Spotlight på umærkelige effekter af nanopartikler

Fra det tøj og den makeup, vi har på, til de elektroniske enheder, vi bruger hver dag, nanoteknologi bliver allestedsnærværende. Men mens industrien har mestret produktionen af ​​sådanne materialer, lidt er kendt om deres skæbne, når først deres levetid er slut. NANO-ØKOTOKSICITET-projektet undersøgte deres indvirkning på jordorganismer.

Økonomisk vækst, stigende befolkninger og ressourceknaphed er tre hovedelementer i, hvad der sandsynligvis er en af ​​de sværeste ligninger for menneskeheden at gennemskue. Mange forskere er enige om, at en del af løsningen ligger i nanoteknologi:mindre, hurtigere, lettere, smartere og billigere enheder, der også bruger færre råvarer og forbruger mindre energi.

Imidlertid, der er stadig lang vej igen, før nanoteknologi kan betragtes som den videnskabelige udviklings hellige gral. Dens indvirkning på sundhed og miljø er stadig relativt ukendt og er i øjeblikket genstand for en varm debat mellem videnskabsmænd, industri, politikere og miljøorganisationer.

NANO-ØKOTOKSICITET er et af flere EU-projekter, der forsøger at rette op på tingene. Ser på metal nanopartikler (NP'er), den bygger på observationer om, at disse partikler i stigende grad vil ende i jord, og at der mangler pålidelige data vedrørende deres optagelse af, og potentielle effekter på, jordorganismer. Holdet koordineret af Dr. Claus Svendsen har udført toksicitetstests for at evaluere effekten af ​​zinkoxid (ZnO) og sølv (Ag) NP'er på regnorme (Eisenia andrei og Lumbricus rubellus). med det formål at kaste lys over de vigtigste optagelsesveje for metal-NP'er i disse organismer.

Dr. Maria Diez-Ortiz, forskningsleder af NANO-EKOTOXICITY-projektet, fortæller os om hendes forskningsresultater, og hvordan hun forventer, at de hjælper med at øge viden og forme værktøjer, der giver mulighed for standardmetoder til miljøfare og risikovurdering.

Hvad er baggrunden for NANO-ØKOTOKSICITET-projektet?

Nanoteknologi er baseret på ideen om, at ved at konstruere størrelsen og formen af ​​materialer på skalaen af ​​atomer, dvs. nanometer (nm), tydelig optisk, elektronisk, eller magnetiske egenskaber kan indstilles til at producere nye egenskaber af kommerciel værdi. Imidlertid, der er en åbenlys bekymring for, at sådanne nye egenskaber også kan føre til ny adfærd, når de interagerer med biologiske organismer, og dermed til potentielt nye toksiske virkninger.

Da nanopartikler (NP'er) i størrelse svarer til vira, deres optagelse af og transport gennem væv er baseret på mekanismer, der er forskellige fra molekylær optagelse og transport. Derfor, der er bekymring for, at standardtoksikologiske test muligvis ikke er anvendelige eller pålidelige i forhold til NP'er, og dermed kompromittere nuværende risikovurderingsprocedurer.

Størstedelen af ​​forskningen i nano-sikkerhed i miljøet har hidtil fokuseret på vandmiljøet. Aktuel forskning om miljøskæbne, imidlertid, indikerer, at jord vil blive den største miljømæssige dræn for nanopartikler. Efter deres indtræden i flydende affaldsstrømme, nanopartikler vil passere gennem spildevandsrensning. processer, ender i affaldsslam, som kan samle sig i landbrugsjorden, hvor dette slam ofte udbringes.

Hvad er de vigtigste mål med projektet?

Dette projekt omhandler toksikokinetik - dvs. den hastighed, hvormed et kemikalie kommer ind i en krop og påvirker den - af metalnanopartikler, der kommer i kontakt med jordlevende organismer. Målet er at bestemme NP'ers skæbne og virkninger i terrestriske økosystemer ved hjælp af casestudier med zinkoxid og sølv NP'er, som repræsenterer forskellig skæbnekinetik.

Projektets hovedformål er at vurdere toksiciteten af ​​metalnanopartikler i jord på kort og lang sigt; den vigtigste eksponeringsvej for regnorme, og om den adskiller sig fra ioniske metallers; og, endelig, eksponeringsmediernes indflydelse på metal nanopartikeltoksicitet.

Hvad er nyt eller innovativt ved projektet og den måde, det løser disse problemer på?

