книги / Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками

Рис. 11.8. Биосовместимость наночастиц в зависимости от их физических характеристик [43]

Гидрофобные частицы имеют очень небольшое время жизни в кровотоке, поскольку они оперативно выводятся из организма печенью и селезенкой. Размер наночастиц также является определяющим фактором в этом вопросе: частицы размером менее 8 нм выводятся почками, в то время как печень «специализируется» на более крупных образованиях – она удаляет из кровяного русла любые частицы диаметром более 200 нм. Вывод с желчью ограничен размером желчных протоков (30 нм), и более крупные частицы «дожидаются своей очереди», пока не раздробятся до приемлемого размера. Почки являются органом, который специализируется на выведении из организма различных водорастворимых токсикантов и метаболитов и поддерживает гомеостаз в организме. Каждая почка состоит из миллиона нефронов, способных осуществлять экскрецию.

Также выведение токсиканта из организма через почки вмочу зависит от коэффициента распределения Нернста, константы диссоциации и pH мочи, размера и формы молекул, скорости метаболизма в более гидрофильные метаболиты, а также состояния здоровья почек. Кинетика почечной экскреции токсиканта или его метаболита может быть выражена с помощью двух-, трех- и четырехфазной кривой экскреции в зависимости от распределения конкретного токсиканта в различных компартментах организма, имеющихразличнуюскоростьобменаскровью.

271

Элиминация с воздухом, выдыхаемым через легкие. Эли-

минация через легкие (десорбция) характерна для токсикантов

свысокой степенью летучести (например, органические растворители). Газы и пары с низкой растворимостью в крови быстрее выводятся из организма по этому пути, тогда как токсиканты

свысокой растворимостью в крови выводятся из организма по другим путям.

Органические растворители, абсорбируемые ЖКТ или кожей, выводятся частично с выдыхаемым воздухом при каждом прохождении крови через легкие при условии достаточного давления газов. Концентрация СО в выдыхаемом воздухе находится в равновесии с содержанием в крови CO-Hb. Радиоактивный газ радон появляется в выдыхаемом воздухе в результате распада радия, аккумулированного скелетом. Взаимосвязь между элиминацией токсиканта с выдыхаемым воздухом и временем, прошедшим с момента воздействия, обычно изображается трехфазной кривой. Первая фаза отражает элиминацию токсиканта через кровь, показывая его краткий период полураспада. Вторая, более медленная фаза показывает элиминацию в результате обмена крови с тканями и органами (система быстрого обмена). Третья, очень медленная фаза вызвана обменом между кровью и жировой тканью и скелетом. Если токсикант не аккумулируется в этих компартментах, кривая будет иметь две фазы. В некоторых случаях возможна четырехфазная кривая. Иногда используется определение газов и паров в выдыхаемом воздухе в период после воздействия для оценки воздействия на работников.

Другие способы выведения нанотоксикантов. Ионы неко-

торых металлов и лекарственных препаратов могут выводиться из организма через слизистую мембрану рта со слюной (свинец («свинцовая линия»), ртуть, мышьяк, медь, а также бромиды, иодиды, этиловый спирт, алкалоиды и т.п.). Затем токсиканты заглатываются и поступают в ЖКТ, где могут быть реабсорбированы.

Многие вещества, не являющиеся электролитами, могут быть частично выведены из организма с потом: этиловый спирт, ацетон, фенолы, дисульфид углеродаихлорированныеуглеводороды.

272

Многие металлы, органические растворители и некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ) выделяются через молочную железу в молоко матери. Этот путь попадания веществ в организм может представлять опасность для новорожденных, вскармливаемых молоком матери.

Анализ волос может быть использован как индикатор гомеостаза некоторых физиологических веществ. Этот вид анализа также может быть использован для оценки воздействия некоторых токсинов.

