Исследование экологических рисков нанотехнологий

По мере роста применения нанотехнологий в промышленности и фармацевтике, учёные изучают их потенциальное воздействие на окружающую среду. Исторический опыт с асбестом и хлорфторуглеродами показывает важность оценки рисков новых технологий на раннем этапе.

Исследователи из Виргинского политехнического института (Virginia Tech) Линси Марр и Питер Викесланд участвуют в работе Национального центра по изучению экологических последствий нанотехнологий (CEINT), финансируемого Национальным научным фондом (NSF). Консорциум из девяти организаций получил грант в размере $14 млн на пять лет, начиная с 2008 года. Доля Virginia Tech составляет $1.75 млн.

CEINT, базирующийся в Университете Дьюка, изучает судьбу и перенос природных и искусственных наноматериалов в экосистемах, их потенциальное воздействие на окружающую среду и биологические эффекты.

Характеризация воздушных частиц

Линси Марр разработала новый метод тестирования in vitro. Её группа выращивает клетки лёгких человека и помещает их в камеры так, чтобы поверхность клеток контактировала с воздухом (интерфейс воздух-жидкость, ALI). Это позволяет напрямую воздействовать на клетки аэрозольными частицами.

Для улучшения осаждения наночастиц используется электрическое поле, которое с помощью электрофоретической силы направляет заряженные частицы к поверхности клеток. Этот подход позволяет изучать взаимодействие отдельных наночастиц (например, серебра или оксидов металлов), а не их крупных агрегатов.

В качестве модельного углеродного наноматериала выбраны фуллерены C₆₀. Предварительные исследования показали, что окисление наночастиц озоном в атмосфере влияет на их растворимость: окисленные фуллерены лучше растворяются в воде. Это означает, что атмосферные реакции могут трансформировать наночастицы, повышая их мобильность в окружающей среде и контакт с организмами.

Для сбора воздушных наночастиц группа Марр разработала низкозатратный термофоретический преципитатор, использующий ледяную воду в качестве охладителя и 10-ваттный резистор в качестве нагревателя. Предварительный анализ подтвердил его эффективность для сбора наночастиц широкого диапазона размеров.

Исследование, проведённое на коммерческом производстве углеродных наноматериалов (фуллерены и углеродные нанотрубки), показало, что инженерные средства контроля на предприятии, по-видимому, эффективно ограничивают воздействие наноматериалов на персонал (Environmental Science and Technology, Vol. 42, No. 12, 2008). Однако в исследовании не проводилось различие между частицами от производства наноматериалов и частицами из других источников.

Влияние карбоновых кислот на образование агрегатов nC₆₀

Питер Викесланд изучает поведение фуллерена C₆₀ в водной среде. C₆₀ практически нерастворим в воде, но при попадании в неё образует высокостабильные диспергированные коллоидные агрегаты (nC₆₀).

Проблема в том, что природное органическое вещество (NOM) в воде имеет случайный состав, что приводит к формированию агрегатов nC₆₀ с разнообразными характеристиками. Викесланд сосредоточился на изучении низкомолекулярных карбоновых кислот (уксусная, винная, лимонная), которые широко распространены в природных водах и биологических жидкостях.

Исследования с уксусной кислотой показали, что химия растворов nC₆₀ существенно отличается от растворов в чистой воде. Лимонная кислота влияет на формирование nC₆₀ двумя способами:

1. Изменяет pH, что является ключевым фактором, контролирующим поверхностный заряд nC₆₀.
2. Прямо взаимодействует с поверхностью C₆₀.

Агрегаты, образующиеся в присутствии карбоновых кислот, имеют более отрицательный поверхностный заряд и являются более однородными по сравнению с агрегатами, образованными в чистой воде.

Эти результаты (Environmental Pollution, v157, issue 4, April 2009) позволяют предположить, что конечная судьба C₆₀ в водной среде, вероятно, будет значительно зависеть от количества и типов карбоновых кислот, присутствующих в природных системах, а также от pH раствора. Поскольку карбоновые кислоты распространены в биологических жидкостях, эти данные важны для понимания механизмов взаимодействия C₆₀ с клетками in vivo.