JOSRA 3 - 2009

Vyrábené nanomateriály: Analýza rizik jejich prípravy, dopadu na zdraví a zivotní prostredí

05.10.2009 | AUTOR: Ing. Karel Klouda, M.B.A., CSc., Ph.D., RNDr. Hana Kubátová

ENGINEERED NANOMATERIALS: RISK ANALYSIS OF THEIR PRODUCTION AND THEIR IMPACT ON HUMAN HEALTH AND ENVIRONMENT

Karel Klouda¹, Hana Kubátová²

¹Státní úrad pro jadernou bezpecnost, Senovázné námestí 9, Praha 1, karel.klouda@sujb.cz

² Státní úrad pro jadernou bezpecnost, Senovázné námestí 9, Praha 1, hana.kubatova@sujb.cz

Abstrakt

Práce upozornuje na rostoucí rozvoj komercních výrobku obsahujících nanomateriály. S tímto rozvojem jsou spojena mozná rizika jak pri príprave a výrobe nanomateriálu, tak i prípadné dopady na zdraví osob a jednotlivé slozky zivotního prostredí. Soucástí práce je proto návrh postupu rízení rizik pri príprave a výrobe nanomateriálu, který má za cíl snízit jejich mozné negativní dopady.

Klícová slova: nanomateriály, ing-nanocástice, analýza rizik, toxicita

Abstract

The article draws attention to increasing development of commercial products containing nanomaterials. This development is connected with potential risk both during nanomaterials preparation and production and their impact on human health and environment. An integral part of the article therefore is proposal for risk analysis process during nanomaterials preparation and production to decrease their possible adverse effect.

Keywords: nanomaterial, engineered nanoparticles, risk analysis, toxicity

Úvod

Nanomateriály jsou tuhé látky, u kterých je alespon jeden rozmer mensí nez 100 nm [1]. Nanocástice mohou být izometrické (vsechny tri rozmery pod 100 nm), mohou mít tvar vláken (dva rozmery pod 100 nm) nebo vrstev (jeden rozmer pod 100 nm). Hierarchický vztah mezi výrazy oznacujícími tvar predmetu v nanooblasti uvádí schéma c. 1.

Vední obor, který se venuje studiu nanomateriálu (nanocástic), vcetne vývoje materiálu a zarízení o nano-rozmerech, se nazývá nanotechnologie. Jedná se o interdisciplinární vední obor, která zahrnuje klasické obory jako je fyzika, kvantová mechanika, chemie, biochemie, elektronika apod.

Zjednodusený princip odlisného chování nanomateriálu spocívá v tom, ze fyzikálne chemické vlastnosti pevných látek nejsou stejné uvnitr materiálu a na jeho povrchu. Pri zmensení cástic daného materiálu pod 100 nm zacínají fyzikálne chemické vlastnosti povrchu prevládat nad vlastnostmi daného materiálu a cástice se zacne chovat, jako by celá byla tvorená jen povrchem. Jeden z nejvýraznejsích jevu tohoto procesu je silné zvýsení chemické reaktivity, jejímz dusledkem muze být i zmena toxicity.

Nanocástice se nacházejí v prírode vedle nás odnepameti (horský vzduch obsahuje 10³/cm³ cástic). Vznikají pri pozárech, erupcích sopek, erozí, chemickým rozkladem organických látek, spalováním fosilních paliv (tepelné elektrárny, spalovací motory apod.) a poslední dobe vznikají také cílene v laboratorích ci ve výrobe. Pro tyto clovekem zámerne vytvárené nanocástice je v textu uzíváno oznacení ing–nanocástice.

Schéma c. 1 Výrazy oznacující tvar predmetu v nanooblasti

Anglické ekvivalenty výrazu pouzitých ve schématu:

nanomateriál = nanomaterial

nanocástice = nanoparticle

nanotyc = nanorod

nanovrstva = nanoplate

nanodrát = nanowire

nanotrubice = nanotube

nanovlákno = nanofibre

Nanocástice nasly uplatnení jiz v dobe, kdy uzivatelé neznali jejich podstatu. Jako príklady muzeme uvést:

• sklári pridávali prásky z kovu nanorozmeru – viz unikátní Lykurgovy poháry ze 4. stol. n. l.
• lesklá glazurovaná keramika ze 13. – 16. století
• glazury renesancní keramiky (Cu a Ag)
• koloidní roztoky
• výroba sazí
• chemická katalýza (kovové a keramické látky nanorozmeru ci a nanopóry – zeolity)
• metalurgie (napr. klastry Cu).

