Rizika nanomateriálů

VŠB – Technická Univerzita Ostrava Centrum nanotechnologií

Rizika nanomateriálů Mgr. Kateřina Dědková, Ph.D.

[email protected]

Obsah 

Nanomateriály v životním prostředí a jejich možná environmentální rizika



Chování a osud nanočástic a ultrajemných částic ve složkách prostředí



Toxikologicky významné parametry nanomateriálů



Zdravotní rizika nanomateriálů

Nano-metrické částice (< 100 nm)

Nanočástice (NPs)

vs. Ultrajemné částice (UFPs)

„Engineered“ Definovaná velikost (př. ~ 20 nm) Definované složení

„Unintentionally produced“ Širší velikostní spektrum Multikomponentní

Nanometrické částice Přírodní – lesní požáry, vulkanická činnost, … Antropogenní činnosti – doprava, spalovací procesy, pyrometalurgie, svařování, smažení, grilování, kouření, aj. Nanotechnologie – syntetické nanomateriály (pigmenty, obalové hmoty, aditiva, kosmetika, léčiva, …

Přírodní – vulkanická činnost

Eruption at Eyjafjallajökull.

Composite map of volcanic ash cloud from April 14 to 25, 2010, based on data by the London Volcanic Ash Advisory Center's website.

Přírodní – vulkanická činnost

Eyjafjallajökull volcanic ash collected in the UK by Ian Russell, shown here with 400x magnification under a microscope

Saze z dieselových motorů 

Znečištění ovzduší prachovými částicemi: 42% doprava, 22% průmysl, 11% elektrárny, 9% domácnosti.



U.S.-EPA: Emise prachových částic z dopravy – cca 210 000 t/rok (1999) se vzrůstající tendencí



- hlavní složky: organické sloučeniny, elementární uhlík, CO, NOx



- zdroje: diesel. motory (72%) a benzínové motory (28%).

Většina prachových částic emitovaných spalováním nafty v dieselových motorech spadá do frakce < 1 µm.

Saze z dieselových motorů

Filtr tuhých částic

http://www.catf.us/diesel/dieselhealth/faq.php?site=0

Automobilová doprava – brzdová obložení enormní počty vyrobených frikčních kompozitů pro brzdová obložení frikční procesy jsou spojeny s uvolňováním otěrových částic

co a v jakém množství je emitováno do prostředí vliv na životní prostředí a zdraví člověka vhodná metodika pro analýzu těchto materiálů

Celosvětový „vozový park“ Jižní Amerika 5% Asie 24%

Střední východ & Afrika 4%

Sev. Amerika 31%

Evropa 36%

1.2 miliardy registrovaných vozidel (2014) – 2 miliardy v roce 2035

Suspendované částice z brzd

Kukutschová J., et.al: Environmental Pollution, 2011.

Mikronová frakce

~ 2.5 µm


Nano-frakce

< 100 nm Kukutschová J., et.al: Environmental Pollution, 2011.

Suspendované otěrové částice


Kovy v suspendovaných frakcích




The project aims at demonstrating a novel and low environmental

impact break system that will reduce micro and nanoparticles

emission by at least 50% 

The LOWBRASYS challenge is to develop a new generation of transport technologies able to push innovation towards a cleaner and more efficient road transport, improving air quality with positive effects on both environment and human life.

Pyrometalurgie  



zpracování rudy (aglomerace) výroba železa (vysoká pec) zpracování železa a oceli (elektrická oblouková pec, tandemová pec, kyslíkový konvertor)

Produkce jemnozrnných odpadů (tisíce tun ročně) = skládkování

Kal z tandemové pece

Odprašek z elektr. oblouk. pece

Ultrajemné částice jako vedlejší produkty

PYROMETALURGIE

TEM snímek – Kal z kyslík. konvertoru

AFM snímek - Kal z tandemové pece

Laserové

tiskárny

He C., et al: Particle Emission Characteristic of Office Printers, Environ. Sci. Technol, 41:6039-45 (2007).

Opalovací krémy Nano ZnO, TiO2 NanosunTM - práškové ZnO, (30nm) a směsi nano ZnO s nanočásticemi TiO2, Fe, Al, Ag aj.

