Обеспечение стабильного развития человеческого общества в условиях роста населения и осложнения экологической обстановки в глобальном масштабе невозможно без внедрения прорывных, инновационных технологий. Среди них, безусловно, одна из ведущих ролей принадлежит нанотехнологиям.

Когда нарушается баланс

Продукция наноиндустрии обладает новыми свойствами, с которыми человек не сталкивался на протяжении своей биологической эволюции, и поэтому, как и любая принципиально новая продукция, заключает в себе потенциальные риски для здоровья человека, которые могут проявиться как непосредственно, так и косвенно, через неблагоприятные воздействия на окружающую среду. В этом отношении нанотехнологии должны быть охарактеризованы с позиций как своей эффективности, так и безопасности. С показателем эффективности связана общественная заинтересованность во внедрении инновационной продукции, находящая выражение в объёме инвестиций. С другой стороны, обеспечение безопасности требует разработки надлежащих мер контроля и надзора, призванных гарантировать недопущение вреда от новой продукции. Очень важным поэтому представляется достижение баланса между безусловным обеспечением безопасности нанотехнологий для здоровья ныне живущего и будущих поколений, с одной стороны, и насущной необходимостью обеспечения прогресса в производстве и внедрения новых видов продукции, обладающей множеством полезных потребительских свойств, с другой стороны.

Эталонная лаборатория для оценки
содержания наноматериалов и наночастиц
в составе продукции сельского хозяйства,
пищевых продуктов и упаковочных материалов
действует в МГУПП

Общественное признание нанотехнологий, включающее как обязательный компонент комплекс мер по обеспечению безопасности, находится в настоящее время в процессе становления. Поэтому очень важно помнить и не повторять ошибок прошлого, когда «консенсус риск-польза» был необратимо нарушен с соответствующими негативными последствиями. Так, полихлорированные бифенилы (ПХБ) широко использовались в середине XX века в качестве компонентов трансформаторных масел в силу своих уникальных диэлектрических свойств. При этом какие-либо серьёзные меры по ограничению и регулированию их производства и использования не принимались. В результате огромное количество этих веществ было рассеяно во внешней среде, и только впоследствии выяснилось, что ПХБ, во-первых, чрезвычайно токсичны, а во-вторых, практически не подвержены биодеградации. И теперь на протяжении ближайших столетий нам предстоит постоянно иметь дело с этим чрезвычайно опасным загрязнителем биосферы уже после того, как применение ПХБ в промышленных масштабах было запрещено. Таким образом, в данном случае баланс был необратимо нарушен в направлении значительной недооценки существующего риска.

Пример противоположного свойства – внедрение и использование продуктов биотехнологии – генетически модифицированных источников пищи (ГМО). Именно с помощью ГМО, обладающих обширным комплексом полезных свойств, становится возможным решение продовольственной проблемы в глобальном масштабе. В Российской Федерации создана надёжная система контроля за ГМО. Однако обстоятельства сложились так, что вследствие известных причин общественное доверие к генетическим технологиям у нас в стране было необратимо подорвано – и никакие научные результаты, свидетельствующие о безопасности ГМО, не могут переломить ситуацию. В результате этого

наше отставание от ведущих зарубежных стран в области использования биотехнологий уже составило около четверти века, и, быть может, мы отстали в этой области навсегда.

Этот пример также свидетельствует о необратимом нарушении баланса, теперь уже в сторону чрезмерной переоценки существующих рисков.

Такие разные свойства

Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств тех же веществ в форме сплошных сред или дисперсий частиц микронного и более крупного размера. Можно выделить следующие физико-химические особенности поведения веществ в наноразмерном состоянии.

Во-первых, это увеличение растворимости и реакционной способности веществ на поверхностях высокой кривизны, что хорошо известно из классической коллоидной химии. Для макрочастиц (размерами порядка микрона и более) данный эффект незначителен – не более долей процента. Однако огромная кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводит к резкому изменению их химических и токсикологических свойств. Классическим примером этого служит сернокислый барий – BaSO4, который, будучи представлен кристаллами размером в десятки и сотни микрон, практически совершенно нерастворим в воде, биологически инертен, нетоксичен и используется в медицине в качестве рентгеноконтрастного вещества – «бариевая каша». Однако если измельчить эту соль до размера наночастиц, то растворимость входящего в её состав бария резко возрастает – и при попадании таких наночастиц внутрь возможно отравление этим токсичным металлом.

