книги / Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками

Проводится полный комплекс исследований по проникновению наноматериалов через биологические мембраны и барьеры организма, распределению по органам и тканям, накоплению в жировой ткани, выведению из организма; общетоксикологическая оценка (острая, подострая и хроническая токсичность); комплекс специальных исследований, включающий тестирование генотоксичности, мутагенности, тератогенности, влияния наноматериалов на геномный (экспрессия генов), протеомный и метаболомный профиль организма, иммунотоксичности, органотоксичности, проницаемости барьера желудочно-кишечного тракта, аллергенности.

Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности (рис. 12.1) основывается на фундаментальных характеристиках тестируемого материала, декларируемых заявителем и (или) известных из данныхлитературы, ипредставляет собойследующее.

Рис. 12.1. Алгоритм оценки опасности

301

П. 1. а) Является ли объем производства наноматериала большим, чем 1 т/год, или б) образуются ли аэрозоли в ходе производства, или в) возможна ли прямая экспозиция материалом персонала производства, потребителей продукции, населения?

–если нет (по всем пунктам), то: низкий уровень потенциальной опасности;

–еслида(хотябыпоодному изпунктов), то– переход кп. 2. П. 2. Является ли материал водорастворимым?

–если нет – переход к п. 3;

–если да – низкий уровень потенциальной опасности.

П. 3. Является ли отношение максимального размера частицы

кминимальному потремпространственным осям большим1:100?

–если нет – переход к п. 5;

–если да – переход к п. 4.

П. 4. Превосходит ли максимальная размерность (длина) частиц 5 мкм?

–если нет – средний уровень потенциальной опасности;

–если да – переход к п. 6.

П. 5. Превосходит ли минимальная размерность (диаметр) частиц 100 нм?

–если нет – переход к п. 6.

–если да – средний уровень потенциальной опасности.

П. 6. Каковы данные о токсичности, системном воздействии на организм, способности вызывать оксидантный стресс, эндокринныенарушения, аллергизациюу данноговидананоматериалов?

–если имеются данные об отсутствии всех указанных эффектов – переход к п. 7;

–если имеются данные о наличии хотя бы одного эффекта или данные по всем эффектам отсутствуют – высокой уровень потенциальной опасности.

П. 7. Имеются ли данные о возможности накопления наноматерала в среде обитания и организмах животных и растений или о возможности дальнегопереноса ипередачи попищевым цепям?

–если имеются данные об отсутствии эффекта – средний уровень потенциальной опасности;

–если имеются данные о наличии эффекта или данные отсутствуют – высокий уровень потенциальной опасности.

302

13. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКЦИИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Комплексные методы, такие как метод оценки жизненного цикла, играют важную роль в анализе, оценке воздействия нанотехнологий на окружающую среду и здоровье человека управлении им. Внедрение новых технологий влечет за собой возникновение противоречий между принципом предупреждения негативного воздействия и потенциальными преимуществами, связанными с использованием нанотехнологий. Кроме того, меры, предпринимаемые для защиты природной среды и здоровья населения, могут оказать неопределенное воздействие на развитие общества. Например, отказ от использования наноматериалов означает также исключение их возможного положительного влияния на население и окружающую среду. Таким образом, чтобы отдельные люди и население в целом приняли потенциальный риск, связанный с применением нанотехнологий, необходимо получить и предоставить достоверную информацию об их положительном влиянии.

Оценка жизненного цикла (ОЖЦ) – это метод, который позволяет оценить экологические аспекты и потенциальные воздействия (табл. 13.1).

Окончание табл. 1 3 . 1

При этом воздействие на окружающую среду и ресурсы включает в себя изменения климата, разрушение озонового слоя, токсическое воздействие на здоровье населения и экосистемы, истощениересурсов, использованиеводных ресурсов имногоедругое[2].

С учетом особенностей отдельных стадий жизненный цикл продукции нанотехнологий может быть представлен в виде схе-

мы (рис. 13.1).

