Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Начало XXI века ознаменовалось лавинообразным возрастанием производства различных наносистем. Львиную долю из них составляют наноструктуры на основе углерода, в частности углеродные нанотрубки (УНТ), которые уже широко применяются при изготовлении различных композитов, элементов полупроводниковой техники, биосенсоров, в транспортном инкапсулировании и так далее. Разумеется, чем активнее используется этот материал, тем острее встаёт вопрос: а какова его экологическая безопасность, насколько он токсичен?
Нанотрубки углерода достаточно инертны, поэтому они тяжело разлагаются в естественных условиях и могут мигрировать в различных экосистемах. Например, после попадания в водную среду наночастицы способны поступать в организмы гидробионтов, то есть тех, кто постоянно обитает в воде: планктон, рыба и пр. Эти организмы находятся в основании экологической пирамиды, способны концентрировать любые загрязнители, в том числе УНТ, а дальше передавать их животным, находящимся на более высоких уровнях пищевой цепи.
Более десяти лет учёные изучают токсическое действие УНТ при их попадании в окружающую среду. Уже достоверно установлено, что УНТ проявляют значительно большую генотоксичность по сравнению с другими наночастицами углерода.
Исследований по этой теме немало, однако большинство из них посвящено изучению влияния углеродных нанотрубок на организм в целом и совсем мало – их воздействию на клетку и генетический материал. А ведь именно на молекулярном и клеточном уровнях происходит первичное взаимодействие УНТ и организма. О том, что на присутствие избыточного количества этих самых трубок в окружающей среде организм прореагировал, мы можем узнать лишь по факту его гибели. Изучение же реакции клеток и хромосом водных животных позволяет увидеть вредное воздействие нанотрубок гораздо раньше.
Коллектив российских учёных из Медицинского института при Тамбовском госуниверситете имени Г.Р. Державина, Национального исследовательского Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, ООО «НаноТехЦентр», Томского политехнического университета, НИТУ «МИСиС» под руководством генерального директора Центра медицинской экологии и нанотоксикологии Александра Гусева изучил влияние многостенных УНТ на организмы водных животных и хромосомы некоторых насекомых. Для своих исследований авторы выбрали организмы, которые считаются наиболее вероятными первичными «жертвами» наноматериалов, попадающих в окружающую среду. По мнению исследователей, сюда можно отнести пресноводные «фильтраторы»: личинки хирономид и цериодафний, одноклеточные зелёные водоросли и, конечно, излюбленный объект учёных-микробиологов – бактерии кишечной палочки.
Учёные работали с углеродным наноматериалом «Таунит» (УНМ «Таунит») – порошком чёрного цвета, состоящим из многостенных нанотрубок. Его крупнотоннажное производство уже налажено в Тамбове.
Авторы проводили биотестирование этой структуры и выясняли влияние концентрации и времени экспозиции УНТ на активность хромосом в определённых клетках личинок насекомых, обитающих в водной среде, а также на смертность выбранных биологических объектов.
В ходе эксперимента учёные подтвердили известный факт, что первыми на присутствие нанотрубок в организме реагируют субклеточные структуры, запускающие компенсаторные механизмы в ответ на стрессовое воздействие, а также установили, при каких условиях эти структуры справляются с загрязнением, а при каких начинают «бить тревогу».
В качестве подопытных структур были выбраны определённые участки хромосом, которые генетики называют ядрышковыми организаторами. Эти участки хромосом работают в 99% клеток, отвечают за поддержание в клетке гомеостаза и служат сенсором многих стрессовых воздействий. Нарушение их функций приводит к гибели клеток. Однако они способны противостоять влиянию извне, запуская компенсаторные механизмы, что приводит к общей краткосрочной стимуляции обменных процессов в клетке. Клетка отвечает на стресс и пытается восстановить свой нормальный гомеостаз (обмен веществ).
В таких случаях организм менее чувствительно реагирует на наноуглеродные соединения. Исследователи установили, что безопасные концентрации углеродных нанотрубок в водной среде лежат в диапазоне ниже 2 мг/л, и пришли к выводу, что нанотрубки относятся к умеренно опасным веществам. В малых дозах они не более токсичны, чем такой распространённый природный материал, как сажа. Результаты, полученные авторами исследования, могут быть использованы при разработке норм безопасности для продукции из различных углеродных наноматериалов.