A nanoanyagok környezeti és egészségkockázata
Pándics Tamás, Demeter Zoltán, Törökné Kozma Andrea, Balázs Mária, Dura Gyula
Országos Környezetegészségügyi Intézet
A NANOANYAGOK FELHASZNÁLÁSÁNAK IPARÁGAK SZERINTI MEGOSZLÁSA
10% Egyéb 34% Hibrid anyagok előállítása
17% Félvezetőgyártás
20% Informatika
8% Gyógyszeripar Egészségügy
11% Nanoelektromechanikus rendszerek
Nanoanyagok alkalmazása az egészségügyi ellátás terén
Vegyi anyagok kockázatbecslésének alapszerkezete Mólsúly, gőznyomás, olvadáspont, Kow, vízoldékonyság megoszlási együtthatók, lebomlás. Az anyag életciklusának ismerete: gyártási folyamat, mennyiség, rendeltetésszerű felhasználás jellemzői stb.
Elegendő adat áll rendelkezésre? A meglévő adatok minősége megfelelő?
Toxikológiai, ökotoxikológiai vizsgálatok eredményei, expozíciós kapuk, toxikokinetika, disztribúció,akut tox., irritáció, ismételt dózisú tox., karcinogenitás stb. STP mikroorg, vízi, sz.földi stb szervezetekre gyakorolt hatások
Meglévő ismeretek és adatok Humán expozíció: Expozíciós •munkahelyi, forgatókönyv készítése •használat során •környezeten keresztül Környezeti expozíció: Lebomlás, eloszlás Az anyag teljes „életciklusára” Előállítás, készítményekbe keverés: gyártási Expozíció értékelése technológia, volumen stb. Felhasználás, használat* hulladékkezelés
Veszélyek azonosítása Klasszifikáció (R/S-mondatok, címkézés)
Hatások értékelése
Dózis-válasz összefüggés Humán: exp. kapu-exp. küszöbérték Hatásmechanizmus Toxikokinetika Környezeti: Egyes fajokon végzett laboratóriumi vizsgálatok extrapolálása a valós körny. Felhalmozódás, másodlagos mérgezés
Kockázatjellemzés
Kockázatok kommunikációja a biztonságos használatért Előrejelzett expozíciós szintek az egyes humán csoportokra és környezeti elemekre
A várható expozíciók és biológiai hatások összevetése, az expozíciós szintek nem haladhatják meg a tolerábilis/elfogadható koncentrációkat
Amennyiben a várható expozíciós értékek magasabbak, mint a tolerábilis szintek, akkor: Részletesebb elemzéshez vizsgálati stratégia megtervezése Kockázatcsökkentés lehetőségének vizsgálata
A vizsgálatok alapján megállapítottuk a még nem káros dózisokat
Kockázatbecsléshez szükséges adatok: • Kémiai tulajdonságok vizsgálata és elemzése • Környezeti hatásvizsgálatok eredményei
• Egészségre gyakorolt hatások vizsgálata: – Expozíció (orális, dermális, inhalációs, iatrogén) – Toxicitás (akut, krónikus) – Karcinogenitás, genotoxicitás
Ugyanazon anyag nanoméretből adódó eltérő fizikaikémiai tulajdonságai: • • • • • •
Térfogati és tömegi fajlagos felület Katalitikus aktivitás Forrás- és fagyáspont Sűrűség Oldékonyság ………………..
Eltérő környezetre és egészségre gyakorolt hatás
Környezeti hatásvizsgálatok:
• Véletlenszerű méret- és anyagválasztás • Összehasonlíthatatlan adatsorok • Eddigiekben alaposabban vizsgált anyagok: – ezüst nanoszemcsék – szén-nanocsövek – TiO2
Nanoanyagok expozíciója Anyag/termék
Nanoméretű komponens
Expozíció
Kozmetikumok, krémek
Titán-dioxid, Cink-oxid
Dermális
Üzemanyag adalékok
Cérium-oxid
Inhalációs
Bevonatok
Ezüst nanoszemcsék
Dermális
Elektronikai eszközök
Szén nanocsövek
Dermális, inhalációs
Diesel üzemanyagok
Koromszemcsék
Inhalációs
Talajkezelő anyagok
Fémporok, sók
Inhalációs, orális
Egészségügyi ellátásában használt anyagok
Hidroxiapatit, ezüst, nanoméretű liposzómák
Dermális, inhalációs, orális, intravénás
Expozíciós forgatókönyv EREDET
ANTROPOGÉN
TERMÉSZETES
TERVEZETT
KÖRNYEZETI KÖZEG
NEM TERVEZETT
GYÓGYSZEREK ÉS TERMÉKEK LEVEGŐ
VÍZ
TALAJ ÉLELMISZEREK
BEJUTÁSI KAPU
BELÉGZÉS
TRANSZLOKÁCIÓ
MUKOCILIÁRIS
HATÁS LOKALIZÁCIÓ
LENYELÉS
VÉR ÉS NYIROK
LOKÁLIS
BŐRKONTAKTUS
IATROGÉN
NEURONÁLIS
SZISZTÉMÁS