Квантовые точки, попадая в организм,
способны выделять ионы входящих в них
веществ, чем и определяется их токсичность

Другой важный в практическом значении пример – квантовые точки, представляющие собой ультрамалые (менее трёх нанометров) «квантовые кристаллы» бинарных соединений металла II группы (кадмий, цинк) с неметаллом VI группы (селен, теллур) периодической системы Менделеева. В форме макроскопических дисперсий селенид и теллурид кадмия практически совершенно нерастворимы в воде и поэтому нетоксичны. Однако квантовые точки, попадая в «биологическое окружение», способны выделять в раствор ионы входящих в них веществ, чем и определяется их токсичность, выявленная экспериментально.

Во-вторых, это очень высокая удельная (в расчёте на единицу массы) поверхность наноматериалов, что увеличивает их адсорбционную ёмкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства. Это может приводить, в частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода и далее к повреждению биологических структур – липидов, белков, нуклеиновых кислот, в частности ДНК. Именно таким, по современным данным, является механизм токсического действия наночастиц кварца, двуокиси титана, окислов алюминия, церия, железа.

В-третьих, предполагается, что

наночастицы вследствие своих небольших размеров могут воздействовать на нуклеиновые кислоты (вызывая, в частности, образование аддуктов ДНК), белки, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы и тем самым изменять функции биоструктур.

Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, воде, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера. Наночастицы ряда веществ, например углерода (сажа), некоторых металлов, двуокиси титана вследствие своих малых размеров глубоко проникают в лёгкие с вдыхаемым воздухом, фиксируются в альвеолах и могут оттуда поступать в кровь и в различные внутренние органы, включая головой мозг.

В-четвёртых, из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы двуокиси кремния, титана, окиси алюминия и других веществ способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ (ионов тяжёлых металлов, ядохимикатов, радионуклидов), чем аналогичные макроскопические дисперсии. В результате становится возможным усиление транспорта внутрь клетки вместе с наночастицами этих ядов, что резко усиливает их и без того высокую токсичность (так называемый эффект «троянского коня»).

В-пятых, из-за малого размера наночастицы могут не распознаваться защитными системами организма, они не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это может приводить к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой цепи, что тем самым увеличивает их поступление во внутреннюю среду организма человека.

Многие из перечисленных эффектов в настоящее время выявлены экспериментально, то есть их существование можно считать научно доказанным.

Таким образом,

с разнообразными наноматериалами связаны серьёзные риски неблагоприятного воздействия на организм человека, характеристика которых во всех случаях внедрения новых наноматериалов в производственную и бытовую сферы обязательна.

О том, что риски, связанные с возможной токсичностью наноматериалов, не алармистский миф, свидетельствует первый в современной практике случай массовой интоксикации наночастицами, так называемый инцидент Magic nano, произошедший в Германии в 2006 году. В газете Washington Post сообщалось, что использование в быту спрея для чистки ванн и раковин под названием Magic nano, в состав которого входили наночастицы силиката, привело к развитию интоксикации по меньшей мере у 90 человек, из которых шестеро были доставлены в больницу с отёком лёгких. В результате этого вся партия данного препарата была отозвана с рынка.

Неудивительно, что проблема безопасности наноматериалов находится в настоящее время в центре внимания международных организаций и национальных институтов, включая Комиссию Европейского союза, Организацию экономического сотрудничества и развития (OECD), ФАО/ВОЗ, FDA и EPA в США, ILSI и другие. (Продолжение следует.)

Статья опубликована в журнале «Российские нанотехнологии», том 5, № 9–10

Работа выполнена за счёт средств федерального бюджета, по государственному контракту с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы».