Экологические и гигиенические проблемы нанотехнологического прогресса

[гиена и санитария 5/2012

гии оценки риска. В этих целях в Институте разработаны базовые компьютерные информационные и моделирующие системы: CISRA - интеграционно-прогнозирующая система для оценки риска (более 1000 химических веществ); SARET - информационно-прогнозирующая система для оценки зависимостей доза-ответ (8500 химических веществ); CRISK - информационно-расчетная система для оценки канцерогенных рисков; IMER - информационная и моделирующая система для прогнозирования меж-средового распределения химических веществ; LJSE@ RISK - информационная и моделирующая система для оценки многосредовых рисков; LRISK - моделирующая система для прогноза концентраций свинца в крови плода, детей, взрослых, а также здоровья; DEXPO - информационная и прогнозирующая система для характеристики поступления в организм и риска связанных с накожным воздействием химических веществ.

Следует отметить, что в плане рассматриваемой проблемы биобезопасности среды обитания здоровье населения представляет собой не только приоритетную концептуальную основу безопасности России как в текущий период, так и на отдаленную перспективу, но и наиболее уязвимое по сравнению с природой звено экосистемы. В связи с этим именно здоровье и благополучие человека являются системообразующим фактором в экологической стратегии государства.

Именно это наряду с другими здравоохранительными обстоятельствами определило инициативную постановку Минздравсоцразвития России перед профилактической медициной и Институтом таких основных

задач разработанной ведомственной целевой программы "Среда" (2012-2014 гг.):

- совершенствование и гармонизация нормативноправовой и методической базы в области охраны среды обитания человека для дальнейшего обеспечения гарантированного законом санитарно-эпидемиологического благополучия населения;

- разработка современной системы управления качеством среды обитания на основе методов эпидемиологического моделирования и оценки риска, оценка экономического ущерба как межведомственного инструмента для принятия рациональных управленческих решений.

В конечном счете решение поставленных задач выводит отечественное здравоохранение на формирование нового раздела медицины - медицины окружающей среды (Environmental Health) - специальную область медицинской науки, направленную на разработку методов ранней диагностики, предупреждения и лечения заболеваний, вызванных или опосредованных воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды. При этом в межведомственном аспекте реализация целевых индикаторов и показателей результативности целевой программы "Среда" должна стать действенным инструментом в деятельности многочисленных центров здоровья и органов Роспотребнадзора Минздравсоцразвития России по разработке рациональных, научно обоснованных профилактических и оздоровительных мероприятий на региональном и муниципальном уровнях.

Поступила 15.02.12

© Н. И. ЛАТЫШЕВСКАЯ, А. С. СТРЕКАЛОВА, 2012 УДК 614.7:008

Н. И. Латышевская, А. С. Стрекалова

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА

Волгоградский государственный медицинский университет; Волгоградский медицинский научный центр

В статье обоснована необходимость развития новых направлений исследований - наноэкологии (экологии наноиндустрии) и наногигиены (гигиены нанотехнологий и наноматериалов). Систематизированы ключевые экологические и гигиенические проблемы развития наноиндустрии, а также выделены дискуссионные вопросы. Сделан вывод о необходимости интенсификации изучения эколого-гигиенических аспектов нанотехнологий и наноматериалов, в том числе в образовании в высшей медицинской школе.

Ключевые слова: наноэкология, наноиндустрия, нанотехнологии, наноматериалы, риски, токсичность, безопасность

N. I. Latyshevskaya, A.S. Strekalova - ECOLOGICAL AND HYGIENIC PROBLEMS OF NANOTECH PROGRESS

Volgograd State Medical University of Minzdravsocrazvitiya of Russia

In article necessity of development of new directions of researches - nanoecology (ecology of nanoindustry) and nanohygiene (hygiene of nanotechnologies and nanomaterials) is proved. On the basis of the spent review key ecological and hygienic problems of nanoindustrial development are systematized, and also debatable questions are allocated. The conclusion is drawn on necessity of an intensification of studying of ecological and hygienic aspects of nanotechnologies and nanomaterials.

Key words: nanoecology, nanoindustry, nanotechnologies, nanomaterials, risks, toxicity, safety

Латышевская Н. И. - д-р мед. наук, проф., зав. каф. общей гигиены и экологии (post@volgmed.ru); Стрекалова А .С. - канд. биол. наук, ассистент каф. фармакогнозии и ботаники (ecodev@ mail.ru).

Наноэкология (экология наноиндустрии) - новый раздел экологических исследований, предметом которых являются потенциал и риски, внешние и внутренние эффекты наноиндустриализации для окружающей среды.

8

В свою очередь наногигиена (гигиена нанотехнологий и наноматериалов) - перспективная область гигиенических исследований, направленных на изучение влияния нанотехнологий и наноматериалов на здоровье людей в целях разработки эффективных нормативов и стандартов. Данные направления научного поиска находятся пока в стадии формирования, однако многие актуальные проблемы уже обсуждаются научной медицинской общественностью.

Первым шагом на пути становления наноэкологии и наногигиены безусловно является объективное осмысление сути нанотехнологий и их четкое определение во избежание чрезмерного разнообразия трактовок.

Отмечено, что "термин "нанотехнология" объединяет разнородные представления и подходы, а также разные методы воздействия на вещество" [5]. При этом верхняя граница "нанообласти" соответствует минимальным элементам больших интегральных схем, широко применяемых в полупроводниковой технике. К данной области относятся также фуллерены и нанотрубки. Существует мнение, что "термин "наночастицы" не отражает принципиально нового содержания, вкладываемого в данное понятие" [9]. Наночастицы имеют двухмерную метастабильную фазу, отличную от объемного материала, и за счет этого приобретают качественно новые структурные и энергетические свойства. Из-за наличия у наиболее реакционноспособных наноструктур двухмерной 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 непосредственнораз-работкой и испытанием новых углеродных структур, под термином "нанотехнология" подразумевают "совокупность технических приемов и исследовательских методик, позволяющую создавать объекты размером 1-100 нм и манипулировать ими" [3]. 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" [7]. Заметим, что к продукции наноиндустрии наряду с наноматериалами относятся наноинтермедиаты (нанотехнологические компоненты) и наносодержащие продукты, которые также подлежат охвату санитарно-гигиеническими нормами.

Конвенциональное определение нанотехнологий путем их соотнесения с масштабом 100 нм было закреплено в 1999 г., но несмотря на широкое распространение, подвергается критике, тогда как более четкие дефиниции остаются предметом дискуссий. Едва ли частица размером 99 нм обладает более уникальными свойствами, чем частица размером 102 нм. Поэтому различными научными организациями, ассоциациями и агентствами предлагается установить в качестве верхнего порога наномасштаба 200, 300 или даже 500 нм [18].

В перспективе ни одна отрасль народного хозяйства не дает столько возможностей для развития прогресса

в других отраслях, как наноиндустрия. По прогнозам, после 2015 г. нанотехнологии станут широко использоваться в производстве товаров, особенно в медицине и фармации. 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 биоразрушаемых химикатов, созданных с использованием нанотехнологий, в биотехнологии и сельском хозяйстве позволит сократить до минимума использование традиционных пестицидов и гербицидов, в результате чего появятся возможности улучшения генофонда животных и растений [1, 13].

Уникальные полезные свойства наноматериалов имеют и обратную сторону - не менее феноменальные и пока трудно прогнозируемые риски. Например, в 2004 г. научное сообщество было всерьез обеспокоено статьей

Ч.-В. Лэма и соавт. [16], в которой говорилось о значительной токсичности нанотрубок. 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 [2]. 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" [7].

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?" [2]. 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 [2]. По мнению Г. В. Яковлевой и А. А. Стехина [14], "основное токсическое действие наночастиц обусловле-

9

[гиена и санитария 5/2012

но не самим веществом, из которого они получены, а их электрофизическими особенностями", 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 растворимости, реакционной способности и иных физикохимических 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" [11]. В частности фул-лерены способны проникать через липидные мембраны, модулировать транспорт ионов и преодолевать гематоэнцефалический барьер организма, а также переносить токсичные соединения в виде иммобилизованных комплексов [14]. Следует учитывать, что для наночастиц, как и для других химических веществ, характерна функциональная зависимость уровня токсичности от дозы и времени воздействия. Вместе с тем наноразмер сам по себе вызывает радикальные изменения токсикологических свойств веществ [13]. Например, обнаружены нейротоксические свойства инертного в обычной форме оксида железа при его нанотрансформации [2].