EU projekt NeuroNano 

Profesor Vyvyan Howard, patolog a toxikolog, a Dr Christian Holster, expert na Alzheimerovu chorobu,



“There is now firm evidence that some engineered nanoparticles entering intravenously or via lungs can reach the brains of small animals“. “Indeed they deposit in almost all parts of the brain and there are no efficient clearance mechanisms to remove them once there.”





"Do nanoparticles induce neurodegenerative diseases? Understanding the origin of reactive oxidative species and protein aggregation and mis-folding phenomena in the presence of nanoparticles.„



There are several pathways by which nanoparticles might generate (and respond to) harmful oxidative stress in the brain:



1) Direct effects of nanoparticle-derived free radicals on neurones after contact or entry into them; 2) Contact or entry into neurones causing proteasomal or mitochondrial dysfunction; 3) Uptake by microglial cells causing activation of NADPH oxidase and an oxidative burst.

Sušičky prádla

Emise ultrajemných částic ze sušiček Měřeno uvnitř domu, 10 m od sušičky. Min. detekovaná velikost ~ 10 nm.

Prům. konc. UFPs: 6 x 1012 č./sušící cyklus.

Wallace L.: Atm. Environ, 2005.

Grilování vs. smažení Na plynu a elektrickém vařiči. Různé druhy potravin. Smažení použitím různých olejů.

Ultrajemné částice emitované při grilování masa na plynovém sporáku. Buonanno G.: Atm. Environ, 2009.

Emise UFPs při smažení potravin Vyšší obsah tuku v potravinách = více ultrajemných částic při smažení

Srovnání emisí UFPs při použití různých olejů pro smažení. Buonanno G.: Atm. Environ. 2009.

Pracovní prostředí

Syntetické nanomateriály Použití 

Medicína – léčiva, nosiče léčiv,

Nejasnosti

diagnostika, krycí materiál, … 

 

Kosmetika – opalovací krémy, … Potraviny – obalový materiál, … Textilní výrobky



   

Toxicita ? Ekotoxicita ? Transport ? Biotransformace ? Bioakumulace ?

Jedná se o nové materiály, se kterými živé organismy doposud nepřišly do kontaktu → nelze predikovat odezvu !!!

Nanokompozitní materiály

Snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu grafit modifikovaný TiO2

Snímek z transmisního elektronového mikroskopu (TEM) nanočástic ZnO vázaných na jílovém nosiči

Inhibice růstu bakteriálních kmenů: Staphylococcus aureus Enterococcus faecalis Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa High-resolution SEM kompozitu TiO2/ZrO2 DědkováK. et.al. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 135 (2014) 17-22

Nanočástice Ag

Široké aplikační využití: - dezinfekce povrchů - modifikace textilních vláken - baktericidní účinky - toxicita, ekotoxicita ??? - vliv na účinnost čištění odpadních vod ???

Argyrie - "Nejedná se ani tak o otravu stříbrem, jako o usazovaní elementárního stříbra v orgánech (zejména v kůži a sliznicích). Toto usazování nemá žádné vážnější účinky na život, pouze je dotyčný "stříbrný„.

"The Blue Man"

Nebezpečné vlastnosti:   

hmotnost —> gravitační působení zanedbatelné povrch —> reaktivita (ROS) velikost —> schopnost prostupu přes biomembrány

Mikro vs. Nanometrické částice PM konc. 10 μg/cm3 Diameter (µm)

Number (per cm3 of air)

Surface (µm2 per cm3 of air)

2.5

1.2

24

1

19

60

0.1

19 100

600

0.02

2 400 000

3 016

Hazard

Proč ne také vybrané (potenciálně nebezpečné) nanomateriály ?

