Ученые ДВФУ: углеродные и кремниевые наночастицы токсичны для окружающей среды

Международная группа токсикологов вместе с командой ученых Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) исследовала потенциальный вред для окружающей среды углеродных и кремниевых наночастиц, входящих в состав пластиковых изделий и композитов. Выяснилось, что нанотрубки и нановолокна могут повреждать клетки микроскопических водорослей, которые широко представлены в морском бассейне российского Дальнего Востока. Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Research.

Причиной, по которой ученые обратили внимание на проблему токсичности наноматериалов, стал ежегодный стремительный рост их применения в самых разных отраслях мировой экономики. Ожидается, что к 2020 году мировой рынок карбоновых нанотрубок вырастет до 5,64 млрд долларов — более чем в два раза по сравнению с 2000 годом.

В процессе производства пластика и композитов карбоновые и кремниевые нанотрубки добавляются для улучшения физических характеристик конечного продукта. В современной медицине нанотрубки различного происхождения предлагается использовать в качестве лекарственных адсорбентов, а также систем доставки лекарств в клетки организма человека.

На сегодняшний день все виды наночастиц, синтезированных на карбоновой основе, достаточно хорошо описаны в литературе относительно их физических параметров. В то же время, ученые говорят о недостатке токсикологической информации об этих частицах, на основании которой можно было бы оценивать и моделировать риски.

«От 60 до 80% всего пластика и композитных материалов в мире, а также около 10% объемов пластика, производимого ежегодно, заканчивают свой путь в Мировом океане, где их разложение занимает несколько сотен лет. Все эти материалы, как правило, содержат в себе несколько видов наночастиц, добавленных для улучшения характеристик, — рассказал один из авторов статьи Кирилл Голохваст — доктор медицинских наук, проректор по научной работе ДВФУ. — Токсикологическое исследование морских микроводорослей имеет большое значение, поскольку они широко распространены и образуют основу пищевой цепи в океане».

Для исследования ученые использовали одноклеточные морские микроводоросли Heterosigma akashiwo, добытые в заливе Петра Великого Японского моря. Выбор был обусловлен тем, что этот тип водорослей широко распространен на российском Дальнем Востоке, и их исследование может быть релевантным для всех локальных микроводорослей. Другая причина в том, что клетка H. akashiwo имеет тонкую стенку, а значит, водоросль больше других подвержена химическому загрязнению. Карбоновые нанотрубки и нановолокна для исследования синтезировали в Институте катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН), их токсикологический эффект был предварительно изучен на крысах. Силиконовые нанотрубки для исследования были предоставлены химическим департаментом Университета Инха (Республика Корея).

В результате исследований ученые пришли к выводу, что токсический эффект от примесей карбоновых и кремниевых наночастиц в воде возникает при их концентрации в 100 мг/литр. Острый токсический эффект для клеток водорослей был выявлен на третий день эксперимента, а хроническое отравление клеток наступало на седьмой. При этом кремниевые нанотрубки оказались гораздо токсичнее карбоновых из-за меньшего размера и гидрофильных характеристик.

Ученые предполагают, что главной причиной гибели клеток водорослей послужило их механическое повреждение наночастицами, в результате которого целостность клеток была нарушена. В сравнении с нанотрубками, карбоновые нановолокна показали не очень высокую токсичность при концентрации 100 мг/л. Они не замедляли рост клеток водорослей, однако провоцировали их устойчивую деформацию. Причиной, по мнению ученых, стали присутствующие в карбоновых нановолокнах примеси никеля.

«Объем наноматериалов в нашей жизни значительно увеличился в последнее время. Раньше в лабораториях получали образцы в количествах, измеряемых микрограммами. На сегодняшний день мы имеем многотонное производство пластмасс и композитов, содержащих в себе наночастицы, в частности, углеродные и кремниевые нанотрубки. Чем дальше, тем важнее понять, какая нагрузка на экологию может быть вызвана этими частицами. Мы знаем, что диаметр нанотрубок имеет решающее значение для их токсичности: чем меньше наночастицы, тем они токсичнее. Таким образом, кремниевые нанотрубки более токсичны, чем углеродные. Но и соединения на основе углерода могут вызывать серию нейродегенеративных нарушений, главным образом, из-за накопления окислительного стресса и параллельного сокращения механизмов антиоксидантной защиты», — пояснил главный научный сотрудник Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ДВФУ, профессор Медицинской школы Университета Крита (Греция), главный токсиколог Европы Аристидис Тсатсакис.

Исследование поддержано грантами Президента России и Исследовательского агентства Эстонии. В работе приняли участие сотрудники ДВФУ, Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН, Национального научного центра морской биологии и Тихоокеанского института географии Дальневосточного отделения РАН, Университета Инха, Национального института химической физики и биофизики (Эстония), Эстонской академии наук, Университета Крита.

Александр Зверев,
press@dvfu.ru