Vi har kørt en langtidsundersøgelse, hvor jord med AgNP blev opbevaret og efterladt til ældning i op til et år; deres toksicitet blev testet i starten og efter tre, syv og 12 måneders aldring. Resultaterne viste, at sølvtoksicitet steg over tid, hvilket betyder, at kortsigtede standardtoksicitetstests kan undervurdere miljørisikoen ved sølvnanopartikler.

Parallelt, vi fandt ud af, at organismer udsat for sølvnanopartikler i korttidsundersøgelser akkumulerede højere sølvkoncentrationer end organismer, der blev udsat for den samme massekoncentration af ionisk sølv. Imidlertid, disse NP-eksponerede organismer led faktisk mindre toksiske virkninger. Denne observation modsiger den fremherskende antagelse i toksikologi, at den internaliserede koncentration er direkte relateret til den kemiske koncentration på målstedet og dermed til dens toksicitet. Denne observation skaber et nyt paradigme for nano-økotoksikologi.

Hvad der endnu ikke vides er, om det akkumulerede NP-metal på længere sigt i sidste ende kan blive toksisk (f.eks. gennem opløsning og ionfrigivelse) i celler og væv, hvor AgNP'er kan opbevares. Skulle dette ske, de høje akkumulerede koncentrationer kan i sidste ende resultere i større langtidstoksicitet for NP'er end for ioniske former. Dette kan afsløre disse akkumulerede NP'er som internaliserede 'tidsindstillede bomber', der er relevante for langsigtede virkninger og toksicitet.

Imidlertid, det skal huskes på, at de forudsagte miljøkoncentrationer som følge af den nuværende brug af nanopartikler (f.eks. resultater fra EU-projekter som NANOFATE2) er mange gange mindre end dem, der anvendes i disse undersøgelser, hvilket betyder, at sådanne ophobninger af nanopartikelrelateret sølv sandsynligvis ikke vil forekomme i miljøet eller, ultimativt, hos mennesker.

Hvilke vanskeligheder stødte du på, og hvordan løste du dem?

De største problemer, man støder på, vedrører sporing af nanopartikler inde i væv og jord, da begge er komplekse matricer. Analysen af ​​partiklerne er en udfordring i sig selv, selv når du er i vand, men for at få information om deres tilstand i disse matricer kræver det ofte urealistiske eksponeringskoncentrationer (på grund af lave detektionsgrænser for de højt specialiserede teknikker, der anvendes til analyse) eller ekstraktion af partiklerne fra matricerne, hvilket potentielt kan ændre partiklernes tilstand.

I dette projekt, Jeg rejste til University of Kentucky for at arbejde med Jason Unrine og brugte skånsomme vandbaserede ekstraktioner af jordprøver umiddelbart før jeg analyserede dem ved hjælp af 'Field-flow fraktionering' og 'Induktivt koblet plasma massespektrometri' for at identificere tilstanden af ​​nanopartikler i mine gamle jorde. .

For at se på hvilken form (speciering) af sølv og zink fra eksponeringen af ​​nanopartikler, der kunne findes inde i orme, samarbejdede jeg med NANOFATE-forskere ved Cardiff University, som fikserede og tynde sektionerede ormevævene. Jeg var heldig at få tid til at bruge specialistfaciliteter som Storbritanniens Diamond Light Source synkrotron til at undersøge, hvor og i hvilken form metallerne og potentielle nanopartikler kunne findes i disse væv.

Den største udfordring er, at så snart du tager nanopartikler ud af producentens flaske, begynder de at ændre sig, især når de sættes ind i miljøer som naturlig jord og vand, eller endda organismer. Derfor er en masse karakterisering nødvendig under eksponeringen for at fastslå tilstanden af ​​de nanopartikler, organismerne har været udsat for, og hvor hurtigt de ændrer sig fra uberørte partikler til opløste ioner, eller partikler med helt andre overflader.

Tekniske løsninger til karakterisering er blevet fundet i løbet af dette korte projekt, men dette vil forblive en logistisk udfordring i mange år fremover, da analyseudstyret stadig er meget specialiseret og dyrt og derfor ikke er almindeligt tilgængeligt.

Hvad er de konkrete resultater fra forskningen indtil videre?

Projektet har hjulpet os med at drage forskellige konklusioner vedrørende virkningen af ​​NP'er på miljøet og hvordan man vurderer dem. Først, vi ved nu, at jordens surhed, eller pH, påvirker opløsningen og toksiciteten af ​​ZnO nanopartikler.

