Наноматериалы могут быть опасными для людей и окружающей среды

Александр Леонтьев

Всемирный экономический форум в Давосе в докладе о глобальных рисках в 2010 году поднял вопрос об угрозе, которую может нести все более широкое использование наноматериалов. Стремительная коммерциализация достижений нанотехнологий не сопровождается адекватными исследованиями воздействия наночастиц на живые организмы и экосистемы: использование наноматериалов в мире (за исключением Канады) регулируется государством в лучшем случае рекомендательно.

В России токсикологические исследования и надзор за наноматериалами регулируются принятой в 2007 году Роспотребнадзором "Концепцией токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов". Это также скорее декларация, нежели настоящее руководство к действию.

Призывы выработать единые правила и стандарты в области нанотехнологий все настойчивее. Международная организация по стандартизации недавно разработала набор тестов ISO 10808:2010 для испытания ингаляционной токсичности наночастиц.

В 2011 году эксперты Давосского форума не стали рассматривать токсичность наночастиц как отдельную угрозу, но включили ее в риски, связанные с использованием новых технологий.

Наноповседневность

За последние пять лет вшестеро — с 212 в 2006 году до 1317 в 2011 году — выросло число потребительских товаров, в состав которых входят наноматериалы (данные исследовательского центра им. Вудро Вильсона). Это главным образом гигиенические и косметические продукты, а также спортивный инвентарь и одежда. Приблизительно в 30% производители использовали наночастицы серебра — для придания изделиям (от носков и зубных паст до разделочных досок и молочных пакетов) антибактериальных свойств. Фуллерены, наночастицы золота, оксидов титана, цинка и кремния чаще всего включали в состав косметических средств и солнцезащитных кремов в качестве антиоксидантов и ультрафиолетовых фильтров.

Помимо потребительских товаров, нанотехнологические продукты применяются в промышленности: от производства армированных углеродными нанотрубками сверхпрочных пластмасс и самоочищающихся стекол на основе покрытий из диоксида титана до быстрозатвердевающих цементных смесей, легированных нанокристаллическим силикатом кальция. Вымывание наночастиц из таких композитных материалов может оказывать негативное влияние на окружающую среду.

Как считать нано

Главным следует считать термин "нанометр" — это единица измерения, равная одной миллиардной части метра (1нм=10-9 м). Любой предмет, линейные размеры которого хотя бы в одном измерении меньше, чем 1000 нм (<1 микрометра), формально попадает под определение "нано".

Но ученые говорят, что наночастицами следует считать частицы менее 100 нм или даже 50 нм: в этом диапазоне наиболее ярко проявляются различия в свойствах обычных и наноматериалов. К примеру, температура плавления наночастиц золота диаметром 3 нм на 300°С ниже температуры плавления золота в слитках, а парамагнитные в обычном состоянии платина и палладий в виде наночастиц приобретают магнитный момент.

Высокое соотношение поверхности к объему и, соответственно, высокий процент атомов на поверхности — главный фактор, определяющий различие в поведении и свойствах нано- и микрочастиц. Поверхностные атомы связаны с меньшим числом соседних, и поэтому обладают избыточной энергией, что делает их свойства (а значит, и свойства наночастиц в целом) отличными от свойств атомов в толще материи. Микрочастица сажи размером 60 микрометров весит порядка 0,3 микрограмма и имеет площадь поверхности около 0,01 мм2. Углерода, содержащегося в одной такой частице, достаточно для производства 1 миллиарда наночастиц диаметром 60 нанометров, суммарная площадь поверхности которых уже 11,3 мм2 — в 1000 раз больше.

Подозрительные мелочи

Принято считать, что токсичность наночастиц коррелирует с их размером (меньше частица — больше токсичность) и удельной площадью поверхности (больше площадь — больше токсичность). Вдыхание воздуха, содержащего 10 мг на кубический метр частиц диоксида титана диаметром 20 нм, приводит к большему числу случаев рака легких, нежели то же по продолжительности воздействие 300-нанометровых частиц TiO2 в значительно более высокой концентрации 250 мг/м3.

Благодаря небольшим размерам наночастицы способны проникать через кожный покров, пищеварительную и дыхательную системы и аккумулироваться в клетках органов и тканей. Некоторые наночастицы способны приводить к гибели клеток, катализируя окислительные процессы и вызывая нарушения в работе ядра, митохондрий и других органелл. Многочисленные исследования подтверждают зависимость между возникновением серьезных заболеваний (включая раковые, кардиоваскулярные и нейродегенаративные) и продолжительным воздействием наночастиц на организм.

По существующим прогнозам, к 2020 году производство наноматериалов со специальными свойствами возрастет с нынешних 2000 тонн в год до 58000 тонн. По самым общим оценкам, токсикологическое воздействие этого количества наночастиц на здоровье людей и окружающую среду может быть эквивалентно 50 млрд тонн веществ в обычном состоянии.

На протяжении тысячелетий источником поступлений наноматериалов в окружающую среду были природные процессы: от песчаных бурь и извержений вулканов до лесных пожаров и соляных испарений. Развитие промышленности привело к тому, что в окружающей среде резко выросло — и продолжает расти — количество наночастиц антропогенного происхождения.

Доля синтетических наноматериалов пока незначительна, кроме того, в подавляющем большинстве случаев они находятся в связанном состоянии, в составе инертных матриц (полупроводниковые кристаллы в микропроцессорах, нанопокрытия режущих инструментов и т.д.). Токсикология таких нанокомпозитных материалов, как правило, не представляет серьезных рисков, в отличие от свободных наночастиц. Показательна история асбеста — распространенного и вполне безопасного минерала, канцерогенные свойства которого целиком на совести микроскопических волокон, образующихся в результате процессов добычи и переработки.

В целом, пока наши знания о токсичности наночастиц разрознены, далеки от всеобъемлющих и зачастую противоречивы, а нанотоксикология сильно отстает в развитии от нанотехнологий.