может привести к воспалению легочной ткани, пора-

жению сердечно-сосудистой системы, а также печени, почек. Это основные

факторы риска, которые необходимо учитывать в моделях риска при попа-

дании наночастиц через лёгкие. При этом, по-видимому, в первом прибли-

жении

за основу можно взять уже разработанные модели оценки риска для

взвешенных веществ диаметром до 2,5 мкм (фракция PM 2,5), которые вы-

зывают похожие ответные реакции организма.

Главное достоинство разрабатываемых и предлагаемых для практиче-

ского использования моделей оценки риска – это возможность получения

достаточно ясных для специалиста результатов в виде, пригодном для ос-

новы принятия

управленческих решений.

6.2. Разработка технических регламентов опытного

и промышленного производства наноматериалов

в части разделов «Требования техники безопасности»

и «Охрана окружающей среды»

На данный момент переход от производства в лаборатории к промыш-

ленному производству нанотехнологической продукции осложняется зна-

чительными проблемами, так как надежную обработку материалов в нано-

масштабе требуемым образом все

еще очень трудно реализовать. Однако

задача создания технических регламентов обращения с наноматериалами

пока не ставится, что очень опасно. Ведь кроме проблемы безопасности

труда на производстве, есть проблема безопасности конечного продукта

для потребителя, проблема охраны наносубстанций – как и любых эколо-

гически опасных и потенциально опасных веществ, проблема утилизации,

в том числе просроченных средств, созданных при помощи нанотехноло-

гий и, конечно же, проблема контроля качества, чтобы созданное было без-

вредно для потребителя.

Учитывая, как правило, низкую степень автоматизации и оснащённости

защитными системами существующих

опытных нанопроизводств, одним

из главных рисков для здоровья персонала является появление воздушных

взвесей наночастиц как побочного продукта производства. В большинстве

своем они токсичны для человека и могут вызывать ряд заболеваний. Од-

нако в отсутствие гигиенических нормативов на наночастицы и наномате-

риалы главным и в сущности единственным возможным методом регули-

рования

воздействия выбросов нанопримесей и других вредных факторов

на персонал производств и население является применение моделей оценки

риска (в частности уже существующих моделей для взвешенных веществ

микронных размеров и разрабатываемых моделей для наночастиц) и кон-

цепции приемлемого риска.

Приемлемый риск – уровень риска развития неблагоприятного эффекта,

который не требует принятия дополнительных мер по

его снижению [3].

Это вероятность наступления события, негативные последствия которого

настолько незначительны, что ради получаемой выгоды от факторов риска

человек, или группа людей, или общество в целом готовы пойти на этот

риск.

Уровень допустимого риска устанавливается путем его сопоставления с

рисками, которые существуют в повседневной деятельности или жизни лю-

дей. Уровень

допустимого риска зависит от научных данных, социальных,

экономических и политических факторов, а также от ощущаемых выгод,

получаемых от использования химического соединения или процесса.

Уровень приемлемого риска устанавливается раздельно для населения и

персонала производств. В качестве приемлемых уровней риска чаще всего

используются следующие величины.

1) В ряде стран в качестве приемлемого индивидуального

канцероген-

ного риска используются величины на уровне от 10

–4

до 10

–6

. Целевой уро-

вень риска, который должен быть достигнут в результате проведения ме-

роприятий, как правило, принимается равным 10

–6

. В соответствии с реко-

мендациями U.S. EPA и некоторых других зарубежных агентств при уров-

нях пожизненного канцерогенного риска более 10

–3

существует экстренная

необходимость проведения мероприятий по его снижению. Для условий

производственного воздействия уровни допустимого риска составляют 10

–3

– 10

–4

. Как правило, приемлемый индивидуальный канцерогенный риск для

населения составляет для канцерогенов группы А – 0,00001, для остальных

канцерогенов – 0,0001. В нормах радиационной безопасности (НРБ-99)

предел индивидуального пожизненного риска для техногенного облучения

персонала принимается 1,0·10

–3

, а для населения – 5,0·10

–5

2) Индекс приемлемого неканцерогенного риска и риски по всем поро-

говым моделям – 1.

3) Индивидуальный неканцерогенный риск немедленных эффектов: не-

специфический запах (привкус) – 0,05; навязчивый запах (привкус) – 0,001;

4) Индивидуальный неканцерогенный риск хронических эффектов –

риск хронической интоксикации (беспороговый) – 0,02.

Контроль воздействия – компонент управления риском – предусматри-

вающие действия, предпринимаемые для поддержания экспозиции ниже

допустимого максимального уровня [3]. Процесс

включает установление это-

го уровня на основе сравнительной оценки риска.

