Nanotoksikoloogia

Nanotoksikoloogia on teadusharu, mis keskendub nanoosakeste võimalike kahjude uurimisele elusorganismidele. Ainete mürgisuse hindamiseks kasutatakse erinevaid lähenemisi, et välja selgitada, kuidas kemikaal elusorganismile mõjub nii oma keemiliste omaduste kui organismi iseärasuste tõttu ning kuidas organism ainele reageerib ja sellest vabaneda suudab. Toksilisust ehk kemikaali kahjustavat mõju elusorganismidele uuritakse algloomade, bakterite, vesikirpude, hiirte ja muude organismide peal esmajoones laboratoorsetes tingimustes.
Nanotehnoloogiaga kaasnevad uudsed füsikokeemilistel reaktsioonidel põhinevad toksilisusmehhanismid. Kui tavaliselt uuritakse kemikaalide mürgisust hinnates ainult nende keemilist toimet, siis nanoosakeste puhul peab arvestama ka osakeste füüsikalist mõju.
Kõige suuremaid tervisekahjustusi inimestel ja loomadel ilmneb nanoosakeste sissehingamisel, näiteks on kahjulikud atmosfäärsed aerosoolid ja osakeste esinemine töökeskkonnas. Nanoosakestel on suur eripind, mistõttu võivad nad siduda mürgiseid raskmetalle ja neid edasi kanda, mis hõlbustab seondunud saasteainete sisenemist rakkudesse.
Nanotehnoloogiate abil parandatakse toiduainete maitset ja kosmeetikatoodete väljanägemist, kuid ometi on nanotöötluse kasutegurid ja võimalikud riskid toiduainetele suuremal jaol veel teadmata.

Nanoosakeste mürgisuse eripärad

Võrreldes tavasuuruses osakestega võib nanosuuruses osakeste eripind olla miljoneid kordi suurem, suurendades sellega aine keemilist reaktiivsust. See on suurim põhjus, miks nanorevolutsioonile suurt tulevikku ennustatakse, sest sama aine nanosuuruses osakestel on hoopis teised omadused, millest võib võita nii meditsiin kui tööstus. Samas võivad nanoskaalas materjalide uudsed füüsikalis-keemilised omadused suurendada nende mõju organismidele (nt biosaadavust) ning seega ka mürgisust.
Nanoosakeste erilised omadused võib omistada nende suurele eripindalale, puhtusele, kristalsusele, elektrijuhtivusomadustele, lahustuvusele, kujule, pinna reageerimisvõimele, asendusrühmadele, erinevatele anorgaanilistele ja orgaanilistele katetele jne. Kõik eelpool nimetatud omadused mõjutavad nanoosakeste toksilisust.
Nanoosakeste väikese suuruse tõttu pääsevad nad igale poole, isegi rakkude sisse, kus võivad tekitada häireid rakuorganellide talitluses ja suurendada organismi vähiriski.
Oma elutsükli käigus võivad sihipäraselt toodetud nanoosakesed sattuda keskkonda ehk sinna, kuhu neid üldjuhul ei soovita – veekogudesse, pinnasesse ja setetesse. Seda on juhtunud ja ilmselt juhtub ka edaspidi kõigi suuremas mahus toodetud tööstuskemikaalidega. Nanode puhul piisab kahest grammist sajananomeetristest osakestest, et iga maakera elanik oleks "varustatud" 300 000 osakesega, seega piisab "nano-reostuseks" väga väikesest aine kogusest.

