Экологические проблемы развития нанотехнологий

Быстрый прогресс нанотехнологий в глобальных масштабах создает систему разноплановых эффектов для каждого отдельного человека, в том числе для его здоровья и окружающей среды: «Расшифровка генома человека, успехи трансплантологии, манипуляции со стволовыми клетками, экстра-корпо-ральное оплодотворение, клонирование, нанотехнологии... Как и насколько можно все это применять? Какие последствия ждут человечество?» [9]. Экологическая наука на современном этапе своего развития сталкивается с мощным вызовом «в лице» нанотехнологий, что требует формирования программы перспективных исследований фундаментального и прикладного характера. При этом следует учесть, что «никакой отдельной “нанонауки” нет и быть не может», напротив, «свой специфический наноуровень строения имеют или должны иметь как природные... так и социальные... объективно существую- щие системы, а следовательно, и системы знаний, их отражающие» [4, с. 6]. Очевидна необходимость целенаправленного и системного развития наноаспекта предметной области экологии.

Наноэкология (экология наноиндустрии) – новый раздел экологических исследований, предметом которых являются потенциал и риски, внешние и внутренние эффекты глобальной наноиндустриализации для окружающей среды человеческой жизнедеятельности, а также проблемы влияния нанотехнологий и наноматериалов на здоровье людей в целях разработки эффективных нормативов и стандартов. Данное направление научного поиска находится пока в стадии формирования, однако многие актуальные проблемы уже обсуждаются научной медицинской общественностью.

Безусловно, первым шагом на пути становления наноэкологии является объективное осмысление сути нанотехнологий и их четкое определение во избежание чрезмерного разнообразия трактовок.

Отмечается, что «термин нанотехнология объединяет разнородные представления и подходы, а также разные методы воздействия на вещество» [7, с. 16]. При этом верхняя граница «нанообласти» соответствует минимальным элементам больших интегральных схем, широко применяемых в полупроводниковой технике. К данной области относятся также фуллерены и нанотрубки. Кроме того, ряд вирусов и белковых молекул имеют размерность от 1 до 10 нм, радиус спирали ДНК составляет 1 нм, размеры молекул многих веществ находятся в диапазоне до 1 нм. Это, по мнению А.Г. Малышевой, свидетельствует о том, что «нанотехнология как бы объединяет все процессы, происходящие непосредственно с атомами и молекулами» [там же].

Существует также мнение, что «термин наночастицы не отражает принципиально нового содержания, вкладываемого в данное понятие» [12, с. 4]. Наночастицы имеют двумерную метастабильную фазу, отличную от объемного материала, и за счет этого приобретают качественно новые структурные и энергетические свойства. В силу наличия у наиболее реакционно способных наноструктур двумерной формы происходит межмолекулярное сопряжение, параллельное границам плоскостей. Особая форма наноструктур в виде молекулы фуллерена и нанотрубок способствует достижению принципиально нового электрофизического состояния. В принципе, это можно объяснить с помощью сформировавшихся на данный момент квантовых представлений.

Ученые-физики, занимающиеся непосредственно разработкой и испытанием новых углеродных структур, под термином «нанотехнология» подразумевают «совокупность технических приемов и исследовательских методик, позволяющих создавать объекты размером 1–100 нм и манипулировать ими» [6, с. 216]. Несколько расширенную трактовку использует Г.Г. Онищенко, определяя нанотехнологии как «совокупность методов направленного манипулирования материальными объектами в пределах размеров менее 100 нм, которые позволяют создавать из веществ традиционного химического состава структуры в нанометровом диапазоне (наноматериалы) и придавать им принципиально новые свойства, такие как уникальная механическая прочность, особые спектральные, электрические, магнитные, химические, биологические характеристики» [8, с. 4]. Заметим, что к продуктам нанотехнологий относятся наряду с наноматериалами также наноинтермедиаты (нанотехнологические компоненты) и продукты с нанокомпонентами, или нанотрансформированные товары [5], которые также подлежат охвату санитарногигиеническими нормами.

