В Университете Питтсбурга впервые разработан метод биодеградирования углеродных нанотрубок, который поможет предотвратить потенциальный экологический и токсический ущерб, представляемый новыми наноматериалами, интенсивно внедряющимися в различные современные технологии от электроники и пластиков до супер-прочных материалов.

Ученые выяснили, что углеродные нанотрубки можно подвергнуть процессу ферментативного биоразрушения с применением недорогого классического инструмента биохимиков – фермента пероксидазы хрена (horseradish peroxidase, HRP). Этот подход открывает возможность создания мягких и безопасных методов, основанных на HRP и других ферментах для уменьшения распространения в окружающей среде нанотрубок, а также для очистки промышленных и лабораторных отходов.

Рис. 1. Изображения процесса биоразложения нанотрубок, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии: а) исходный материал; b) уменьшение длины нанотрубок и образование глобулярных структур через 8 недель инкубации; c) исчезновение нанотрубок, полный переход в глобулы через 12 недель.

Углеродные нанотрубки – это перспективная разновидность наноструктур, представляющих собой графитовые трубки со стенками моноатомной толщины; эти образования в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, при этом они проявляют отличные электрические и механические свойства. Многочисленные материаловедческие работы сделали возможным применение нанотрубок в модификации свойств пластиков, керамики и бетона, электронная промышленность использует свойства высокой электропроводности нанотрубок, энергетики разрабатывают мощные методы запасания энергии с их помощью, а аналитики применяют нанотрубки в качестве высокочувствительных химических сенсоров. Например, одна из последних разработок ученых – детектор, позволяющий выявить наличие вызывающих астму оксидов азота, и избежать приступа астмы еще до его начала.

«Всевозможные применения нанотрубок приводят к увеличению их производства, в то время как вопрос об их токсичности все еще остается открытым, – рассказывает Александр Стар (Alexander Star), профессор в области химии и здоровья окружающей среды Университета Питтсбурга. – Случайные утечки нанотрубок, безусловно, неизбежны при их массовом производстве, что, следовательно, может привести к загрязнению ими окружающей среды. Наша работа демонстрирует возможность нетоксичного и экологичного разложения углеродных нанотрубок».

Внимание ученых было сфокусировано на свойствах графито-подобного тонкого порошка из линейных нанотрубок. Он, как показали лабораторные испытания, вызывает тяжелые легочные воспаления. Несмотря на то, что нанотрубки очень малы, они содержат тысячи атомов, располагающихся на поверхности и способных вступать во взаимодействие с человеческими тканями. Механизмы этих взаимодействий ученым пока не известны. Для изучения и предотвращения подобных явлений три года назад на базе Питтсбургского университета было сформировано нанотоксикологическое исследовательское направление под руководством профессора Стара.

«Наноматериалы еще не достаточно изучены. Промышленное использование нанотрубок обусловлено их уникальными полупроводниковыми и механическими свойствами. Но не представляют ли те же свойства нанотрубок опасности для человеческого здоровья? Новая область исследований, названная нанотоксикологией, призвана ответить на этот и многие другие вопросы. – Комментирует профессор Питтсбургского университета в области экологического здоровья Валерьян Каган (Valerian Kagan). – Исследования показывают, что такая опасность действительно существует. Мы увидели решение проблемы в создании безопасного метода нейтрализации наноматериала, предотвращая его контаминацию с окружающей средой и загрязнения производственных помещений».

Для разрушения нанотрубок необходимо выдержать их в растворе HRP и слабого раствора перекиси водорода при 4°С в течение 12 недель. Фермент способствует окислению нанотрубок. Этот подход при некоторой доработке можно легко добавить к применяемым в современных лабораториях методам химической дезактивации. Ученые отмечают, что если и другие родственные HRP ферменты – пероксидазы, содержащиеся в растениях и животных, способны осуществлять подобную реакцию, то это даст дополнительные шансы на разработку методик выведения нанотрубок из организма пациентов, терапия которых основана на содержащих нанотрубки лекарствах нового поколения.

Мария Костюкова