Vzhledem ke skutecnosti, ze se rozmery nanocástic nacházejí pod hranicí optického rozlisení, stala se dulezitým faktorem, který prispel k rozvoji nanotechnologií, zejména nová technika. Zcela zásadní význam mel vynález elektronového mikroskopu, který umoznil spatrit a identifikovat trojrozmernou strukturu nanocástic. Následné konstrukcní zmeny elektronového mikroskopu v 80. a 90. letech 20. století ^a) umoznily, spolu s dalsími technikami instrumentální analýzy, identifikovat a prokázat radu originálních struktur nanomateriálu.

Zámerne vyrábené nanomateriály – „ing-nanocástice“

Existují dva principy výroby nanomateriálu. Postup „TOP-DOWN“ predstavuje rozrusování velkých kusu materiálu, zatímco pri postupu „BOTTOM-UP“ jsou jednotlivé atomy a molekuly spojovány do vetsích nanostruktur.

K príprave nanomateriálu lze vyuzít tri cesty, a to chemickou, fyzikální a mechanickou. Príklady chemické cesty jsou:

• reakce v plynné fázi (karbidy, nitrily, oxidy, kovy, slitiny),
• reakce v rozpustném médiu (vetsina kovu a oxidu),
• reakce v pevném médiu (vetsina kovu a oxidu),
• sol-gel technika (vetsina oxidu),
• reakce chemickým srázením,
• spalováním v plameni,
• nadkritická kapalina pri chemické reakci (vetsina kovu, oxidu a nekteré nitrily),

zatímco príklady fyzikální cesty jsou:

• vyparení s následnou kondenzací za nízkého tlaku v inertní atmosfére,
• pyrolýza s vyuzitím laseru, plazma,
• ozarování.

U mechanických metod prevládá vysoko-energetické drcení ruzných materiálu at keramických, kovových ci polymeru:

• válcování,
• rezání,
• protahování skrz póry.

O nanotechnologiích se hovorí jako o fenoménu konce 20. a pocátku 21. století. Tomu odpovídá i obrovský nárust podpory výzkumu v dotcených oblastech. Rozvoj nanotechnologií nelze zastavit. Nejméne tricet pet státu vyhlásilo národní program výzkumu a inovací.

Dle výzkumu Evropské komise k ekonomickému rozvoji nanotechnologií je jiz nyní zrejmá vysoká komercializace nanotechnologií. Ocekává se, ze nanotechnologie budou mít v budoucnu podstatný dopad na svetovou ekonomiku. Do chodu jsou uvádeny nové nanotechnologické spolecností, které vyuzívají tzv. rizikový kapitál. V Evrope prevládají investice z verejných zdroju oproti soukromým investorum, v USA a Japonsku je vyvázenejsí pomer.

Rozvoj výroby komercních produktu (hlavne v USA a ve Východní Asii), který nastal mezi rokem 2006 a 2008 charakterizuje graf na obr. c. 1 [10]. Prevazujícím nanomateriálem obsazeným ve výrobcích je stríbro, viz obr. c. 2.

V Ceské republice bylo v roce 2008, podle publikace Nanotechnologie v CR 2008 [9], registrováno 134 organizací zabývajících se výzkumem a výrobou nanomateriálu. Toto císlo predstavuje oproti roku 2005 nárust o více nez 100 %. K nejvetsímu nárustu, a to o 200%, doslo mezi malými a stredními podniky (z 19 na 57). Z dostupných informací vyplývá, ze orgány ochrany verejného zdraví v CR se v soucasné dobe zabývají pouze inventarizací uvedených organizací.

Obr. c. 1 Rozdelení výrobku obsahujících nanocástice dle oblasti vyuzití [10]

Obr. c. 2 Pocet produktu podle chemického prvku tvorícího základ nanocástice [10]

Objektivne lze pripustit, ze diskuze týkající se potenciálních nebezpecí nanomateriálu nezustává bez odezvy a rada spickových vedeckých institucí se za podpory jednotlivých vlád venuje výzkumu na toto téma. Jde o dodrzování zásady predbezné opatrnosti a nalezení zpusobu analýzy rizik dríve, nez bude produkt vyrobený nanotechnologickými postupy uveden na trh [1-3].

Z zivotního cyklu nanomateriálu (viz obr. c. 3) lze usuzovat, ze uvolnení „ing-nanocástic“ je mozné jak behem jejich výroby a expedice, tak rovnez z vlastního výrobku, jehoz jsou soucástí, nebo pri likvidaci takovéhoto výrobku.