В перспективе ни одна отрасль народного хозяйства не дает столько возможностей для развития прогресса в других отраслях, как наноиндустрия. Имеются прогнозы, что после 2010 г. нанотехнологии станут широко использоваться в производстве товаров, особенно в медицине и фармации [2, с. 33]. Успехи нанотехнологии позволят осуществить более эффективное проектирование генома, сделают возможным использование дистанционных и вживляемых устройств, оптимизируют составы и транспорт лекарственных препаратов, что положительно отразится на развитии отраслей медицины и здравоохранения. Медицина приобретет антибактериальные и самоочищающиеся покрытия, нанокапсулы с метками-идентификаторами, позволяющие доставлять лекарственные препараты непосредственно в очаг поражения. Несомненна польза наноматериалов для экологии и энергосберегающей энергетики. Так, открытие упорядоченных мезопористых материалов с размерами пор в интервале 10–100 нм позволит использовать их для удаления ультратонких загрязнений; упрочненные полимерные наноматериалы снизят потребление бензина и уменьшат выделение углекислого газа автомобилями. В русле развития энергосберегающих технологий прорывной станет технология «поток через конденсатор», созданная для опреснения морской воды (10-кратная экономия энергии), и нанофильтры для контроля состояния воздуха и воды. Применение биоразрушае-мых химикатов, созданных с использованием нанотехнологий, в сельском хозяйстве позволит сократить до минимума применение традиционных пестицидов и гербицидов, в результате чего появятся возможности улучшения генофонда животных и растений [17, с. 24–25].

Уникальные полезные свойства наноматериалов имеют и обратную сторону – не менее феноменальные и пока что трудно про- гнозируемые риски [16]. Например, в 2004 г. научное сообщество было всерьез обеспокоено статьей Ч.-В. Лэма и соавторов, в которой говорилось о значительной токсичности нанотрубок [19]. При их введении в легкие грызунов у последних развивались гранулемы. Не случайно в отчете Научного комитета по новым рискам для здоровья (SCENIHR) Европейской комиссии и в «Руководстве по рискам нанотехнологий» Международного совета руководства рисками была выдвинута гипотеза о возможности возникновения у наночастиц уникальных вредных эффектов, никогда ранее не наблюдавшихся у химических веществ в других физических формах [3, с. 13]. Именно на их выявление, анализ и нормирование должны быть в первую очередь направлены усилия наноэкологов и наногигиенистов. Ведь «несмотря на то, что наноматериалы в мире используются уже более 10 лет, ни один вид не был изучен в полном объеме на безопасность ни в одной стране мира» [8, с. 4].

Общепринято мнение, что необычные свойства наноматериалов связаны с их размерами: так, диаметр молекулы фуллерена С60 равен 0,7 нм. Однако возникает и встречный вопрос: является ли размер частиц основной характеристикой, определяющей их опасность? [3, с. 12]. Есть основания предполагать, что наиболее существенным свойством, детерминирующим специфику токсического действия наночастиц, является их чрезвычайная стабильность. В силу данного свойства они практически не подвержены биотрансформации и не элиминируются из клеток, вызывая в них деструктивные процессы [там же, с. 13–14]. По мнению Г.В. Яковлевой и А.А. Стехина, «основное токсическое действие наночастиц обусловлено не самим веществом, из которого они получены, а их электрофизическими особенностями» [18, с. 26], способствующими доставке токсичных соединений к активным центрам рецепторов и формированию аномально большого количества свободных радикалов.

Еще одним важным свойством наночастиц является значительная кривизна их поверхности, которая в сочетании с трансформацией топологии связи атомов на поверхности ведет к существенному усилению раство- римости, реакционной способности и иных физико-химических свойств. Токсичность наночастиц также связана с повышенной адсорбцией ими ксенобиотиков, что резко расширяет возможности транспорта внутрь клеток и клеточных органелл, нарушая их биологические функции. При этом «наночастицы не распознаются защитными системами организма... Это ведет к накоплению их в растениях, животных организмах и микроорганизмах, что увеличивает возможность поступления в организм человека» [14, с. 21]. В частности, фуллерены способны проникать через липидные мембраны, модулировать транспорт ионов и преодолевать гематоэнцефалический барьер организма, а также переносить токсичные соединения в виде иммобилизованных комплексов [18, с. 22]. Следует учитывать, что для наночастиц также характерна функциональная зависимость уровня токсичности от дозы и времени воздействия, как и для других химических веществ. Вместе с тем наноразмер сам по себе вызывает радикальные изменения токсикологических свойств веществ: «Наноматериалы не всегда демонстрируют такие же свойства, что и объемные материалы, из которых они были получены» [17, с. 21]. Например, инертный в обычной форме оксид железа при его преобразовании в наноформу приобретает выраженные нейротоксические свойства [3, с. 14].

Негативное влияние наноматериалов на организм человека может носить не только прямой, но и отсроченный характер. Ученые предполагают возможность наличия у наночастиц генотоксического и мутагенного действия, обусловленных высокой проницаемостью для них клеток и тканей, индукцией ими свободных радикалов, способностью проникать в ядро клетки и конъюгировать с ДНК. Поэтому «стремительное развитие нанотехнологий требует столь же быстрой разработки подходов к оценке токсичности наноматериалов, в том числе их мутагенных свойств» [15, с. 26].