Элиминацию токсикантов из организма можно ускорить следующими способами:

–механическая транслокация с помощью промывания желудка, переливания крови или диализа;

–создание физиологических условий, мобилизующих токсикант при помощи диеты, изменения баланса гормонов, улучшения функциипочекпутемиспользованиямочегонногосредства;

–введение в организм комплексообразующих агентов (цитраты, оксалаты, салицилаты, фосфаты) или хелирующих (CaEDTA, BAL, ATA, DMSA, пеницилдамин); данный метод показан только под строгим медицинским контролем. Введение в организм хелирующих агентов часто используется для выведения тяжелых металлов из организма работников, подвергшихся воздействию в процессе медицинского лечения. Этот метод также используется для оценки общей нагрузки на организм

иуровня предыдущих воздействий.

11.5. Оценка воздействия

Для оценки воздействия наночастиц на человека и/или оценки степени интоксикации были установлены биологические пределы (биологические ПДК, биологические индикаторы воздействия – BEI). Эти биологические анализы показывают внутреннее воздействие на организм, т.е. общее воздействие на организм рабочей и бытовой окружающей среды через все пути воздействия. На производстве и/или в быту люди обычно подвергаются одновременному или последовательному воздейст-

273

вию физических и химических агентов. Также необходимо учитывать, что некоторые люди принимают лекарства, курят, употребляют алкоголь и пищу, содержащую добавки и т.п. Это означает, что, как правило, имеет место многократное воздействие. Физические и химические агенты могут взаимодействовать на каждой стадии токсико-кинетического и/или токсико-динами- ческого процесса, вызывая три возможных эффекта:

1.Независимый. Отдельные агенты вызывают различные эффекты из-за различного механизма действия.

2.Синергический. Комбинированный эффект превосходит эффект, вызываемый каждым агентом в отдельности. Здесь мы различаем два типа: а) совокупный, когда комбинированный эффект равен сумме эффектов, вызываемых каждым агентом

вотдельности; б) потенцирующий, когда комбинированный эффект превышает совокупный.

3.Антагонистический.

Следует отметить, что исследования комбинированных эффектов проводятся редко. Этот вид исследований связан с большими трудностями из-за комбинации различных факторов и агентов. При последовательном воздействии на человеческий организм двух или более токсикантов необходимо учитывать возможность некоего комбинированного эффекта, способного повышать или снижатьскоростьтоксико-кинетических процессов.

Существует предельно допустимая концентрация пребывания частиц в воздухе рабочей зоны. Предельно-допустимая концентрация химического соединения во внешней среде – такая концентрация, при воздействии которой на организм человека периодически или в течение всей жизни – прямо или опосредованно через экологические системы, а также через возможный экономический ущерб – не возникает соматических (телесных) или психических заболеваний (в том числе скрытых и временно компенсированных) или изменений состояния здоровья, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, обнаруживаемых современными методами исследования.

274

Основанием для установления ПДК является концепция пороговости вредного действия веществ.

Порог вредного действия (однократного и хронического) – это минимальная концентрация (доза) вещества в объекте окружающей среды, при воздействии которой в организме (при конкретных условиях поступления вещества и стандартной статистической группе биологических объектов) возникают изменения, выходящие за пределы физиологических приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Порог однократного действия обозначается символом Limac, порог хронического действия символом Limch .

Под токсичностью, как мерой несовместимости химического вещества с жизнью, понимают величину обратную абсолютному значению средней смертельной дозы (I / DL50) или концентрации летальной (I / CL50). При этом под дозой имеется в виду количество вещества, воздействующее на организм. Доза за единицу времени называется уровнем дозы. Величины средних смертельных доз или концентраций выбраны потому, что эти величины, соответствующие гибели 50 % подопытных объектов, наиболее статистически достоверны [58].

