Использование наночастиц в мировом производстве является достижением технического прогресса, что сегодня вызывает эйфорию от открывающихся перспектив. Однако дальнейшее производство наноматериалов может привести к разочарованию, так как возникают вопросы безопасности использования новых веществ. Разработкой этого перспективного направления в России должна заниматься госкомпания «Роснано», руководителем которой является «всероссийский аллерген» А. Чубайс.
Проблемы использования наночастиц.
В одной из редакционных статей журнала ЭВР мы уже рассказывали, как руководитель «Роснано» щедро финансирует из госбюджета то производство нано-аккумуляторов, то баснословной стоимости нано-мопедов, то «один из крупнейших мировых центров производства пластиковой электроники» в Зеленограде, который так и не появился, как и все названное. А вот в области нанобезопасности работы ведутся спонтанно и бессистемно, хотя серьезность этой проблемы уже давно вызывает тревогу в научном мире, о чем и говорится в авторской статье В. Шепеля.
Продукция с использованием приставки нано становится модной. Здесь и наноткани и нанообувь и нанокосметика. Причем иногда трудно понять это рекламный ход или на самом деле используются нанотехнологии для производства. Помимо бытовых товаров используются также технические изделия, изготовленные с применением наночастиц. Предполагается использование наночастиц в медицине и сельском хозяйстве.
Начинают разрабатываться нормативные документы, регламентирующие производство и использование наноматериалов.
Основная проблема использования наночастиц заключается в них самих.
Совокупность научных данных о наноматериалах указывает на то, что они относятся к новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Наночастицы, наноматериалы и нанотехнологии их производства кардинально отличаются по своим свойствам и эффектам, комплексу физических, химических и биологических свойств от веществ в форме макроскопических дисперсий и сплошных фаз. Это все приводит к тому, действие наночастиц трудно прогнозируемо. Нанотехнология это не только междисциплинарная наука, но с точки зрения проблем безопасности - межотраслевая технология, продукция, которой проникает во все сферы деятельности человека, оказывая влияние на человека и окружающую среду.
Каждая дисциплина имеет свою терминологию, свои методы исследований. Поэтому бывает трудно понять степень опасности наночастиц.
Поэтому при описании исследования безопасности наночастиц используют общий термин экология.
Таблица 1. Классификация наночастиц
Рис. 1. Пути миграции НЧ, подтвержденные экспериментально (сплошная линия) и предполагаемые (точки). Возможные источники и причины деградации обозначены курсивом [1]
Из таблицы 1 видно, что источники наночастиц могут быть как естественные, так и созданные искусственно. Естественные источники экологи, как правило, определяют в мерах веса.
Однако исследования показали, что для определения активности и
токсичности наночастиц важна их площадь. Именно этот параметр придает наночастицам новые свойства. Однако при этом приходится учитывать и «доза-эффект».
Наиболее удобным для выявления зависимости «доза-эффект» является «поверхностный» подход, тогда как «массовый» является наименее пригодным, так как не учитывает различие в токсическом эффекте наночастиц разного размера[2].
Еще раз хочу подчеркнуть, что большую роль играют не весовые характеристики наночастиц, а их площадь и соответственно общее количество наночастиц.
На рисунке 1 отражена попытка показать пути переноса наночастиц в окружающей среде. Но последствия этих переносов могут быть непредсказуемыми.
Использование наночастиц
Перечислять где используются наночастицы дело долгое. Ограничусь несколькими примерами, которые помогут понять суть проблемы.
«…Ученые из Центра исследований рака Фреда Хатчинсона в США разработали наночастицы, которые могут проникать внутрь иммунных клеток и активировать их для борьбы с раком, например, лейкемией…» [3]
«…В последние годы ученые создали несколько принципиально новых методов лечения рака, опирающихся на различные органические или неорганические наночастицы. В некоторых случаях наночастицы сами по себе служат средством для удаления опухоли, выступая в качестве своеобразной «мишени», на которую наводятся или иммунные клетки, или излучение лазера, нагревающее частицы и сжигающее клетки…» [4]
В Институте химической физики имени Н.Н. Семенова РАН и Московском физико-техническом институте разработаны высокочувствительные кондуктометрические химические сенсоры на основе нанокристаллических полупроводниковых металлооксидов
Разрабатываются сенсоры для определения концентраций в воздухе: аммиака на хладокомбинатах, метана в шахтах и монооксида углерода в выхлопных газах [5].