Сравнительный анализ риска – это процесс сравнения и ранжирования

различных типов риска для определения приоритетов при его регулирова-

нии и распределении финансовых вложений [3]. Это также начальный этап

управления рисками, в котором формулируется суждение о выраженности

и приемлемости риска; осуществляется сравнение рассчитанных

рисков от

воздействия фактора окружающей среды с рисками, вызываемыми други-

ми агентами или социальными факторами, и выгодами, связанными с при-

менением этого фактора среды. На этой основе принимаются решения о

«приемлемом риске». Сравнительная характеристика риска рассматривает-

ся не только как аналитический процесс, но и как система методов и моде-

лей,

включающих постоянное измерение, сопоставление и ранжирование

факторов окружающей среды.

Сравнительный анализ рисков является методически слабо разработан-

ным. Существующие подходы позволяют ранжировать отдельно канцеро-

генные и неканцерогенные риски. Однако единой универсальной модели

ранжирования различных типов рисков с точки зрения установления при-

оритетов управления не существует. Ранжирование на основе количест-

венных оценок не

всегда возможно. Канцерогенный и неканцерогенный рис-

ки практически трудно соединить, так как часто используются разные еди-

ницы измерения этих рисков. Кроме того, имеется много неопределенно-

стей в оценке риска, которые не всегда могут быть учтены.

Следует также учитывать, что сама по себе величина риска – это веро-

ятность развития неблагоприятного эффекта у индивидуума или группы

людей, в которой не учитывается ни патогенез, ни степень тяжести небла-

гоприятных эффектов, ни численность экспонируемой популяции. Поэтому

только лишь сами величины рисков не могут быть положены в основу

сравнительного анализа. Сравнивать

риски можно, лишь используя поня-

тие натурального ущерба здоровью. Поэтому необходимо разрабатывать

математические модели оценки ущерба здоровью населения, являющиеся

основой сравнительного анализа рисков. Нами разработаны приёмы срав-

нительной оценки рисков на основе анализа компонентов натурального

популяционного ущерба.

Кроме этого одним из методов установления приемлемого риска является

затратно-прибыльный анализ. Затратно-

прибыльный анализ – метод эконо-

мического анализа, применяемый на стадии управления риском здоровью

для разработки сценария сокращения риска и предполагающий, что со-

кращение риска для здоровья должно происходить до тех пор, пока допол-

нительные выгоды от сокращения риска больше, чем дополнительные за-

траты на их достижение; достигнутый при этом уровень риска и

определя-

ется как «приемлемый» [2].

Таким образом, для разработки регламентов опытного и промышленного

производства наноматериалов в части разделов «Требования техники безо-

пасности» и «Охрана окружающей среды» необходимо решение следую-

щих задач: 1) установление количественных зависимостей между эмиссия-

ми из различных источников и их воздействиями (рисками) на человека;

2) сравнительный анализ рисков с установлением

уровней приемлемого

риска; 3) разработка и внедрение приёмов инструментального и аналити-

ческого контроля воздействия.

6.3. Анализ жизненного цикла производимых наноматериалов

и наносубстанций, используемых в производстве

Анализ заключается в прослеживании стадий и технологий, определяю-

щих полный жизненный цикл наноматериала (нанотехнологии) от добычи

сырья и технологических процессов получения наноматериала до оконча-

тельной утилизации

использованного продукта и отходов производств с

количественной оценкой экологической нагрузки на каждой стадии.

В общем случае промышленная продукция проходит определенные ста-

дии: добыча сырья, создание, эксплуатация продукции, утилизация (захо-

ронение) отходов. Развивая представление о полном жизненном цикле и

связывая его с производством любого вида продукции, включая исходные

материалы и технологии ее получения, можно устанавливать каналы, по

которым происходит обмен потоками вещества и энергии в процессе соз-

дания, эксплуатации и утилизации (захоронения) продукции, а также оце-

нивать их значимость по силе

воздействия на окружающую среду [8]. Опи-

санная модель жизненного цикла продукции от получения первичного сы-

рья и энергии до выпуска продукции с учетом воздействий на окружаю-

щую среду представлена на рис. 4.