На современном этапе установлены три пути поступления наночастиц в организм: ингаляционный, кожный и пероральный (per os) [16, с. 16–21]. Методические подходы к оценке ингаляционного воздействия наночастиц обсуждаются учеными достаточно подробно, что связано с обширной базой эпидемиологических и токсикологических исследований ультрамалых частиц в воздухе. При этом в отношении методик анализа и контроля воздействия нанопродукции накожно и per os присутствует явная асимметрия. Этот факт тревожен еще и тем, что потребитель нанопродукции чаще всего будет сталкиваться с новыми материалами, улучшенными с помощью нанотехнологий (воздействие на кожу) и лекарственными препаратами, созданными или улучшенными с применением нанотехнологий (пероральное воздействие).

Обращаясь к вопросу безопасности лекарственных препаратов, улучшенных нанотехнологическими способами, отметим, что, несмотря на контроль со стороны Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), полностью подтвердить безопасность лекарственных препаратов, изготовленных с применением нанотехнологий и наноматериалов, нельзя. Так, до сих пор нет однозначного мнения по поводу токсичности фуллеренов, считающихся идеальным средством, обладающим исключительной избирательностью и высокой биодоступностью. Например, была открыта умеренная токсичность фуллеренов в качестве «молекул-повозок». В рамках своих исследований биолог Г. Обердорстер с коллегами проводили испытания токсичности фуллеренов, покрытых белковыми маркерами раковых клеток («клеток-мишеней»). Было обнаружено, что при добавлении раствора фуллеренов (в концентрации 800:1 000 000 000) в аквариумы с дафниями (ракообразные) происходит гибель половины испытуемых особей, а при воздействии раствора фуллерена на рыб возникают повреждения мембран клеток мозга [20]. Несомненно, что и перечень испытаний препаратов на токсичность, и длительность самих клинических испытаний будут расти пропорционально открытию новых, ранее неизвестных негативных эффектов нанолекарств.

Нанотехнологии воздействуют на окружающую среду не только сами по себе, но и в виде отходов нанопроизводства, а также при их превращении в отходы потребления [14]. Так, ученые, проанализировав один из самых распространенных методов производства нанотрубок – химическое осаждение в паровой фазе (CVD), – обнаружили, что в процессе химических превращений в окружающую среду поступает свыше 10 ароматических углеводородов, в том числе канцероген – полициклический бензапирен. Остальные компоненты «коктейля» негативно влияют на озоновый слой планеты.

Какими же путями осуществляется биодеградация наночастиц? Как она влияет на экологические цепи в живой природе? Какие методы следует применять для экспресс-идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, биосредах и отходах? Каким условиям должны отвечать полигоны по утилизации наноотходов? Какова степень опасности технологий, направленных на обезвреживание и уничтожение наноматериалов? Четких ответов на поставленные вопросы у мирового научного сообщества пока нет.

Прорывная технология, несомненно, должна сопровождаться параллельным, а в идеале опережающим изучением и предупреждением негативных эффектов, возникающих в результате ее масштабного внедрения. Но, как отмечает Г.Г. Онищенко, «единая методология и стандарты нанотоксикологических исследований за рубежом находятся в стадии разработки» [8, с. 6], в России же к их разработке приступили пока лишь концептуально.

Зарубежные ученые разрабатывают методы наблюдения, позволяющие отличить углеродные наноматериалы от богатых углеродом клеточных структур. Так, коллектив исследователей под руководством А. Портер в своих разработках применял трансмиссионную электронную и конфокальную микроскопию. Комбинирование указанных методов позволило проследить пути миграции нанотрубок в организме человека. Было установлено, что при попадании нанотрубок внутрь макрофагов человека они проникают не только в цитоплазму, но и в некоторые органеллы и клеточное ядро, ассоциируясь с внутриклеточными белками и молекулами ДНК, что в конечном счете приводило к гибели клеток в течение 4 суток [10].

В России изучение вопросов безопасности нанопродукции ведется с конца 2006 года. Руководство данным направлением исследований осуществляет Федеральная служба по над- зору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. По решению Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ, прошедшего в 2008 г., приоритетными задачами, обеспечивающими качество и безопасность нанопродукции и нанопроизводств, были признаны «разработка гигиенических нормативов, определяющих безопасные уровни приоритетных видов наноматериалов в воздухе рабочей зоны, населенных пунктов и жилых помещений, питьевой воде, продуктах питания и других объектах внешней среды, а также регламентация процессов производства, транспортировки, использования и утилизации токсичных наноматериалов, которая исключала бы возможность их воздействия на человека в опасных для здоровья масштабах» [13, с. 88].