Znak nanohazardu ETC Group (Action Group on Erosion, Technology and Concentration) kanadská společnost, která se orientuje na podporu udržitelného rozvoje v oblasti kultury, ekologie a lidských práv. www.etcgroup.org Vyhlášena soutěž – navržení znaku nanohazardu. Vítězný návrh (2007): představuje pouze nanohazard v souvislosti s expozicí nanočásticím, nikoli nanomateriálům obecně. the European Commission - EU Observatory for nanomaterials Bylo však požadováno - Register, fails to protect workers from health risks V roce 2012 odeslalo11 členských států (Rakousko, Belgie, Chorvatsko, Česká republika, Dánsko, Francie, Itálie, Lucembursko, Holandsko, Španělsko a Švédsko) dopis Evropské komisi urgující potřebu legislativy na registraci nanomateriálů. http://nanotechlaw.blogspot.com

Hazard vs. Riziko Hazard = jakýkoli zdroj potenciálního poškození

Typ hazardu Věc Materiál Chem. látka

Příklad hazardu Nůž Asbest Benzen

Příklad poškození Pořezání Mesothelioma Leukémie

Riziko = pravděpodobnost s jakou dojde k poškození po expozici hazardu. Př.: Riziko vzniku rakoviny v důsledku kouření – u kuřáků je 12-ti násobně vyšší pravděpodobnost úmrtí na rakovinu plic než u nekuřáků.

Osud nanomateriálu v životním prostředí

National Institute of Resources and Environment, Japan http://www.aist.go.jp/NIRE/eco_tec_e/hyouka_e.htm

Hodnocení rizik nanomateriálů

Nanotoxikologie – interakce nanomateriálů s živými organismy

Problémy nanotoxikologie 

Dozimetrie – jak vyjadřovat dávku (např. hmotnost, velikost, povrch, počet částic) ?



Jak zjistit zda je daný materiál vpraven do detekčního organismu v požadované formě?



Je problematické detekovat a kvantifikovat nanomateriály v buňkách a tkáních.



Potřeba charakterizovat nanomateriály ve všech fázích toxikologického hodnocení.



Jaké jsou nejvhodnější sledované parametry v testech toxicity (biochemické, genetické nebo morfologické změny) ?



Je možná extrapolace výsledků testů na zvířatech z hlediska vlivu na zdraví člověka ?

Inhalační expozice Nanometrické částice – snadno suspendovatelné Inhalace - nejčastější druh expozice.

Rozdělení velikostí částic 

Inhalovatelná frakce (< 100 μm) částice schopné vstoupit do dých. traktu (vdechnuty nosem, ústy)

 

Thorakální frakce (< 10 μm) → do plic Respirabilní frakce (< 5 μm) transport až do plic. sklípků

Účinnost odchytu částic řasinkovým epitelem

Průměr [μm]

Záchyt [%]

10 5 3.5 2

100 50 25 10

Mukociliární eskalátor Staphylococcus bacteria, riding the mucociliary escalator up out of the nasopharyngeal tract.

https://www.pinterest.com/pin/476537204292364134/

Blood-borne particles Alveolar Wall

Částice (<100 nm) – po inhalaci: - do 60 s → alveoly - do 60 min → jaterní tkáň

Dermální expozice Dekorační kosmetika + krémy Opalovací krémy Léčiva

Nižší riziko průniku do krevního oběhu ve srovnání s inhalační expozicí.

Transport nanometrických částic do CNS

Testováno na: potkanech, primátech Aplikace:

intranasalní instilace Materiál: kovy, oxidy kovů Nalezena ložiska instilovaných kovů v CNS. Oberdörster G., et. al: Environ. Health Persp. 113(7):823-839. 2005.

Transportní dráhy nanometrických částic

BLOOD

Oberdörster G., et. al: Environ. Health Persp. 113(7):823-839. 2005.

Změna koncentrace nanočástic v krevním řečišti

Rupová a Skřehot 2011.

Parametry částic a jejich vliv na cytotoxicitu

Testy toxicity Akvatická toxicita Fytotoxicita Cytotoxicita In vivo studie

Testy akvatické ekotoxicity Stanovují účinky na přežívání, růst nebo reprodukci detekčních vodních organismů.

Sladkovodní korýši: (zooplankton) Daphnia magna, Hyalella azteca – sledovaný parametr LC50 – 48h, reprodukce Sladkovodní obratlovci: ryby Pimephales promelas (střevle) – biochemické změny po expozici (hladina vybraných proteinů, apod.)