Obr. c. 3 Zivotní cyklus nanomateriálu

Mobilita uvolnených „ing-nanocástic“ a jejich interakce s jednotlivými slozkami zivotního prostredí budou pravdepodobne závislé na velikosti cástic, jejich tvaru, povrchu, rozpustnosti, náboji a dalsích fyzikálne-chemických vlastnostech. Lze proto predpokládat, ze ruzné typy nanomateriálu budou mít ruzné vlivy na zivotní prostredí a potazmo na lidské zdraví.

Fyzikálne-chemické interakce nanomateriálu s zivotním prostredím mohou být provázeny radou oxidacne redukcních reakcí s mikroorganismy, organickými látkami, prvky a minerály, dále hydrolýzou a jsou ovlivneny UV zárením apod.

Zustává otázkou, zda tradicní prístupy (metodiky) hodnocení rizik, tj. identifikace nebezpecí, popis nebezpecí a konecná charakteristika rizika pokryjí celou slozitou problematiku spojenou s nanotechnologiemi. Toto hodnocení bude pravdepodobne ovlivneno napr. formou vyrábeného nanomateriálu (jedná se o nanocástice, nanotyce nebo nanovrstvy) ci skutecností, ze je nanomateriál ve výrobe zaclenen do jiného výrobku. Nepochybne bude resit, jakým zpusobem je zajistena bezpecnost výroby, bezpecnost pracovníku ve výrobe a v prípadných dalsích zpracovatelských zarízeních, zda je ohrozena verejnost v blízkosti výroby a zpracovatelských zarízení, zda a prípadne jakým zpusobem je ohrozen spotrebitel, jaká mohou být rizika spojená s likvidací ci recyklací nanoproduktu apod. A v neposlední rade se bude hledat odpoved na otázku, jaký je vliv jednotlivých nanomateriálu na zdraví a na jednotlivé slozky zivotního prostredí.

Vzhledem ke specifickým vlastnostem nanomateriálu nemusí být konvencní testy toxicity dostatecné k odhalení vsech mozných skodlivých úcinku. Stále není k dispozici dostatecné mnozství relevantních informací o chování nanomateriálu v lidském tele, ani o jejich vlivu na mikroorganismy, zivocichy a rostliny v zivotním prostredí.

Návrh postupu analýzy rizik výroby nanomateriálu (ing-nanocástic)

Námi navrzený postup analýzy rizik výroby nanomateriálu, vcetne jejich vlivu na zdraví a zivotní prostredí, vychází ze studie kanadského institutu IRSST (Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail) [4], Evropské agentury pro bezpecnost a ochranu zdraví pri práci (OSHA) [5] a „Kontrolního listu“ z materiálu Organizace pro ekonomickou spolupráci a rozvoj (OECD) [6].

Navrzená analýza rizik se delí na dve vetve a „dodatek“ venovaný vyuzití a zpusobu likvidace (schéma c. 2). První vetev, která se venuje výrobe, má za úkol shromázdit informace o nebezpecích spojených s výrobou, a to zejména vyhledat rizika vzniku pozáru a výbuchu, viz schéma c. 3. Ve schématu c. 3 je sest vytipovaných faktoru, které se mezi sebou vzájemne prolínají, i kdyz jsou uvedeny samostatne (napr. zdroj iniciace muze prímo souviset s výrobní technologií, charakteristikou nanomateriálu a zvolenou pracovní metodou apod.). Legenda ke schématu c. 3 (viz príloha c. 1) uvádí vlastnosti, cinnosti a oblasti urcené k proverení a hodnocení.

Druhá vetev je venována zdraví a zivotnímu prostredí. Pri shromazdování informací o rizicích v techto oblastech je treba se zamerit na toxicitu (toxikinetiku) vuci savcum, k zivotnímu prostredí a jeho slozkám (voda, puda, ale také biosféra) a k osudu nanomateriálu v zivotním prostredí. Zároven na formu expozice (inhalace, kuzí, potravou) pracovníku (obyvatel v okolí) a zpusob jejich ochrany pomocí osobních ochranných prostredku (respirátory, masky, rukavice, odevy). Detaily, kterým je nutno venovat pozornost pri posuzování a hodnocení rizik pro oblast zdraví a zivotního prostredí, jsou specifikovány v príloze c. 2.

V otázkách toxikologie lze v první etape hodnocení vyuzít údaje publikované v literature, pricemz doporucujeme overit získané údaje z více zdroju. K první orientaci v problematice muze slouzit príloha c. 3 s tabulkou c. 1.

Dulezité je vzájemné propojení informací získaných z obou vetví schématu c. 2. Lze predpokládat, ze u vetsiny prípadu se musí projevit kauzalita ci domino efekt. Napr. netesnost výrobní linky – zvýsená expozice zamestnancu – zvýsené riziko pozáru – zvýsení toxicity v prostredí apod.