Fullereeni ja grafeeni nanoosakesed

C60-fullereenid olid esimesed laboris valmistatud nanoosakesed ja nad on väga püsivad molekulid. Neid kasutatakse nanoosakestest kõige enam tarbekaupades ning lisaks paiskavad diiselmootorid kahjulikke fullereene igapäevaselt keskkonda. Kuigi nanotorude mürgisust pole veel piisavalt uuritud, võib analoogiana asbestiga oletada, et sisse hingatuna on need kahjulikud. Inimeste tervist kahjustabki enim fullereenidest saastunud õhu sissehingamine.
Vähese valguse tingimustes ei tohiks fullereen ja grafeen mürgised või vähkitekitavad olla, kuid päikesevalguse või halogeenlampide käes tekitavad õhuhapnikust toodetud singletse hapniku kaudu elusrakkudele ja organismidele kahjulikku oksüdatiivset stressi. Grafeen ja fullereen on vees praktiliselt täiesti lahustumatud, seepärast kasutatakse paljudes ökotoksikoloogilistes katsetes nende lahustamiseks veeloomadele mürgist orgaanilist solventi tetrahüdrofuraani. Seega, kui organismile mõjuvate omaduste suhtes uuritava fullereeni vees lahustamiseks on kasutatud muid aktiivseid abiaineid, tuleb uuringutulemusi tõlgendada ettevaatlikult.
Kihilisele pliiatsikirjast tekkiva grafiidikristalli pinnale kleeplindi kleepimisel jääb lindi eemaldamisel selle pinnale grafiidikihte, mis sarnanevad struktuurilt aromaatsete vähkitekitavate süsivesinikega. Samas on pliiatsikirjast tekkinud grafiidikristalli osakesed liialt palju suuremad, et DNA kaksikspiraali tasandite vahele liituda. Kristallide erineva suuruse tõttu ei pea kartma, et pliiatsikiri vähki tekitaks, kuigi see kindlasti sisaldab alati ka ühest kihist moodustunud grafeenihelbeid.
Sünteetiliste nanoosakeste ohtlikkusele viitavad esimesed teadusuuringud publitseeris 2004. aastal USA teadlane Eva Oberdörster, kelle uuringutest selgus, et juba 0,5 mg/l C60-fullereene kalade akvaariumivees tekitas kalade ajukoes oksüdatiivseid kahjustusi. Oberdörster täheldas ka akvaariumivee mikrobioloogilise kvaliteedi paranemist ning oletas, et fullereenid on kontsentratsioonis 0,5−1 mg/l baktereid hävitava toimega ehk bakteritsiitsed.

Titaandioksiidi nanoosakesed

Titaan on keemiliselt püsiv, kuid mida väiksemaks muutuvad osakesed, seda suuremaks saab nende kogupindala ja seda ulatuslikumalt mõjutab nende pind keskkonda. Paljud teadusuuringud, näiteks Los Angelese California ülikooli vähiuuringukeskuses hiirtega tehtud katsed, on leidnud, et titaandioksiidi nanoosakesed tekitavad geneetilisi kahjustusi. Ilmnes, et TiO₂ nanoosakeste toimel katkes hiirtel DNA-ahelaid, tekkis põletikke ja kahjustus kromosoome. Kõik need kahjustused tõstavad vähiriski. TiO₂ nanoosakesi leidub mitmetes tarbekeemia toodetes, kosmeetikas, päikesekreemides, seinavärvides ja vitamiinides. Päikesekreemis kasutatakse titaandioksiidi selle heade katmisomaduste pärast, kuna ta neelab päikeselt tulevaid ultraviolettkiiri. Organismil ei ole mehhanismi TiO₂ osakestest vabanemiseks, seega kogunevad osakesed paljudesse organismi elunditesse.

