Все выпуски  

Инженеры изучают влияние нанотехнологий на окружающую среду


ВЫПУСК 68

 

 

 

Инженеры изучают влияние нанотехнологий на окружающую среду

 

Инженеры всего мира спешат применить нанотехнологии для улучшения методов производства различных товаров - от промышленных материалов до фармацевтических препаратов. При этом, однако, возникает совершенно другая, но равная по значимости проблема.

 

История показала, что предыдущие индустриальные революции, такие как связанные с асбестом и хлорфторуглеродами, оказали серьезное воздействие на окружающую среду. Могут ли нанотехнологии также представлять опасность?

 

Линси Марр (Linsey Marr) и Питер Вайкслэнд (Peter Vikesland) – члены профессорско-преподавательского состава Департамента гражданской и экологической инженерии Технологического института Вирджинии, части национального Центра по экологическим последствиям применения нанотехнологий (Center for the Environmental Implications of NanoTechnologyCEINT).

 

Работа CEINT направлена на выявление связей между широким спектром наноматериалов – от естественных до производимых промышленностью и тех, которые являются случайным побочным продуктом человеческой деятельности – и их потенциального воздействия на окружающую среду, их биологических эффектов и экологических последствий. Внимание ученых сконцентрировано на том, что происходит с природной или искусственной наночастицей при ее попадании в экосистему.

 

Штаб-квартирой CEINT является Университет Дьюка (Duke University), который сотрудничает с Университетом Карнеги Мелон (Carnegie Mellon University), Университетом Говарда (Howard University) и Технологическим университетом Вирджинии (Virginia Tech), составляющими ядро Центра, а также с исследователями из Университета Кентукки (University of Kentucky ) и Стзнфордского университета (Stanford University). CEINT также осуществляет координацию работы с Университетом Клемсона, (Clemson, North Carolina State), Университетом Калифорнии – Лос-Анджелес (UCLA) и Университетом Пердью (Purdue university). В Технологическом университете Вирджинии CEINT является частью Института критических технологий и прикладной науки (Institute for Critical Technology and Applied Science - ICTAS).

 

Ученые и инженеры центра составили планы проведения исследований влияния на здоровье наноматериалов, находящихся в окружающей среде. Планы включают новые подходы, такие как создание возможной токсикологической модели, основанной на клеточных образцах, и создание экосистемы для отслеживания наночастиц.

 

Один из новых методов проведения экспериментов, используемый Марр, заключается в выращивании клеток человеческих легких и помещении их в камеру таким образом, что поверхность клеток соприкасается с воздухом. Такое размещение позволяет достичь прямого контакта клеток с аэрозольными частицами в воздушно-жидкостной интерфазе (air-liquid interface – ALI). Один из постдокторантов Марр, Амара Холдер (Amara Holder), и их коллеги из Беркли ранее уже подвергали клетки воздействию частиц дизельной копоти и пламени метана. Они сравнили воздействие в ALI с обычным воздействием in vitro, где частицы взвешены в жидкой питательной среде для клеток.

 

«Наши эксперименты показали, что воздействие наночастиц в ALI является актуальным для исследований in vitro и делает эксперимент более чувствительным, чем обычное воздействие суспензионными наночастицами», - заключили ученые. Сейчас Марр и ее коллеги повторяют эксперименты, но уже с искусственно созданными наночастицами. Исследователи собираются увеличить отложение мелких частиц путем создания электрического поля и «основываясь на электрофоретической силе, направляющей заряженные частицы к поверхности клеток».

 

«Благодаря такой конструкции клетки легких могут быть подвержены воздействию значительного числа инженерных аэрозольных наночастиц, таких как частицы серебра или оксидов металлов, причем именно отдельных частиц, а не больших агломератов», - объясняет Марр. Сложностью в определении токсичности наночастиц является то, что очень маленькие частицы образуют агрегаты, поэтому исследование взаимодействий мельчайших частиц с клетками требует специальных подходов.

 

Марр и одна из ее аспиранток Андреа Тивари (Andrea Tiwari) в качестве модели углеродных наноматериалов выбрали фуллерен С60 - благодаря его относительной простоте, сведениям о токсичности и большому количеству данных в научной литературе. Открытие фуллерена С60 в 1985 году принесло Гарольду Крото, Джеймсу Хиту и Ричарду Смоли Нобелевскую премию в области химии за 1996 год. Фуллерены С60 и их разновидности широко используются в наноиндустрии.

 

«Атмосферные углеродистые наноматериалы могут быть найдены в производственных помещениях и в воздухе окружающей нас природной среды и способны оказывать токсический эффект при вдыхании», - говорят Марр и Тивари. Они также предположили, что под воздействием воздуха наноматериалы вполне могут претерпевать химические преобразования, например, из-за содержащихся в атмосфере окислителей.