«…Новая технология, созданная в НИТУ «МИСиС», исключает долгую и крайне неудобную для водителей замену верхнего защитного слоя дорожного полотна, требующую длительного перекрытия части трассы. Токопроводящие углеродные многостенные нанотрубки «Таунит-М» обладают уникальными параметрами, определяющими их высокую индукционную восприимчивость. Эта добавка не сильно увеличивает стоимость дорог, так как на 50 килограммов битума предлагается использовать 17 граммов нанотрубок. Смеси хватает на тонну асфальтобетона…» [6]
«…Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5–2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.
Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.
В свете последних открытий нанотехнологий изучена биологическая роль кремния в живых организмах и биологическая активность его различных (органических и неорганических) соединений.
В частности, силатраны, являющиеся клеточным образованием и содержащие кремний, оказывают физиологическое действие на живые организмы на всех этапах эволюционного развития от микроорганизмов до человека. Применение кремнеорганических биостимуляторов в растениеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т. д.), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям…» [7].
«…В результате рабочих встреч с руководителями научных школ сформулированы основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в индустрии безопасности:
1. Нанодатчики на различных физических принципах, в том числе:
● туннельные датчики давления;
● пассивные и активные радиочастотные датчики-идентификаторы RFID с каналами наземной и космической связи;
● интеллектуальные датчики «умная пыль»;
● датчики сверхраннего обнаружения пожаров.
2. Антитеррористические средства, в том числе:
● анализаторы и детекторы следов взрывчатых веществ на основе оптически индуцированного поглощения контролируемой воздушной среды;
● экспресс-детекторы взрывчатых веществ на основе полупроводниковых газочувствительных датчиков;
● гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых веществ.
3. Системы доступа, паспортного и миграционного контроля, в том числе:
● объектовые пропуска с уникальными нанометками;
● замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами-нанометками;
● электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1-10 Гбайт.
4. Защита информации.
5. Разработка и промышленное внедрение технологии получения и нанесения нано-композитных многофункциональных защитных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности…» [8]
Примеры можно продолжать.
Токсичность наночастиц.
Прежде чем говорить о токсичности, хотелось бы напомнить один исторический пример. Еще в 1898 году инспектор английской фабрики Л. Дин предупредил о вредном воздействии асбеста.
1998-1999 гг. – Евросоюз и Франция наложили запрет на использование всех форм асбеста.
2000-2001 гг. – ВТО поддержала запрет Евросоюза.
«…Мыши вдыхали нанотрубки в течение 14 недель - этого срока недостаточно, чтобы показать развитие рака, однако, как и в случае асбеста, уже через две недели эксперимента на плевре мышей появились складки и морщины, вызванные воздействием на нее углеродных нанотрубок. Эти симптомы, называемые фиброзом, не проявлялись у мышей, вдыхавших обычную углеродную сажу, так как эти частицы не имеют таких соотношений длины и ширины, как у асбестовых волокон или углеродных нанотрубок…» [9].
«…Люди могут подвергаться воздействию наночастиц как прямо, например, через созданные с помощью нанотехнологий лекарства, косметику и солнцезащитные крема, так и косвенно – вдыхая их во время синтеза наночастиц.
Ряд исследований задокументировали in vitro (в лаборатории) и in vivo (в естественных условиях) токсичность воздействия наночастиц. Свидетельства наводят на мысль о том, что они могут вызывать повреждения ДНК, активные формы кислорода, повреждения клеточных органоидов и гибель клеток.
А исследование, опубликованное в European Respiratory Journal в 2009 году, заявляет, что у семерых китайских рабочих развилось сильное повреждение легких после вдыхания полиакрилатных наночастиц на печатной фабрике – первый случай, когда была проведена связь между воздействием наночастиц и заболеванием человека…
…К примеру, в рамках существующих нормативов Управление по охране окружающей среды (EPA) в США предлагает правила, требующие от производителей, импортеров и переработчиков двух химических веществ – многостенных и одностенных углеродных нанотрубок - подачи уведомления с информацией, которая поможет осуществлять мониторинг риски для здоровья и окружающей среды.
Сходным образом стиральные машины, использующие наночастицы серебра в завершении цикла стирки, оцениваются правительством США на их безопасность для окружающей среды. В 2005 году опасения о токсическом эффекте для популяции микробов вызвали временный отказ от стиральных машин, использующих наночастицы, в Швеции.