A nanorészecskék vizsgálata során eddigiekben felmerült egészségre gyakorolt hatásai: • Lokális hatás: – Bőrirritáció, gyulladás (fém-oxidok) – Tüdő fibrózis (fém-oxidok) – Sejtmembrán károsodás (fém-oxidok)
• Szisztémás hatás: – Oxidatív stressz (carbon black) – Thrombocyta aggregáció (carbon black) – Karcinogenitás? (hidroxiapatit)
Kockázatbecslés szükségessége
Az egészségügyben használt nanoanyagok lehetséges veszélyei:
Az eddig rendelkezésre álló adatok alapján jelentős különbség mutatkozik a nagyszemcsés és nanoszemcsés anyagformák között Nanoanyagok fizikai-kémiai sajátságainak vizsgálata
Expozíció vizsgálata Expozíciós forgatókönyv készítése Mérés
Számítás
Toxikológiai vizsgálatok elvégzése
Teljes körű kockázatbecslés
Szabályozás
Szemikvantitatív kockázatbecslés
Nanoanyagok kockázatbecslése adathiány – életciklus elemzés
nanoanyag előállítás
nanotermék gyártás
felhasználás
a nanotoxikológia a nanorészecskékre összpontosít, nem a termékekre, a folyamatokra
hulladék
Kockázatbecslés problémái: • A korábbi számítógépes modellek nem megfelelőek (a nanoanyagok szempontjából fontos paraméterek hiánya) • Kémiai tulajdonságok vizsgálata és elemzése hiányos • Környezeti hatásvizsgálatok csak részben készültek
• Egészségre gyakorolt hatások vizsgálata még hiányos
Nagy pontosságú kockázatbecslés nem végezhető
Nanoanyagok szabályozása Európai Bizottság: van munka-, környezet-, fogyasztóvédelmi szabályozás és REACH: jelmondata: ha nincs adat, forgalmazni TILOS! Egészség- és környezetvédelem magas szintű biztosítása: Gyártói felelősség elve UNIÓS JOGSZABÁLYOK ?
jelölés, cimkézés
nanoveszély?
Szemikvantitatív modellek alkalmazásának szükségessége mint áthidaló megoldás Főbb szempontok a veszélyesség megítéléséhez: • Nanoanyagról van-e szó? • Oldékonyság/oldhatóság (poláros/apoláros) • Nanoanyag marad-e a bejutási kaput átlépve? • Bejutási kapu • Bejut-e a keringésbe/intracelluláris térbe • Oxidatív stressz/egyéb toxikus hatások • Kiürülés/kiválasztás
Szemikvantitatív kockázatbecslés Nanospecifikus tulajdonság (Nt)
Bh
Kockázat = f (Nt,Bh,Ke)
potenciális kockázat = (Bh .Ke + Nt2) . Nt1 Nt1: Nano-relevancia Nt2: életcíklus-adatok 0
10
Ke
Bh: Biológiai hatás •Reaktivitás (redox-, katalitikus aktivitás) •Stabilitás (bio- és környezeti perzisztencia)
100
1000
Ke: Fogyasztókat/dolgozókat érő környezeti expozíció •Fizikai matrix, amibe a nanorészecskét (NR) beágyazták •A nanorészecske (NR) összmennyisége a termék napi előállítása/felhasználása során •A potenciális expozíció gyakorisága •A NR emissziója a termékből vagy a felhasználás során
Döntési séma a nanoanyagok külön anyagként történő vizsgálatának mérlegeléséhez
NEM
300nm alatti részecskeméret IGEN
Képez-e 300nm-nél nagyobb
Szemikvantitatív modell
Nem vizsgálandó
„Nano-releváns” tulajdonságok
külön anyagaként
figyelembe vétele 300 nm-es küszöbméret Aggregálódási képesség Expozíció lehetősége Toxikus anyagok megkötése Jelentős reaktivitás
IGEN agglomerátumokat az emberi
szervezetben vagy a környezetben NEM NEM
Van-e lehetőség humán vagy környezeti expozícióra IGEN
Fokozott
IGEN
körültekintés
Felszínén köt-e egyéb toxikus anyagok NEM
A modell tovább finomítható ökotoxikológiai vizsgálatok eredményeivel
Külön anyagként vizsgálandó
IGEN
Szignifikánsan emelkedett reaktivitás a nagy szemcsés változathoz képest NEM
További lehetőségek a modell finomítására •A nanorészecskék azonos anyag esetében is jelentős eltérést mutathatnak eltérő részecskeméret mellett. •Irracionális elvárás a későbbiekre nézve is, hogy egy gyártó az adott különböző méretű nanoanyagot tartalmazó termék esetében minden lehetséges mérteben vizsgálatot végezzen. •Egyszerű ökotoxikológiai modellekkel vizsgálható egy méret-dózis-hatás összefüggés, amely csökkentheti a későbbiekben a szükséges vizsgálatok számát, illetve finomíthatja a szemikvantitatív modelleket