Nanotoksikoloogia uurimine ja rahastus

Tööpõld nanoosakeste uurimisel on lai ja iga kahjuliku toime avastamine ülimalt oluline, sest võimalikke kahjustavaid mõjusid on uuritud väga lühikest aega. Esimesed teadusartiklid nanoosakeste kohta hakkasid ilmuma 1998. aastal ja nende ohutuse kohta alles 2001. aastal.
Nii kaua, kuni ei ole kogutud piisavalt teavet nanoosakeste võimalike ohtude hindamiseks, on parem kasutada põhimõtet "parem karta, kui kahetseda". Nanoosakestest tulenevaid riske on 2004. aastast alates üha rohkem teadvustatud, kuid siiski on jätkuvalt ebapiisavalt nanotoksikoloogia ja eriti nanoökotoksikoloogia alast teaduskirjandust.
Mitmete arenenud riikide algatatud nanotehnoloogiaprogrammide kõrvale on tekkinud keskkonna- ja rahvatervisespetsialistide ning kindlustusfirmade "vastuprogrammid", mis hoiatavad nanotehnoloogiate valmistajaid potentsiaalsete ohtude eest nii tootmisprotsessis kui ka loodusele, kui sinna satuvad heitmed või juhtub õnnetus veostega.
Andmebaas Thomson Reuters ISI Web of Science andis 1. veebruaril 2010 otsingusõnaga nanoparticle (nanoosake) kokku üle 100 000 publikatsiooni. Kõigi kirjete seas oli ainult 87 leitavad otsingusõnaga occupational ehk tööohutus, 73 kirjega hazard ehk oht ja ainult 16 sõnaga ökosüsteem ehk ecosystem. Ilmselgelt on vähe teadmisi nanoosakeste mõjust ökosüsteemidele.
2009. aastal ilmunud artikkel ajakirjas European Respiratory Journal seostas ühes Hiina ettevõttes mitme töölise surma tööprotsessi käigus nanoosakestega kokkupuutumisega. Artiklile reageerisid paljud nanoosakestega seotud terviseriskide eksperdid, kes kutsusid üldsust ettevaatlikkusele järelduste tegemisel, kuid samas tunnustasid probleemi olulisust.
Seitsmendas Euroopa Liidu teadus- ja arendustegevuse raamprogrammis (Framework Programmes for Research and Technological Development) on 3467 miljonit ehk ligikaudu seitse protsenti eraldatud temaatikale "Nanoteadused, nanotehnoloogiad, materjalid ja uued tootmistehnoloogiad".
Ameerika Ühendriikide 2010. aasta nanotehnoloogiate toetuse eelarvest oli 5,3 protsenti ehk 88 miljonit dollarit suunatud nanotehnoloogiatega seotud tervise-, tööohutuse ja keskkonnakaitselistele uuringutele. Nanotehnoloogiate uurimisele oli kokku eraldatud 1640 miljonit dollarit.

Nanotoksikoloogia uurimine Eestis

Keskkonnatoksikoloogia laboratoorium Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis (KBFI) Dr. Anne Kahru juhtimisel alustas 2004. aastal nanoosakeste bioloogiliste mõjude uuringutega, toksikoloogia valdkonnas on tegev oldud juba üle kümne aasta. Teadusajakirjas Chemosphere ilmus 2008. aastal uurimisrühma esimene nanoökotoksikoloogiaalane artikkel "Nano- ja tavasuuruses ZnO, CuO ja TiO₂ toksilisus bakterile Vibrio fischer’i ja vähilistele Daphnia magna ja Thamnocephalus platyurus".
See artikkel jõudis 2008. aastal maailma suurima teadusinformatsiooniga tegeleva kompanii Thomson Reutersi andmetel 1% oma teadusvaldkonna kõige tsiteeritumate artiklite hulka. Kahe perioodi vahel protsentuaalselt kõige rohkem kasvanud tsiteeringute arvu järgi valib omakorda artikleid välja elektrooniline ajakiri ScienceWatch. Seoses artikli jõudmisega tsiteeritumate hulka avaldas elektrooniline Thomson Reutersi ajakiri Science Watch esimese intervjuu Eesti teadlase Anne Kahruga. Antud intervjuud saab lugeda ScienceWatchi kodulehelt.
Uurimisrühm on avaldanud arvukalt nanoosakeste bioloogilisi mõjusid käsitlevaid artikleid ning uurimisgrupi teadlasi ja doktorante on teadustöö eest tunnustatud mitme parima ettekande auhinnaga rahvusvahelistel konverentsidel.
Nanotoksiliste omaduste hindamiseks kasutab rühm selgrootuid organisme, mis võimaldab vähendada loomkatseid. Rühma töös osaleb Eesti Maaülikooli ja Tallinna Tehnikaülikooli liikmeid.
Dr. Anne Kahru juhitud töögrupp osaleb mitmetes rahvusvahelistes projektides, mille eesmärkideks on välja selgitada nanomaterjalide võimalikud keskkonnamõjud ja ohud. Samuti ollakse tegevad käimasolevates Eesti riigieelarvest finantseeritud (Eesti Teadusfond, sihtfinantseerimine) nanoohutuse alastes uurimisprojektides. Seeläbi panustavad ka Eesti teadlased nanotehnoloogiaalaste probleemide lahendamisse.