Концентрации воздействующего вещества выражаются обычно в следующих единицах: мг/м3, мг/л, мг/кг, %. Зависимость эффекта воздействия веществ на биологический объект от концентрации (дозы) может быть изображена графически в виде кривой «доза – эффект». На рис. 11.9 представлены типичные виды таких кривых. В большинстве случаев они представляют собой S-образные кривые, а в ряде случаев – гиперболы, экспоненты или параболы. Эти кривые отражают сложный характер взаимодействия вредного вещества с объектом, качественные и количественные особенности такого взаимодействия в каждом конкретном случае. Из рис. 11.9 видно, что на кривых «доза – эффект» имеются различные участки, на которых небольшие изменения концентрации (дозы) вещества либо вызывают значительное увеличение эффекта воздействия, либо приводят лишь к слабому изменению эффекта.

275

Рис. 11.9. Кривые «доза – эффект» для веществ а, b, с

По рис. 11.9 видно, что если располагать вещества а, b, с в порядке возрастания эффекта их воздействия, то в различных зонах кривой «доза – эффект» этот порядок будет различным. Так, в зоне I a > b > c, в зоне II b > a > c, в зоне III b > c > a и в зоне IV c > b > a. Таким образом, видно, что если оценивать токсичность вещества по величине дозы, вызывающей определенный процент гибели животных, то результат сравнительного анализа токсичности веществ может быть различным, в зависимости от того, в какой зоне кривой «доза – эффект» проводится этот анализ. Это обстоятельство обусловливает важность изучения всех зон кривых «доза – эффект».

Особенности повторного воздействия вредных наноча-

стиц. В случае повторных воздействий вредных веществ на биологический объект картина возникающих эффектов значительно усложняется. При этом одновременно протекают два процесса: адаптация и кумуляция.

Наночастицы могут постепенно накапливаться в организме при повторных воздействиях. Явление, при котором поступление вещества в организм превышает выведение его из организма, называется кумуляцией (или материальной кумуляцией).

276

При этом может происходить также нарастание изменений биологического объекта, вызванное повторным воздействием веществ. Такое явление называется функциональной кумуляцией. В этом случае после воздействия вредного вещества не происходит полного восстановления нарушенных функций биологического объекта и в результате накопления незначительных изменений возникает патологический процесс.

Кумуляция может иметь место при комплексообразовании вредного вещества и прочном связывании его в определенном месте организма. Например, накопление радиоактивного стронция в костях, йода в щитовидной железе, тяжелых металлов

впочках, липофильных хлорорганических инсектицидов в жировой ткани и т.п.

Специфика кумулятивности еще в большей степени наблюдается в сложных системах. В этом случае отдельные элементы системы обладают способностью концентрировать вредные вещества. Особенно легко проследить эффект концентрирования по трофическим (пищевым) цепям. Так, при анализе трагедии Минамата, связанной с массовыми отравлениями ртутью в пищевых продуктах, было найдено, что при переходе в трофической цепи вода – планктон – рыба – птица – человек концентрация ртути возрастала в 105 раз, т.е. в 10 раз на каждое звено цепи.

Кумуляция определяется коэффициентом кумуляции, представляющим собой отношение величины суммарной дозы вещества, вызывающей определенный эффект (чаще смертельный) у 50 % подопытных животных при многократном дробном введении, к величине дозы, вызывающей тот же эффект при однократном воздействии

Если материал может легко переноситься по воздуху, то размер его частиц или капель определяет возможность попадания в дыхательные пути и наиболее вероятное место накопления в организме. Доля вдыхаемых наночастиц, которые могут накапливаться

ворганизме, составляет 30–90 % в зависимости от частоты дыхания иразмера частиц. Более 50 % наночастиц размером от 10 до 100 нм могут накапливаться в альвеолах, в то время как наночастицыразмером менее10 нм– вголовномигрудномотделе.