Vizsgálati tesztrendszerek Vizsgálatok a vas-oxid különböző koncentrációjú (0,01; 0,1; 1; 10; 50 és 100 mg/L) vizes oldataival Daphnia magna akut (48 h) és krónikus (21 nap) vizsgálatok (OECD 202, 211) valamint Thamnocephalus platyurus-szal végzett kísérletek (Thamnotoxkit F- 24h) Transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) Alga növekedés gátlás tesztek Navicula pelliculosa (kovaalga) Anabaena sp. (kékalga) valamint a Pseudokirchneriella subcapitata (zöldalga) tesztszervezeteken Heterocypris incongruens tesztszervezettel üledék toxicitási teszt (Ostracodtoxkit F) 10-1000 mg/L koncentráció tartományban. Vizsgálatok a titán-oxid különböző koncentrációjú (0,01; 0,1; 1; 10; 50 és 100 mg/L) vizes oldataival Alga növekedés gátlás tesztek Navicula pelliculosa (kovaalga) Anabaena sp. (kékalga) valamint a Pseudokirchneriella subcapitata (zöldalga) tesztszervezeteken
Nano vas-oxid eredmények (1) Az akut tesztek eredményei
10 mg/l
100 mg/l
Fokozott vedlés Daphniáknál
Korlátozottabb mozgás Béltraktusban lerakódó vas-oxid
Kontroll
0,01 mg/l
0,1 mg/l
Levedlett héjak
1 mg/l
10 mg/l
100 mg/l
Nano vas-oxid eredmények (2) Daphnia, 48 órás expozíció, 100 mg/l vas-oxid TEM (transzmissziós elektronmikroszkóp) vizsgálat Peritrofikus membránban vakuoláris degeneráció
Vakuoláris degeneráció (100 mg/l)
Nano vas-oxid eredmények (3) Nano vas-oxid krónikus Daphnia teszt Elővizsgálat: 1, 10 és 100 mg/l vizsgált koncentrációk 100 mg/l koncentrációban szignifikáns toxikus hatás (anyaállat pusztulás, méret és szaporulat-csökkenés - 90%-os gátlás) EC50 meghatározása: 10, 30, 60 és 100 mg/l-es koncentrációk Krónikus Daphnia-teszt vizsgálati eredményei
Normál vas-oxid Százalékos szaporulat
Nanoméretű vas-oxid
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
98 85
41
4 10
30
60
Nano vas-oxid koncentráció (mg/L)
Daphnia magna : EC50 = 52 mg/l
100
Nano vas-oxid eredmények (4) Ostracod krónikus teszt 10 és 1000 mg/l közötti vizsgált koncentrációk Szignifikáns toxikus hatás (pusztulás, növekedés gátlás) LC50 meghatározása a pusztulás mértékéből: 600 mg/l* EC50 meghatározása a növekedés gátlásból (érzékenyebb végpont): 500 mg/l Ostracod teszt eredményei 120
Hatás %
100 80
Pusztulás %
60
Növekedés gátlás %
40 20 0 10 mg/l
100 mg/l
300 mg/l 600 mg/l 1000 mg/l
Nano vas-oxid koncentráció
Nano vas-oxid és titán-dioxid alga tesztek Nano vas-oxid: Három algafaj: zöld-, kova és kék-alga, mindegyikre gátló hatású Navicula pelliculosa : EC50 = 10 mg/l Anabaena sp. : EC50 = 15 mg/l Pseudokirchneriella subcapitata : EC50 = 34 mg/l Algák a legérzékenyebbek a nanoméretű vas-oxidra!
Nano titán-dioxid: Nem tapasztaltunk gátló hatást egyik esetben sem (A kristályszerkezet rutil (-) vagy anatáz (+))
Kontrollhoz viszonyított %os növekedés
Nano vas-oxid növekedés-gátlás teszt Navicula pelliculosa kovaalgára 0,01; 106,9
0,1; 113,7
100
1; 85,3
80 60
10; 50,0
40 100; 17,6 20 0 0,01
0,1
1
10
Nano vas-oxid koncentráció (mg/l)
100
Hogyan tovább? • A jelentős adathiány pótlása különösen fontos a nanotechnológia biztonságos és felelősségteljes alkalmazását (COM/2004/338) megalapozó kockázatbecsléshez
• A mind nagyobb számban rendelkezésre álló adatok segítségével egyre pontosabb kockázatbecslés lehetséges, így megítélhetővé válik a nanotechnológiai és egyéb úton keletkező nanorészecskék kockázata • Áthidaló megoldásként szemikvantitatív kockázatbecslési modellek kialakítása szükséges az egészségkockázat megítéléséhez
Köszönöm a figyelmet