Основные характерные особенности методологии ОЖЦ

всоответствии с ИСО 14040 следующие [2]:

–исследования, связанные с ОЖЦ, должны быть системными и соответствующим образом ориентированы на экологические аспекты продукционных систем от получения сырья до утилизации;

304

–глубина детализации и временные рамки исследования ОЖЦ могут в значительной степени изменяться в зависимости от поставленной цели и области применения;

–область применения, описание качества данных, применяемые методы и получаемые результаты ОЖЦ должны быть четкими и прозрачными. В исследованиях ОЖЦ должны обсуждаться и документироваться источники данных;

–методология ОЖЦ должна быть восприимчива к включению в нее новых научных результатов и усовершенствованию технологий;

–одного единственного метода проведения исследований ОЖЦ не существует.

Рис. 13.1. Жизненный цикл продукции нанотехнологий

Для оценки жизненного цикла наноматериалов необходимо обеспечить подробной информацией о физико-химических свойствах, размере частиц, удельной поверхности, экотоксичности и поведении их в окружающей среде. Для каждой стадии жизненного цикла материала необходимо:

1. Провести обзор информации о материале, его различных формах, примесях, которые могут появиться в результате промышленной переработки илитрансформаций вокружающейсреде.

305

2.Ранжировать информацию по степени важности. В местах, где существуют пробелы, определяются возможности их заполнения. Информация о свойствах и поведении наноматериала может служить основой для определения его опасности.

3.Составить характеристику опасности на основе всей собранной информации.

В настоящее время не существует стандартных или широко применяемых методов для оценки поведения наноматериалов

вокружающей среде. Когда подходящий аналитический метод станет доступным, появится возможность модифицировать традиционные методы оценки так, чтобы они отвечали особенностям наноматериалов. Кроме того, недостаточно известно, какие из физико-химических характеристик определяют транспорт наноматериалов между различными природными средами. Так, для традиционных веществ растворимость в воде и давление паров имеют важное значение. Однако с учетом того, что боль-

шинство наноматериалов обладают низкой растворимостью и низким давлением насыщенных паров, другие их физикохимические свойства, такие как способность к агломерации, поверхностный заряд, дисперсность, плотность частиц, размер частиц, могут быть ключевыми в определении их распространения в окружающей среде.

Такие факторы, как органическая или неорганическая природа наноматериала, его физико-химические свойства и существующая аналитическая методология определения присутствия самого вещества или его побочных продуктов в окружающей среде, являются наиболее существенными при выборе теста для выявления устойчивости того или иного материала. Например, биодеградацию оценивают только для органических наноматериалов, в то время как фотопревращения оценивают для обоих видов, если существует возможность обнаружения наноматериалов в воздухе, поверхностных водах и почве.

Оценка нанотехнологий и наноматериалов с использованием метода ОЖЦ открывает возможности для заинтересованных сторон осуществлять активные действия, направленные на снижение

306

и предупреждение потенциального негативного воздействия на здоровье человека и окружающую среду на всех этапах жизненного цикла продукции. Кроме того, в случае токсикологической безопасности продукции метод ОЖЦ может стать основой для получения информации, необходимой для поддержки решений, связанныхсразвитием определенных нанопродуктов [2].

Для государственных агентств анализ жизненного цикла нанотехнологий является источником информации для поддержки разрабатываемых законодательных и иных актов в области обеспечения безопасности, защиты потребителей, охраны окружающей среды. Выявленные на ранних стадиях преимущества и недостатки нанотехнологий могут быть последовательно учтены в международной политике в отношении продукции нанотехнологий. Результаты проведения ОЖЦ могут быть предоставлены общественности для обеспечения населения достоверной информацией, которая впоследствии может стать основой роста использования нанопродуктов.

В области нанотехнологий отсутствие жестких рамок при проведении оценки жизненного цикла может помочь в идентификации возможностей для предупреждения загрязнения и сокращения потребления ресурсов.