Derefter, vi fandt, at toksiciteten af ​​sølvnanopartikler stiger over tid, og at partiklernes belægning påvirker deres toksicitet over for hvirvelløse dyr i jorden.

Som tidligere nævnt, regnorme udsat for sølvnanopartikler i 28 dage akkumulerede højere sølvkoncentrationer end regnorme udsat for sølvioner, uden at det overskydende sølv fra nanopartiklerne har en giftig effekt. I øvrigt, jordindtagelse blev identificeret som den vigtigste eksponeringsvej for AgNP og ZnONP hos regnorme.

Hvordan kan industrien og beslutningstagere sikre, at nanomaterialer ikke påvirker vores miljø?

Vi håber, at dette projekt, og det større EU-projekt NANOFATE, som det er knyttet til, vil give viden og værktøjer, der gør det muligt at anvende standardmetoder til miljøfare og risikovurdering på konstruerede nanopartikler (ENP'er) med blot nogle få velovervejede modifikationer. De nuværende systemer og protokoller til kemisk risikovurdering er blevet udviklet gennem årtier, og hvor der ikke findes nye giftige mekanismer, vores resultater plejer at sige, at nano passer ind, så længe vi måler de rigtige ting og karakteriserer realistiske eksponeringer korrekt.

Vores forskning sigter mod at bestemme de minimale metodiske justeringer, der er nødvendige. Indtil videre tyder alt på, at de potentielle fordele ved nanoteknologi kan realiseres og håndteres sikkert sammen med andre kemikalier. Selvom vi på nuværende tidspunkt er ret sikre på, at ENP'er ikke påtvinger større akutte effekter på vigtige biologiske parametre - såsom reproduktion - end deres ioniske former, NANO-ØKOTOKSICITET-resultaterne viser, at vi har et stykke vej igen, før vi kan sige højt og tydeligt, at vi ikke mener, at der er nogen ny lav- eller langtidseffekt.

Hvad angår alle kemikalier, at bevise en sådan negativ er umuligt ved brug af korttidstest. Vi mener, at de endelige konklusioner fra industrien og tilsynsmyndighederne om sikker brug af nanopartikler bør og bliver nødt til at blive lavet i overensstemmelse med en "weight of evidence"-tilgang - der beviser, at der er en kløft mellem forudsagte sandsynlige eksponeringsniveauer og de niveauer, der ses at forårsage nogen virkning eller ophobninger i økosystemarter.

Hvad er de næste emner for din forskning?

Dette projekt er afsluttet, men det næste skridt for enhver anden finansieringsmulighed ville være at adressere stadig mere miljørelevante eksponeringsscenarier ved at analysere, hvordan nanopartikler modificeres i miljøet og interagerer med levende væv og organismer på forskellige trofiske niveauer. Jeg vil gerne undersøge nanopartikeltransformation og interaktioner i levende væv. Til dato, de undersøgelser, der har identificeret denne 'overskydende' ophobning af ikke-toksiske metalbelastninger i organismer, der er udsat for nanopartikler, har kun været kortvarige.

Bortset fra det åbenlyst øgede potentiale for overførsel af fødekæder, vides heller ikke, om på længere sigt, det akkumulerede NP-afledte metal bliver i sidste ende giftigt, når det er til stede i væv og celler. En sådan transformation og frigivelse af metalioner i væv kan i sidste ende resultere i større langsigtet toksicitet for NP'er end for ioniske former.

Desuden, Jeg ønsker at teste eksponeringer i et fungerende modeløkosystem, herunder interspecifikke interaktioner og trofisk overførsel. Da interaktioner mellem biota og nanopartikler er relevante i naturlige jordsystemer, Forsigtighed er nødvendig, når man forsøger at forudsige de økologiske konsekvenser af nanopartikler baseret på laboratorieanalyser udført med kun en enkelt art. I nærværelse af det fulde supplement af biologiske komponenter i jordsystemer, komplekse NP'er kan følge en række veje, hvor belægninger kan fjernes og erstattes med ekssudatmaterialer. Undersøgelser for at kvantificere arten af ​​disse interaktioner er derfor nødvendige for at identificere skæbnen, biotilgængelighed og toksicitet af realistiske 'ikke-urørte' former for NP'er, der findes i virkelige jordmiljøer.

Projektet blev koordineret af Natural Environment Research Council i Storbritannien.