EPA уже приняло решение о регулировании продуктов, содержащих наночастицы серебра, которые широко используются в потребительских товарах и обладают антибактериальными свойствами…» [10].
«…– Если говорить о работах нашей группы, следует отметить интересный, не предсказанный ранее результат: эффект накопления наночастиц серебра в головном мозге, который мы обнаружили на основе ядерно-физических методов…
…– Этот вопрос до конца не изучен, хотя пионерские работы с наночастицами серебра нами были проведены. Как было показано, при проведении экспериментов в темно-светлой камере мышь изменяет свое поведение, если она принимала нанопрепарат серебра. Мыши, которые получали этот препарат в течение месяца, абсолютно не реагируют на яркий свет и становятся более активными. Контрольная группа ведет себя естественным образом, предпочитая темную часть камеры. Таким образом, прием препаратов наносеребра может повлиять на поведение…» [11].
Последние пример взят из материалов научно-исследовательского центра «Курчатовский институт». Этим я хочу подчеркнуть междисциплинарный характер исследований. Вопросом нанобезопасности занимаются специалисты разных отраслей науки. Основное направление исследований в России направлено на биологические объекты. Влияние наночастиц на окружающую среду рассматривается в основном на основании работ, проведенных за границей. Поэтому следует рассмотреть правомерность такого положения при изучении вопросов нанобезопасти.
Правовое обеспечение работ по нанобезопасности
Началу работ положила «Программа развития наноиндустрии в российской федерации до 2015 года», принятая в январе 2008 года. В этой программе целый раздел был посвящен угрозам, которые могут представлять работы в области нанотехнологий, однако возможность отрицательного воздействия на окружающую среду там не прописана. Далее была разработана «Стратегия деятельности фонда инфраструктурных и образовательных программ до 2020 года», которая должна сформировать «…в наноиндустрии систему оценки безопасности как комплекса мер по минимизации рисков, связанных с воздействием нанотехнологий и продукции наноиндустрии на здоровье человека и окружающую среду…»
Кто конкретно будет формировать систему безопасности, связанную с минимизацией рисков, связанных с воздействием на окружающую среду «Стратегия…» не указывает.
Для медицинских исследований была утверждена в 2007 году «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска наноматериалов». Далее были разработан целый ряд методических указаний, определяющих правила в области нанобезопасности.
В 2010 году комиссией ПАСЕ по окружающей среде, сельскому хозяйству, местным и региональным вопросам началась подготовка к резолюции по теме «Нанотехнологии — новая опасность для окружающей среды?». Российскому сенатору Валерию Сударенкову было предложено стать докладчиком.
«…Одним из результатов того, что доклад готовился российской стороной, может стать создание именно в нашей стране международного междисциплинарного центра, мировой базы знаний по вопросам нанобезопасности. Конечно, здесь нам сложно конкурировать со странами Евросоюза, но, тем не менее, шансы у нас очень высокие...» [12]
Сударенков уже не сенатор, Европа ввела санкции, но проблема осталась.
Деятельность организаций, предусматривающая возможность негативного воздействия на окружающую среду регламентируется Федеральным Законом «Об охране окружающей среды». В частности, там есть такие положения:
«… обязательность оценки воздействия на окружающую среду при принятии решений об осуществлении хозяйственной и иной деятельности;
Обязательность проведения в соответствии с законодательством Российской Федерации проверки проектов и иной документации, обосновывающих хозяйственную и иную деятельность, которая может оказать негативное воздействие на окружающую среду, создать угрозу жизни, здоровью и имуществу граждан, на соответствие требованиям технических регламентов в области охраны окружающей среды;
…запрещение хозяйственной и иной деятельности, последствия воздействия которой непредсказуемы для окружающей среды, а также реализации проектов, которые могут привести к деградации естественных экологических систем, изменению и (или) уничтожению генетического фонда растений, животных и других организмов, истощению природных ресурсов и иным негативным изменениям окружающей среды;
Соблюдение права каждого на получение достоверной информации о состоянии окружающей среды, а также участие граждан в принятии решений, касающихся их прав на благоприятную окружающую среду, в соответствии с законодательством
… разработка и издание федеральных законов и иных нормативных правовых актов в области охраны окружающей среды и контроль за их применением…».