Pro komplexnost analýzy je treba zpracovat i tzv. „dodatek“, který by mel upresnit, zda je sledovaný produkt finálním výrobkem a je distribuován koncovým spotrebitelum (mnozství, pocet a místa prodeje apod.) ci slouzí jako polotovar pro dalsí výrobce (zpusob zabudování do výrobku, jaký výrobek apod.). Úkolem „dodatku“ je rovnez hodnocení zpusobu likvidace sledovaného produktu. Mel by posoudit navrhovaná resení ukoncení jeho zivotního cyklu, napr. vhodnost recyklace, skládkování, spalování apod.).

Schéma c. 2 Návrh postupu analýzy rizik výroby nanomateriálu

a) typ nanomateriálu, jeho chemické slození, tvar, fyzikální a chemické vlastnosti jako napr. rozpustnost, specifický povrch, hydrofilnost a hydrofobnost, velikost cástic, agregáty apod.

b) viz faktory schéma c. 3.

Schéma c. 3 Nekteré faktory ovlivnující riziko pozáru a výbuchu u nanosloucenin (výroba, skladování, expedice)

Záver

Námi navrzený postup rízení rizik pri produkci (manipulaci pri výzkumu) nanomateriálu (nanocástic) muze vyústit k identifikaci procesu a cinností, pri kterých existuje moznost zvýsené expozice nanomateriály. To umozní následne prijmout opatrení a doporucení na úpravu výrobního zázemí a procesu výroby, stanovit systém monitoringu, minimální rozsah pouzití individuálních ochranných pomucek apod.

Literatura

[1] Na ceste k evropské strategii pro nanotechnologie, COM (2004), 338.

[2] Nanoveda a nanotechnologie: Akcní plán pro Evropu 2005-2009, COM (2005), 243.

[3] Regulacní aspekty nanomateriálu, COM (2008), 366.

[4] OSTIGUY, Claude; ROBERGE, Brigitte; MÉNARD, Luc; ENDO, Charles-Anica. Best Practices Guide to Synthetic Nanoparticle Risk Management : report R-599. IRSST - Communications Division, 2009. ISBN: 978-2-89631-345-7.

[5] KALUZA, Simon; BALDERHAAR, Judith; ORTHEN, Bruno; HONNERT, Bertrand; JANKOWSKA, Elzbieta; PIETROWSKI, Piotr; TANARRO, Celia; TEJEDOR, José; ZUGASTI, Agurtzane. Workplace exposure to Nanoparticles. EU-OSHA.

[6] List of Manufactured Nanomaterials and List of Endpoints for Phase One of the OECD Testing Programme, OECD Series on the Safety of Manufactured Nanomaterials No. 6, ENV/JM/MONO(2008)13/REV.

[7] NEL, Andre E.; MÄDLER, Lutz; VELEGOL, Darrell; XIA, Tian; HOEK, Eric M. V.; SOMASUNDARAN, Ponisseril; KLAESSIG, Fred; CASTRANOVA, Vince; THOMPSON, Mike. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials, 2009, Vol. 8, No. 7, pp 543-557.

[8] OSTIGUY, Claude; SOUCY, Brigitte; LAPONITE, Gilles; WOODS, Catherine; MÉNARD, Luc; TROTTIER, Mylene. Health Effects of Nanoparicles : report R-589. IRSST - Communications Division, 2008. ISBN: 978-2-89631-320-4.

[9] PRNKA, Tasilo; SHRBENÁ, Jirina; SPERLINK, Karel. Nanotechnologie v CR 2008. Ostrava : Repronis, 2008. ISBN 978-80-7329-187-7.

[10] The Project on Emerging Nanotechnologies [on-line] [cit. 2009-07-23]. Dostupný z WWW: <http://pewnanotech-project.us/inventories/consumer/analysis-draft/>.

a) Napr. skenovací mikroskop, který vyuzívá tzv. tunelový efekt (STM Scanning Tunelling Microscopy) ci mikroskop atomových sil (AFM Atomic Force Microscopy). Tyto mikroskopy mají mechanickou a elektrickou cást. Povrch vzorku se zkoumá tenkým hrotem – sondou tvorenou pyramidálne usporádanými atomy Si nebo W. Mezi sondu a vzorek se vlozí nízké napetí. Podle vodivosti vzorku se hrot pohybuje nad vzorkem ci po jeho povrchu. Generuje se tzv. tunelový proud.

TISKNOUT | POSLAT MAILEM