Рис. 4. Жизненный цикл продукции

Продукционная система как модель жизненного цикла продукции для

целей анализа должна быть разделена на совокупность единичных процес-

сов так, чтобы каждый из них включал одну или несколько функций. Еди-

ничные процессы, в свою очередь, соединяются друг с другом элементар-

ными потоками, определяющими собой потоки сырья, полуфабрикатов

энергии, отходов для переработки. При разделении продукционной систе-

мы на единичные процессы упрощается идентификация входов и выходов

продукционной системы. Во многих случаях выходные потоки одного

процесса являются входными для другого процесса и не являются частью

конечного продукта этого процесса. Границы единичного процесса опре-

деляются уровнем детализации модели, необходимым для достижения це-

лей исследования.

В зависимости от объектов анализа экологическая оценка полного жиз-

ненного цикла направлена:

– на анализ производства (предприятия);

– анализ производственных процессов и продуктов;

– сравнительный анализ различных продуктов потребления.

Оценка жизненного цикла как

метод оценки экологических свойств и

качеств продукции и потенциальных воздействий ее на окружающую среду

включает в себя следующие этапы:

– определение целей и содержания оценки жизненного цикла;

– инвентаризационный анализ, т.е. формирование перечня входных и

выходных материальных и энергетических потоков на стадиях жизненного

цикла продукции, проведение необходимых расчетов на

основе балансо-

вых методов в рамках данного анализа;

– оценку потенциальных воздействий на окружающую среду, связан-

ных с входными и выходными потоками вещества и энергии на всех ста-

диях жизненного цикла;

– интерпретацию результатов анализа воздействий для достижения це-

лей оценки жизненного цикла.

Оценка жизненного цикла – это сравнительно новый и весьма

перспек-

тивный подход в установлении связей и определении воздействий на ок-

ружающую среду, связанных с техногенными процессами. Однако методо-

логия и научный подход к оценке воздействий на стадиях жизненного цик-

ла пока только разрабатываются. Модели для различных категорий воздей-

ствий находятся на различных стадиях готовности. В основном этот про-

цесс

включает объединение данных инвентаризационного анализа с удель-

ными потенциальными воздействиями на окружающую среду и понимани-

ем роли таких воздействий. Сейчас нет общепризнанной методологии для

обеспечения соответствия и точности соотнесения данных инвентаризаци-

онного анализа с потенциальными воздействиями на окружающую среду.

Таким образом, магистральным направлением обеспечения экологиче-

ской безопасности нанотехнологий и производимых наноматериалов

будет

переход на систему жёсткого контроля нанопродуктов на различных ста-

диях жизненного цикла: от различных стадий производства и использова-

ния до их полной утилизации (рециркуляции) с сопоставлением выявлен-

ных рисков на стадиях жизненного цикла с ранее установленными уровня-

ми приемлемого риска.

Так как система гигиенического нормирования относительно наноча-

стиц, наноматериалов, наносубстанций ещё не разработана, то в сущности

задачи данного исследования совпадают с задачами анализа рисков для

здоровья и одного из его этапов – мониторинга риска. Мониторинг риска –

один из компонентов управления риском для здоровья – процесс, заклю-

чающийся в принятии решений и действиях в

рамках управления риском с

целью проверки, достигнута ли цель уменьшения риска (до приемлемого

уровня) при снижении воздействия [3].

В конечном счете предполагается, что результаты исследований, про-

ведённых по предлагаемой схеме, сделают возможным научно-обоснованное

проведение ОВОС и экологической экспертизы опытных, полупромыш-

ленных и промышленных нанотехнологий и производств, которое на дан-

ный

момент практически невозможно. Решение поставленных вопросов и

задач позволит в конечном счете преодолеть экологические ограничения,

которые неизбежно возникнут в будущем в результате перехода от лабора-

торного производства к опытному, а затем к массовому промышленному

производству и использованию наноматериалов.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Нанотехнологии – 1) исследования и разработки на атомном, молеку-

лярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до

ста нанометров; 2) создание и использование искусственных структур, уст-

ройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают су-

щественно новыми свойствами и функциями; 3) манипулирование вещест-

вом на атомной шкале дистанций.

Наноматериалы – материалы,

содержащие структурные элементы, гео-

метрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают

100 нанометров. При уменьшении размеров до нанометрового масштаба ма-

териалы способны приобретать уникальные качества: высокую прочность,

жесткость, электро- и теплопроводность и т.д. Необычные свойства объяс-

няются высоким отношением поверхности к объему, кооперативными яв-

лениями среди ограниченного

числа атомов и молекул, наличием кванто-

вых эффектов в наноразмерной структуре.

Фуллерены – новая форма молекулярного углерода, полученная в 1985 г.

в физическом эксперименте – совершенная молекула чистого углерода в

форме полого полиэдра, составленного из 5- и 6-угольных граней, встре-

чающихся по три в каждой вершине, где располагаются 60 атомов углерода.