Akvatická ekotoxicita fulereny C60



Testovaný materiál:



Korýši: nízká mortalita, po chronické expozici – snížení reprodukční schopnosti (pro dávku cca 2.5 ppm)



Ryby: mozková tkáň - degenerativní změny

Testy fytotoxicity Testy inhibice klíčivosti a růstu kořene Detekční organismus: kukuřice, okurka, ředkev, řepka aj. Materiál: nanočástice Al, Zn, Al2O3, ZnO ve formě suspenze ve vodě Velikost částic: 10 – 60 nm

Nejvyšší fytotoxicita: – nano-Zn a nano-ZnO

In vivo testy toxicity elementární Cu 

Detekční organismus – myši



Testovaný materiál – Cu ve formě: Cu2+ Cu0 mikrometrické částice (~17 µm) Cu0 nanometrické částice (~ 23.5 nm) Vzorky ve formě suspenze v hydroxypropylmethylceluloze – zamezení agregace.



Expozice - perorální

Meng, et al, Tox.Lett., 2007.

Expozice myší elementární Cu

Toxicity (1/LD50)

Srovnání toxicity jednotlivých forem Cu pro myši po perorální expozici – ve vztahu k stanovenému povrchu částic.


Expozice myší elementární Cu – per os

Žaludek myší exponovaných jedné z forem Cu

Žaludek myší v kontrolní skupině

Výrazná morfologická změna u myši exponované nano-Cu – pravděpodobně vlivem delší doby setrvání nano-Cu v žaludku a následný vznik iontů po reakci s žaludeční kyselinou.


Chronická inhalace nanočástic – testy pulmonární toxicity Testovací organismus – potkan (extrémně citlivý na vznik zánětlivých procesů po expozici částicím) Materiál – nanočástice TiO2 (< 100 nm)

SEM snímek plíce potkana demonstrující zúžení v oblasti přechodu průdušek v alveolární část plic.

SEM snímek depozice inhalovaných částic v alveolární části.

Pathologic Assessment of Animal Tissues = lungs, lymphatic tissue control

Sample No. 2 Lung Tissue – Diaphragmatic Lobe

Staining – hematoxylin eosin, mag. 40 x

Lung tissue – 3 month exposure

Wear particles, < 5 µm, 1 mg dose 3 month exposure

mag. 40 x Drobnýy opouzdřený uzlík jednak antrakotického pigmentu, jednak opticky aktivního materiálu, který je dispersně rozeset v plicních alveolech.

Lung tissue - 14 day exposure Wear particles < 5 µm, 1 mg, 14 days Mag. 40 x Emfyzematozně rozepjatá plicní (roztrhané alveoly) tkáň s ložisky nakupeni makrofágů střádajících opticky aktivní materiál – markéry zánětu.

Krevní buňky po expozici nano TiO2 

Testovaný materiál – oxid titaničitý ve formě:

- nano TiO2 (anatas) 20 nm - mikro TiO2 (anatas) 200 nm 

Odebrány krevní buňky králíků – erytrocyty smíchány se suspenzí částic ve fosfátovém pufru.



Expozice po dobu 1 h při 4°C.

Li et al.:Food Chem Toxicol, 2008.

Krevní buňky po expozici nano TiO2 

Hodnocení sedimentace

Změny v sedimentaci odrážejí změnu ve tvaru buněk nebo působení toxikantů.

Kontrola

Erytr. + nano TiO2

Erytr. + mikro TiO2

Li et al.:Food Chem Toxicol, 2008.

Krevní buňky po expozici nano TiO2

Morfologie

buněk Kontrola

Erytr. + nano TiO2

Erytr. + mikro TiO2

Po expozici oxidu titaničitému (nano i mikro) – evidentní změna v morfologii buněk. Tato změna tvaru buněk má za následek změnu v sedimentaci (markantní po expozici nanočásticím). Li et al.:Food Chem Toxicol, 2008.

Krevní buňky po expozici nano TiO2 Snímky erythrocytů z transmisního elektronového mikroskopu. Částice vytvářejí shluky – převážně na povrchu membrány.

Nanočástice po průniku do buňky. „Ghost cells“ – nebyly pozorovány po expozici mikronovým částicím.

Nanočástice vyvolaly významné poškození membrány, čímž došlo k vylití obsahu buňky. Li et al.:Food Chem Toxicol, 2008.