Разные исследователи порой получают противоположные данные о положительных и отрицательных свойствах наноструктур. С особой очевидностью это проявляется на примере фуллеренов. При изучении токсического воздействия видов фуллеренов с разной степенью замещенности реакционных центров в тестах in vitro наименьшая среднесмертельная концентрация была установлена для незамещенного фуллерена С60. Минимальной токсичностью обладал полностью гидратированный фуллерен (фуллерол), который вместе с тем под действием УФ-излучения образует активные формы кислорода, следовательно, оказывает повреждающее действие на клеточном и субклеточном уровнях. Однако в водных дисперсиях молекула фуллерена лишается возможности генерировать активные формы кислорода, а, напротив, приобретает ряд положительных биологических свойств (антиоксидантное, анальгетическое, анти-гистаминовое и др.). С другой стороны, эти свойства могут отражать действие механизма адаптации и сигнализировать о возможности срыва приспособительных реакций [2].

Негативное влияние наноматериалов на организм человека может носить не только прямой, но и отсроченный характер. Существует высокая вероятность 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" [12].

На современном этапе установлены три пути поступления наночастиц в организм: ингаляционный, кожный и пероральный [8]. 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).

Как показывает исследование, проведенное в 2011 г. Национальным институтом общественного здоровья и окружающей среды Нидерландов, в последние годы количество потребительских товаров, содержащих наноматериалы, на рынках европейских стран выросло в 6 раз: со 143 наименований в 2007 г. до 858 в 2010 г. Результаты Project on Emerging Nanotechnologies также свидетельствуют о том, что к началу 2011 г. на рынке Евросоюза были представлены более 800 потребительских товаров, произведенных с применением нанотехнологий, причем новые товары появляются в среднем каждые 2-3 нед. Наиболее быстрый рост демонстрируют такие товарные категории, как средства для индивидуального ухода и косметика (солнцезащитные кремы и т. п.), различные защитные покрытия (противодождевые и водоотталкивающие покрытия для обуви и одежды). В США количество товаров с нанокомпонентами потребительского назначения увеличилось с 54 в 2006 г. до 1015 в 2009 г., а по состоянию на март 2011 г. достигло 1317 товаров (или товарных линий) [17].

Производители утверждают, что их продукция прошла все необходимые испытания, в связи с чем возникает вопрос: что подразумевается под словом "все" и существует ли перечень необходимых исследований? Кроме того, наночастицы ткани могут вызывать аллергические реакции, а гибкие мониторы, встраиваемые в верхнюю одежду, имеют слабое электромагнитное излучение. Специфика их воздействия на человеческий организм до сих пор не установлена.

Обращаясь к вопросу безопасности лекарственных препаратов, улучшенных нанотехнологическими способами, отметим, что несмотря на контроль со стороны ВОЗ, полностью подтвердить безопасность лекарственных препаратов, изготовленных с применением нанотехнологий и наноматериалов, нельзя. Например, была открыта умеренная токсичность фуллеренов в качестве "молекул-повозок". В рамках своих исследований Г. Обердорстер и соавт. [18] проводили испытания токсичности фуллеренов, покрытых белковыми маркерами раковых клеток (клеток-мишеней). Было обнаружено, что при добавлении раствора фуллеренов (в концентрации 800:1000000000) в аквариумы с дафниями (ракообразные) гибнет половина испытуемых особей, а при воздействии раствора фуллерена на рыб возникают повреждения мембран клеток мозга. И перечень испытаний препаратов на токсичность, и длительность самих клинических испытаний несомненно будут расти пропорционально открытию новых, ранее не известных 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 [11]. Так, ученые, проанализировав один из самых распространенных методов производства нано-

10

трубок - 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 экспрессидентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, биосредах и отходах? Каким условиям должны отвечать полигоны для утилизации наноотходов? Какова степень опасности технологий, направленных на обезвреживание и уничтожение наноматериалов? Четких ответов на поставленные вопросы у мирового научного сообщества пока нет. Очевидно, нанопродукция, вышедшая из потребления, должна быть утилизирована без вреда для человека и окружающей среды. Эту проблему необходимо предупредить, иначе ситуация чревата повторением истории с энергосберегающими ртутными лампами. Центры приема таких ламп в российской практике не функционируют, а полигоны для твердых бытовых отходов пополняются тоннами токсичного тяжелого металла.