13.1. Получение сырья и производство конечного продукта

При выборе сырья для наноматериалов учитывается его состав и геометрические параметры (форма и размер), а также его химико-физические свойства. Сырьем для наноматериалов могут быть органические соединения (дендримеры, полимеры), неорганические соединения (металлы, оксиды металлов, гидроксиды металлов), углеродные соединения (углеродные нанотрубки, бакиболс) или несколько соединений одновременно. Состав учитывается при выборе способа производства конечного продукта, оценке его воздействия на окружающую среду

иего утилизации. Например, экстракция и обогащение металлов

иминералов, необходимые для производства наночастиц, могут

307

быть энергоемкими и ресурсоемкими процессами, в результате которых образуются отходы, которые необходимо утилизировать, что ведет к задалживанию земель. В случае использования наносеребра, если материал накапливается в значительных количествах в окружающей среде, его антибактериальные свойства могут способствовать увеличению экотоскичности и нарушению пищевых цепей.

Мы выделяли уже два основных пути производства наноматериалов: «сверху вниз» (уменьшение размеров микроскопических элементов до нанометрического масштаба) и «снизу вверх» (контролируемое объединение атомных и молекулярных агрегатов в более крупные системы).

Основой сегодняшней наноиндустрии является управляемый механосинтез, т.е. составление молекул из атомов с помощью их сближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим манипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором.

Зондовая микроскопия, с помощью которой в настоящее время перемещают отдельные молекулы и атомы, ограничена в диапазоне действия, в связи с чем сама процедура сборки объектов из молекул на наноуровне не может пока еще быть автоматизирована из-за наличия интерфейса «Человек – компьютер

– манипулятор». Таким образом, человек сегодня не только потребитель продуктов нанотехнологий, но и участник процесса их производства.

Все процессы происходят с определенным затратом энергии, поэтому необходимо учитывать энергопотребление для оценки воздействия на окружающую среду, так как оно связано с потреблением топлива и образованием парниковых газов. На рис. 13.2 представлены данные о потреблении энергии при производстве различных наноматериалов.

308

Рис. 13.2. Потребление энергии при производстве различных видов наноматериалов

Изготовление полупроводников отличается самым высоким из рассматриваемых материалов энергопотреблением. Высокая потребность в энергии объясняется использованием таких процессов, как осаждение из паровой фазы и термическое окисление. Хотя традиционный процесс измельчения применительно к TiO2 не требует значительных энергетических затрат, но этот процесс не подходит для нанокомпонентов, имеющих специальные поверхностные свойства или строго определенный состав смеси. Наоборот, при производстве таких материалов необходимы более сложные процессы, требующиеоптимизацииэнергозатрат.

13.2. Использование продукции нанотехнологий

При оценке влияния наноматериалов на этапе их применения учитывается способ использования наночастиц, что определяет путь их воздействия на здоровье человека. Различают воздействия через дыхательные пути (например, при вдыхании воздуха в рабочей зоне), кожу (частицы, содержащиеся в солнцезащитных кремах), пищеварительную систему (вместе с пищей) или парентерально (медицинские препараты).

309

Риск, связанный с наночастицами, зависит как от экспозиции, так и от опасности воздействия, и определяется путем поступления в организм.

Для оценки риска наноматриалов на этапе их использования необходимо охарактеризовать их опасность и определить размер частиц, химический состав, структуру, оболочку, покрытия. Далее, на основании результатов оценки воздействия с учетом поведения частиц, длительности применения продукта, путей доставки частиц и данных о токсичности материала необходимо оценить возможные риски, вероятность воздействия, его характер, а также эффективность средств и систем контроля.

13.3. Управление отходами продукции нанотехнологии и рециклинг

С целью лучшего понимания потенциальных объемов и характеристик отходов наноматериалов все отходы материалов, которые могут быть загрязнены наночастицами, выделяются в отдельный поток отходов (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Различные отходы нанотехнологий (жидкие и твердые)

Отходы, содержащие наноматериалы, подразделяют на следующие группы:

–чистые наноматериалы (например, карбоновые нанотрубки);

–объекты, загрязненные наноматериалами (например, средства индивидуальной защиты);

–суспензии, содержащие наноматериалы;

–твердые хрупкие матрицы с нановключениями или твердые материалы с наноструктурами, нежестко прикрепленными

кповерхности, что может привести к попаданиям наночастиц

310