Biologická dostupnost a její ovlivnění v prostředí

Org. hm.- biopolymery (polysacharidy, glykoproteiny, …), fulvo-kyseliny, huminové kyseliny = biodostupnost

Ionty solí - podporují agregaci NPs =

biodostupnost

Možné environmentální dopady nanomateriálů v prostředí

-

ovlivnění autotrofních organismů z hlediska fixace vzdušného CO2 (1), NPs,UFPs adsorbované (2) nebo deponované (3) na povrchu asimilujících rostlin - ovlivnění dostupnosti záření nebo výměnu plynů (4), nanomateriály přítomné v atmosféře mohou zvyšovat počet kondenzačních jader pro tvorbu dešťových kapek (5); interakce s edafonem (6) může ovlivnit půdní respiraci (7); další půdní procesy jako je transport kapalin (8) nebo plynů (9), a modifikace symbiotických vztahů (10). V konečném důsledku to může ovlivnit tři klíčové úlohy ekosystému: koloběh živin (11), čištění vod (12) a produkci biomasy (13) Navarro E., 2008: Ecotoxicology 17:372-386.

Zdravotní rizika nanometrických částic nanopatologie

Spolupráce s Ústavem patologie FNO

SEM – EDX - tonsily

SEM-EDX snímek cévy glioblastomu

Expozice nano-Ni    

(případová studie)

Zdravý nekuřák (38 let) Bez předchozích respiračních onemocnění Zaměstnán v nově vybudovaném provoze pokovování ložisek – nástřikem roztaveného Ni Práce po dobu cca 90 min za směnu → ihned po směně se necítil dobře → druhý den byl u lékaře s kašlem, dušností a svíráním na hrudi – byla mu předepsána ATB → po 4 dnech hospitalizován s horečkou, zrychleným dýcháním a cyanózou → přetrvávaly respirační potíže → po 13 dnech zemřel na respirační selhání Phillips et al. Am. J. Ind. Med. 2011

Expozice nano-Ni  -


Analýza pracovního prostředí: rekonstrukce pracovních podmínek – analýza částic koncentrace částic ~ 400 mg Ni/m3 průměrná velikost < 50 nm

Po úmrtí: - analýza moči: 780 µg Ni/dm3 - patrné poškození plic, zvětšení levé srdeční komory Odebrány vzorky: - plic, srdce, ledvin, mozku, sleziny, močového měchýře --- pro mikroskopické hodnocení Phillips et al. Am. J. Ind. Med. 2011

Expozice nano-Ni


TEM snímek plicní tkáně

Nanočástice detekované uvnitř makrofágu v plicní tkáni (4-25 nm) Phillips et al. Am. J. Ind. Med. 2011

Londýnský smog - 1952  

   

5 dnů trvající smogová situace Vlivem zavedení autobusů s dieselovými motory do centra města + povětrnostní podmínky. + 4000 úmrtí Zvýšená mortalita o 12 000 oproti průměru 12/1952 – 02/1953 Úmrtí na bronchitidu, chřipku, kardiovaskulární onemocnění. Věk. skup: 0-25, > 75 let

Londýnský smog - 1952 

Retrospektivní studie – analýza archivovaných nekroptických vzorků z období Londýnské smogové situace.

Plicní tkáň

Morfologie částic detekovaných v plicní tkáni

Hunt et al., Env. Health Persp. 2003.

Beijing Smog Event

Závěr 

Nanomateriály jsou v ŽP odnepaměti.



Antropogenní procesy významně přispívají k emisím nanometrických částic.



Nově se v posledním desetiletí začaly ve velkém produkovat syntetické nanomateriály, které nacházejí široké uplatnění.



Četné studie ukazují na (ekotoxicita, genotoxicita, syntetických nanomateriálů.

různé toxické účinky cytotoxicita) mnoha

Závěr 

Syntetické nanomateriály mohou představovat jistá environmentální a zdravotní rizika, zejména při neřízeném uvolňování do ŽP.



Z tohoto důvodu je výhledově nezbytné vydefinovat pro každý syntetický nanomateriál podmínky pro bezpečnou manipulaci.



„Better safe than sorry“

Děkuji za pozornost.

Rizika nanomateriálů

Recommend Documents