277

Следующие факторы увеличивают потенциальное воздействие наночастиц на рабочем месте:

–работа с сухими рассыпчатыми наноматериалами;

–работа с наноматериалами в жидкой фазе без использования необходимых средств индивидуальной защиты, например, перчаток;

–работа с наноматериалами в жидкой фазе на этапе их разлива, смешивания, взбалтывания;

–производство наноматериалов в газовой фазе в незакрытых системах;

–использование порошков, содержащих наноматериалы,

втом числе их взвешивание, перемешивание, разгрузка, распыление и т.д.;

–очистка и ремонт оборудования, используемого в производстве и упаковке наноматериалов;

–ликвидация разливов материалов и обращение с отходами;

–очистка систем сбора пыли;

–переработка, шлифовка и другие процессы;

–нанесение защитных покрытий;

–производство и применение лакокрасочных покрытий;

–текстильное производство;

–производство и применение углеродных нанотрубок;

–производство фармацевтической и косметической продукции;

–электродуговая сварка и резка металлов;

–газоаэрозольные выхлопы дизельных двигателей.

278

12. МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ

12.1. Методы оценки потенциальных экологических аспектов

Экологический менеджмент располагает техникой для анализа и оценки воздействия деятельности предприятия на окружающую среду, а также для анализа проблем с точки зрения постоянного улучшения окружающей среды. К этим методам относятся:

ABC-анализ – служит для определения и выявления наиболее значимых проблем, связанных с воздействием процессов производства на окружающую среду. Целью анализа является ранжирование проблем и установление порядка их разрешения [2].

Метод анкетирования – применяется как вспомогательное средство информационного обеспечения. Используется при системном сборе сведений и контроле деятельности предприятия в области охраны окружающей среды (организационные, технические и кадровые аспекты), а также при проверке выполнения внешних и внутренних требований, предъявляемых к экологическому менеджменту [2].

Анализ возможных погрешностей и воздействий – позволя-

ет анализировать возможные погрешности, экологические проблемы и риски, связанные с производством изделий и технологическими процессами. Метод направлен на систематическую оценку и определение последовательности оценки экологических проблем, предупреждение возможных последствий [2].

Экобаланс – дает возможность учесть и проанализировать оборот материала и энергии на предприятии, оценить воздействие их на окружающую среду. Последовательное применение метода позволяет выявить направление деятельности предприятия, оказывающее воздействие на окружающую среду. Экобаланс – это общий и систематический анализ, оценка вредных

279

воздействий на окружающую среду путем принятия оперативных и стратегических решений при постоянном экологическом контроле.

Анализ жизненного цикла продукции – позволяет анализиро-

вать и оценивать воздействие на природу, общество и экономику, связанное с производством продукта при наблюдении за всем его циклом жизни.

Карта качества – является инструментом управления, регулирования процессов производства, которые находятся под статистическим контролем. Она используется в рамках статистического регулирования процесса. Применение карты позволяет рано распознать отклонения в последовательности процесса производства.

Парето-диаграмма – графически (в виде колонок) представляет зависимость проблемы от причин в последовательности их значений. Парето-принцип свидетельствует о том, что 20 % причин вызывает 80 % последствий. С помощью диаграммы устанавливаются причины наибольших воздействий на окружающую среду. Парето-диаграмма указывает, какую причину преимущественно нужно устранять [2].

Диаграмма корреляции – представляет графическое соотношение между двумя переменными величинами процесса. При наличии линейной зависимости может быть выявлена закономерность между исследуемыми параметрами процесса

Причинно-следственная диаграмма – структурирует техни-

ку анализа проблем и представляет все возможные ключевые проблемы (например, действие на окружающую среду) графически. Подробным исследованием разделения причин можно оценивать влияние каждой из них на проблему. Это позволяет учесть все причины, влияющие на проблему, например на защиту окружающей среды [2].

Группа качества – представляет собой небольшую группу сотрудников (до 5 человек), которые регулярно собираются для обсуждения проблем, встречающихся на каком-либо участке работы. Целью группы качества является: улучшение производственной

280