Согласно решению Пленума, безопасность наноматериалов должна оцениваться по следующим основным блокам методически значимых проблем:

• -    методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах, позволяющие отличить наноматериалы от их аналогов в традиционной, то есть макродисперсной форме;

• -    изучение взаимодействия наноматериалов с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты, цитохромы Р-450) в системах in vitro;

• -    изучение механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны и связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro;

• -    изучение изменения характеристик наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);

• -    определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейро-, гепато-, кардио-, иммуно-, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения наноматериалов по органам и тканям;

• -    определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;

• -    изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, протеомный и метаболомный профили, потенциальную аллергенность;

• -    изучение влияния в моделях in vitro выживаемости пробиотических микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта в присутствии наноматериалов, процессов всасывания наноматериалов в желудочно-кишечном тракте на моделях in situ и in vivo и определение влияния наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта [13, с. 88].

Решение поставленных задач при современном состоянии лабораторно-технической базы осуществимо далеко не такими темпами, которые диктует бурное развитие нанопроизводства. Отсутствие современной высокочувствительной аппаратуры, контролирующей состав и воздействие наночастиц, крайне осложняет оценку их влияния на биологические объекты и организм человека. В результате расчетов установлено, что чувствительность комплекса методов физико-химического анализа, применяемых в настоящее время для определения веществ на уровне микроконцентраций (газовая хроматография с селективным детектированием, ВЭЖХ, хро-мато-масс-спектрометрия, атомная абсорбция и др.), составляет миллиард и выше молекул определяемого вещества. В случае анализа наночастиц это «не всегда пригодно и требует существенной доработки в отношении повышения чувствительности» [7, с. 18].

Исследование поверхности наноматериалов проводят с использованием методов электронной микроскопии высокого разрешения, фотоэлектронной спектроскопии и др. Определение фазового состава осуществляют методами рентгеновской, электронной и нейтронной дифракции. Данные методы, выполненные на современном оборудовании нового поколения, могут быть использованы при аттестации и сертификации наноматериалов, их гигиенической оценке, а также оценке эффективности и безопасности нанотехнологий. Изучение токсичности наноматериалов целесообраз- но проводить по общепринятой методической схеме токсикологических исследований.

Совмещение возможностей оборудования нового поколения и накопленного опыта таких дисциплин, как экология, гигиена, токсикология, патология, молекулярная и клеточная биология, фармакокинетика и биохимия, будет способствовать существенному продвижению к решению основной цели экологии и гигиены наноматериалов – обеспечению безопасности окружающей среды и здоровья человека в условиях наноиндустриализации .

В ближайшем будущем контакт человечества с наноматериалами и нанотехнологиями будет усиливаться. Несомненно, окружающая среда также станет объектом положительных и отрицательных воздействий нанотехнологий. Следовательно, «оценка безопасности наноматериалов и нанотехнологий должна иметь наивысший приоритет в условиях ожидаемого их распространения и вероятного воздействия на людей непосредственно или опосредованно через окружающую среду (воздух, воду, почву) и продукты питания» [11, с. 89]. Для обеспечения безопасного будущего человечества необходимо проводить исследования и разработки в области нанотехнологий и наноматериалов параллельно с изучением их экологических и гигиенических аспектов, причем результаты анализа должны находиться в открытом доступе.

Форсированное развитие наноиндустрии способно в корне изменить современные представления о здоровье человека, его долголетии и активном возрасте, комфортности и чистоте окружающей среды. «За нанотехнологиями, или кванторазмерными технологиями, несомненно, будущее. И это не обсуждается» [1, с. 10]. Обсуждаться должны, прежде всего, риски и угрозы нанотехнологического прогресса, требующие глубокого анализа и междисциплинарных научных дискуссий. Не имеет смысла останавливать развитие прогрессивной технологии, которая открывает качественно новые перспективы эволюции человеческого общества. Вместе с тем целесообразно активизировать научный потенциал в области разработки экологических и гигиенических проблем нанотехнологий, стимулиро- вать субъектов наноиндустрии к разработке экологически безопасных технологий и новых решений в сфере экологии. Необходима модернизация экологического и медицинского образования за счет внедрения «нанокомпонентов» во всех изучаемых студентами дисциплинах и развития новых направлений подготовки специалистов широкого профиля для наноэкономики.