 

Результаты предварительных исследований показывают, что «окисление оказывает влияние на растворимость, а абсорбция при повторном создании водной суспензии фуллеренов снижается после воздействия на них озоном». Смысл результатов состоит в том, что химические реакции в атмосфере могут трансформировать наночастицы и делать их более растворимыми в воде, что проявляется, когда они снова оседают на землю. Ведь затем частицы продолжают свое путешествие, но в этом случае они контактируют с гораздо большим количеством организмов, чем если бы они остались в почве.

 

Чтобы собрать атмосферные наночастицы для анализа, группа Марр разработала недорогой термофоретический преципитатор, использующий ледяную воду в качестве источника охлаждения и 10-ти ваттный резистор в качестве источника тепла. Они пропускали синтетические аэрозоли через преципитатор и использовали трансмиссивный электронный микроскоп для наблюдения за частицами.

 

«Предварительный анализ подтвердил, что такой преципитатор эффективен при сборе наночастиц в широком диапазоне размеров и окажется полезным в будущих исследованиях атмосферных наночастиц», - говорит Марр.

 

Марр смогла использовать свои исследования для характеристики концентрации атмосферных наночастиц в процессе производства углеродсодержащих наноматериалов, таких как фуллерены и углеродные нанотрубки, на коммерческих нанотехнологических объектах. Основываясь на данных своих исследований, она сделала вывод, что технические средства контроля «представляются эффективными в ограничении воздействия наноматериалов» и доложила о своих результатах в издании Американского химического общества (American Chemical Society) Environmental Science and Technology.

 

Однако она указывает на ограниченность своего первоначального исследования, ориентированного в основном на физические характеристики наночастиц. С помощью таких методов невозможно отличить частицы, созданные в результате производства наноматериалов, от частиц из других источников.

 

«Увеличивающееся производство и применение фуллеренов С60 благодаря их определенным свойствам неизбежно приведет к их выделению в окружающую среду», - считает коллега Марр Вайкслэнд. Биомедицина, оптоэлектроника, сенсоры и косметология уже используют фуллерен С60.

 

«В настоящее время очень мало известно о взаимодействии фуллерена С60 с компонентами природной воды, поэтому трудно предсказать судьбу С60, выделенного в естественную окружающую среду», - добавляет Вайкслэнд. «Фуллерен С60 практически нерастворим в воде. Однако одной из составляющих природной воды являются природные органические соединения - ПОС (natural organic matter - NOM). Когда С60 попадают в воду, образуются «очень стабильные коллоиды из агрегатов С60, или nC60». Эти агрегаты могут демонстрировать значительные различия в структуре, размере, морфологии, поверхностном заряде и могут вести себя совсем по-другому, чем одиночные С60.

 

Проблема, связанная с природными органическими соединениями, определяется высокой степенью случайности, что приводит к различиям в характеристиках агрегатов, образующихся при смешении с С60.

 

Вайкслэнд обратил свое внимание на молекулы карбоновых кислот с небольшим молекулярным весом – уксусную, винную и лимонную кислоты. Все они широко распространены в природных водах и биологических жидкостях организма. Он и его аспирант Сяоцзюнь Чанг (Xiaojun Chang) специально наблюдали за образованием nC60 в растворе уксусной кислоты и обнаружили, что химия раствора значительно отличается от nC60 в чистой воде.

 

«Цитрат воздействует на формирование nC60 двумя способами», - говорит Вайкслэнд. Он изменяет рН, ключевой фактор контроля поверхностного заряда nС60, а также напрямую взаимодействует с поверхностью С60.

 

Вайкслэнд объясняет значение полученного результата: если nC60 образуются в присутствии карбоновых кислот, агрегаты значительно отличаются от тех, которые образуются без кислот. В целом, такие агрегаты имеют больше отрицательных поверхностных зарядов и более однородны, чем образовавшиеся в чистой воде. «Эти результаты позволяют предположить, что конечная судьба фуллерена С60 в воде, скорее всего, в значительной степени зависит от количества и типа карбоновых кислот, присутствующих в естественной системе, и от степени кислотности среды».

 

Так как карбоновые кислоты часто встречаются в биологических жидкостях, Вайкслэнд собирается выяснить, как его открытия связаны с механизмом взаимодействия фуллеренов С60 с клетками живого организма. Эти кислоты могут значительно повлиять на конечные выводы о влиянии фуллерена С60 на окружающую среду.

 

 

По материалам Virginia Tech, via EurekAlert!, a service of AAAS.

 

 

Источник:

 

Engineers Explore Environmental Concerns of Nanotechnology

 

 

 


В избранное