Постановление Правительства Российской Федерации «О Федеральной службе по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» предусматривает:
«… Установить, что Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды осуществляет функции по управлению государственным имуществом и оказанию государственных услуг в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга окружающей среды, ее загрязнения…
… Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по управлению государственным имуществом и оказанию государственных услуг в области гидрометеорологии и смежных с ней областях, мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды, государственному надзору за проведением работ по активному воздействию на метеорологические и другие геофизические процессы…»
…5.4.12. обеспечение органов государственной власти, Вооруженных Сил Российской Федерации, а также населения информацией о фактическом и прогнозируемом состоянии окружающей среды, ее загрязнении…
…5.4.14. организацию и обеспечение выполнения работ федерального назначения в области гидрометеорологии и смежных с ней областях…»
Комментировать федеральное законодательство не имеет смысла. Единственно можно констатировать факт, что оно не выполняется в полной мере, особенно в части вопросов влияния нановеществ на окружающую среду.
Работы по вопросам нанобезопасности в окружающей среде только начинаются, поэтому было бы целесообразно разработать документ, который регламентировал бы подачу уведомлений с информацией, которая поможет осуществлять мониторинг риски для здоровья и окружающей среды. Нечто подобное есть в США. Полагаю, творчески переработав и адаптировав документ его можно принять как основу для разработки законодательства в дальнейшем.
Наукоград
Сейчас в моде говорить о советском периоде жизни нашей страны с негативным оттенком. Но при этом забывают, что именно в этот период появился первый искусственный спутник Земли, первый человек в космосе и еще много чего первого. И об этом мы не имеем права забывать. В связи с этим хотелось бы напомнить и о городе Обнинск.
В уже наше время он стал первым наукоградом России. Но стал он благодаря тем наработкам, которые были сделаны в СССР. Город прославился использованием мирного атома. Но работы велись комплексно. Помимо Физико-энергетичесого института в городе были институт медицинской радиологии, институт экспериментальной метеорологии, институт сельхоз метеорологии, институт сельхозрадиологии и так далее. Сейчас все эти институты носят другие названия, но все они являются примером организации работ по междисциплинарной науке, межотраслевой технологии.
С приходом новой власти городу чего только не предлагалось: технопарк (строят, наверное, лет 10), кампус (студенческий), кластеры разных видов, агломерацию перечислять и комментировать отдельный вопрос. Наконец разработали Стратегию развития до 2025 года. Кто желает, может почитать на сайте городской Администрации. Мое мнение - не знаю плакать или смеяться.
Но идея сосредоточить в городе научные организации разного направления здравая. Тем более, что в городе ведутся совместные работы по развитию радиационной медицины. Институт экспериментальной метеорологии переименовали в НПО «Тайфун».
Там сохранилась и работает большая аэрозольная камера. Камера уникальная и в настоящее время единственная в мире. При кооперации с Федеральным государственным бюджетным научным учреждением «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии» (ФГБНУ ВНИИРАЭ) и другими институтами можно было бы начать работы по нанобезопасности в области охраны окружающей среды.
Следует вспомнить, что в стратегии «Роснано» до 2020 года говорится о необходимости работ в области экологии. Поэтому возможно финансирование работ на начальном этапе за счет средств, заложенных в данной программе.
Ну а дальше можно будет говорить о создании международного междисциплинарного центра, мировой базы знаний по вопросам нанобезопасности в области охраны окружающей среды. Перспектива есть, но ее осуществление будет зависеть от принятия решения по этому вопросу на уровне Правительства РФ.
Использованные источники
Источники поступления наночастиц в окружающую среду. И.В. Анциферова
2. http://академия-собор.рф/sites/default/files/pbnt.pdf
Проблемы безопасности нанотехнологий. В.Н. Лысцов Н.В. Мурзин
Рак крови научились лечить наночастицами.
Ученые из России создали наночастицы-«гранаты», убивающие рак.
Элементная база нанобезопасности. Композитные сенсоры дешевы, чувствительны и не знают усталости.
Российские ученые создали материал для «самозалечивающихся» дорог.
Агро – нанотехнологии.
Нанотехнологии в системах безопасности. Предпосылки и тенденции использования.
Углеродные нанотрубки могут вызвать повреждения легких
Нанотехнологии и нанотоксичность.
Виктор Фридман. Нанотехнологии в повседневной жизни: где таится опасность?
Нанотехнологии или скрытая угроза
В.А. Шепель,
ведущий инженер, ФГБУ «НПО «Тайфун»,
г. Обнинск, Россия.