Прорывная технология несомненно должна сопровождаться параллельным, а в идеале опережающим изучением и предупреждением негативных эффектов, возникающих в результате ее масштабного внедрения [10]. Однако единая методология, методическая база и стандарты нанотоксикологических исследований все еще находятся в стадии разработки [7].

В 2009-2011 гг. Роспотребнадзором был подготовлен пакет методических указаний и рекомендаций, введены гигиенические нормативы, регулирующие идентификацию и количественное определение наноматериалов в продукции, многоаспектную оценку безопасности и контроль миграции наночастиц. В настоящее время каждый созданный и предназначенный к использованию наноматериал должен пройти полную токсикологическую оценку. До установления степени опасности конкретных наноматериалов их следует рассматривать как новую продукцию и относить к веществам, потенциально опасным для здоровья человека [4]. Однако идея сплошной токсикологической оценки и классифицирования нанотехнологий и продукции наноиндустрии по степени потенциальной опасности на практике труднореализуема. Можно с уверенностью предположить, что в России при современном состоянии лабораторно-технической базы отставание исследований и экспертизы в области оценки безопасности нанотехнологий и продукции наноиндустрии примет тотальный характер.

Вероятнее всего в ближайшем будущем контакт человечества с наноматериалами и нанотехнологиями

будет усиливаться. Окружающая среда несомненно также станет объектом положительных и отрицательных воздействий нанотехнологий. Для обеспечения безопасного будущего человечества важно проводить исследования и разработки в области нанотехнологий и наноматериалов параллельно с изучением их экологических и гигенических аспектов, причем результаты анализа должны находиться в открытом доступе. Необходима модернизация медицинского образования за счет внедрения "нанокомпонентов" во всех изучаемых студентами дисциплинах и развития новых направлений подготовки специалистов широкого профиля для наноэкономики.

Литер атур а

1. Бабкин В. И. // Нанотехнологии. Экология. Производство. -2009. - № 1. - С. 32-36.

2. Жолдакова З. И., Синицына О. О., Харчевникова Н. В. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 12-16.

3. Кац Е. А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - С. 216.

4. Контроль наноматериалов, применяемых в химической промышленности: Метод. рекомендации. М.: - Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011.

5. Косолапов В. А., Спасов А. А. // Вестн. ВолГМУ. - 2009. - № 4. - С. 12-16.

6. Малышева А. Г. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 16-20.

7. Онищенко Г. Г. // Гиг. и сан. - 2010. - № 2. - С. 4-7.

8. Радилов А. С., Глушкова А. В., Дулов С. А. // Нанотехнологии. Экология. Производство. 2009. - № 1. - С. 86-89.

9. Рахманин Ю. А., Стехин А. А., Яковлева Г. В. // Гиг. и сан. -2008. - № 6. - С. 4-12.

10. Решение Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ "Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды" // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 88.

11. РусаковН. В. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 20-21.

12. Сычева Л. П. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 26-28.

13. Шудегов В. Е., Шевченко А. Я. // Нанотехнологии. Экология. Производство. - 2009. - № 1. - С. 20-27.

14. Яковлева Г. В., Стехин А. А. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 21-26.

15. The Big Downturn? Nanogeopolitics. ETC Group. 2010. URL: www. etcgroup.org/en/node/5245 (дата обращения: 15.12.2011). - P 13.

16. Lam Ch.-W., James J. T., McCluskey R., Hunter R. L. // Toxicol. Sci. - 2004. - Vol. 77. - P. 126-134.

17. Nanomaterials in consumer products. Update of products on the European market in 2010. RIVM Report 340370003/2010. RIVM, 2011.

18. Oberdorster G., Maynard A., Donaldson K. et al. // Particle Fibre Toxicol. - 2005. - Vol. 2, № 8. - Р 75-82.

Поступила 22.02.12

11