Лекция и лаба по Холмской / ДодатковийМатер_ал

Поэтому необходимо оценивать риск применения и совершенствования нанотехнологий, а также исследования на предмет, достаточны ли действующие нормативы техники безопасности, разработанные до того, как нанотехнология стала возможной, для мониторинга нанотехнологии, охватывающей широкий диапазон технологий, процессов и изделий?

6.1. Разработка моделей оценки рисков для здоровья населения в результате поступления в окружающую среду наночастиц и наноматериалов

Анализ риска для здоровья – аналитический процесс для получения информации, необходимой для предупреждения негативных последствий для здоровья и жизни человека, состоящий из трех компонентов: оценки риска, управления риском и распространения информации о риске. Анализ риска для здоровья – это также процесс сбора, анализа и сравнения прогнозируемых параметров состояния здоровья отдельного лица с параметрами стандартной возрастной группы, что позволяет предсказать вероятность того, что у этого лица может преждевременно появиться какая-либо проблема со здоровьем, связанная с высоким уровнем заболеваемости и смертности в группе.

Важнейшим объектом внимания при оценке риска для здоровья, связанного с наноматериалами, является использование нанотехнологий при производстве электронной техники, строительных материалов, пищевых продуктов, биологически активных добавок к пище, упаковки пищевых продуктов как при непосредственном их использовании или употреблении, так и при воздействии поступления наночастиц и наноматериалов в окружающую среду в процессе их производства. Одним из таких рисков является появление воздушных взвесей наночастиц как побочного продукта производства. В большинстве своем они токсичны для человека и могут вызывать ряд заболеваний.

В мире к настоящему времени уже накоплен определенный экспериментальный материал по характеристике наноматериалов, методам оценки ингаляционной и пероральной нагрузки, методам токсикологического тестирования и по оценке риска. В частности, разработана стратегия тестирования в отношении системной экспозиции наночастиц, предусматривающая, во-первых, скрининговые исследования in vitro на стандартизованных клеточных и неклеточных моделях, во-вторых, кратковременные и, в- третьих, долговременные исследования in vivo на лабораторных животных

51

при использовании ингаляционного или перорального введения наночастиц с обязательным параллельным изучением их физико-химических параметров (состав, площадь поверхности, размер, форма, объемное распределение, характер распада и др.). Однако используемые в настоящее время в рутинной гигиенической практике оборудование и методические подходы в большинстве своем не приспособлены для оценки специфических видов риска, связанного с наноматериалами. Поэтому использование нанотехнологий требует разработки моделей оценки риска и стандартов безопасности.

Патогенные эффекты вдыхаемых твердых частиц зависят в первую очередь от концентрации загрязнения. Лёгочная нагрузка определяется скоростью загрязнения и очистки. Логично для любого порошка или волокон уровень дозы устойчивого состояния достигается, когда скорости оказываются сбалансированными. Это верно только тогда, когда материал твердых частиц не влияет на механизмы очистки. В отношении наночастиц химические и физические свойства самого материала важны, т.к. они влияют на скорости отложения и очистки.

Сферические твердые частицы материала могут вдыхаться, когда их аэродинамический диаметр менее 10 мкм. Более мелкие частицы могут проникать глубже в легкие, так, частицы менее 2,5 мкм могут даже достигать альвеол. Ультратонкие частицы (наночастицы с аэродинамическим диаметром менее 100 нм) откладываются в основном в альвеолярной области. Волокнами считаются твердые частицы с соотношением длины к диаметру по крайней мере 3:1. Их проникновение в лёгкие зависит от аэродинамических свойств. Волокна с небольшим диаметром будут проникать глубже в легкие, тогда как очень длинные волокна (>>20 мкм) преимущественно задерживаются в верхних частях дыхательных путей.

Лабораторные исследования показали, что если вдыхаемые концентрации низки, так что скорость отложения вдыхаемых частиц ниже, чем скорость очистки легких, то половина времени задержки взвешенных веществ составляет около 70 дней (устойчивое состояние легочного вещества во время постоянной экспозиции). Если же скорость отложения вдыхаемых частиц превышает скорость очистки, то половинное время задержки частиц существенно увеличивается, отражая нарушение и удлинение функции очистки, связанной с альвеолярными макрофагами, с продолжающимся накоплением легочного вещества (перегрузки). Вдыхаемые волокна, которые сохраняются в альвеолах, могут взаимодействовать с легочными эпителиальными клетками или даже проникать в легочную ткань. Биоперсисти-

52

рующие твердые материалы, определенно такие частицы, которые содержат мутагенные субстанции или асбестозные волокна или кремнезем, которые сохраняются годами в легких, увеличивая риск возникновения рака.

Большинство сферических твердых частиц с наноразмерами легко попадают в легкие и достигают альвеол. Эти частицы могут удаляться из легких, поскольку очистные механизмы не испытывают влияния со стороны самих частиц. Важно отметить, что специфическая область поверхности частиц, по-видимому, является лучшим показателем для максимума переносимого уровня экспозиции, чем общая масса. Вдыхаемые нановолокна (диаметром менее 100 нм) также могут проникать в альвеолы, и их очистка будет зависеть от длины специфических волокон. Недавние результаты по легочным эффектам углеродных нанотрубок подтверждают опасения, что наноразмерные волокна могут индуцировать скорее общую неспецифическую легочную реакцию [11].

Хотя тип частиц, по-видимому, не играет важной роли в том, будут ли они внедрены в сурфактантную выстилку альвеол, сам процесс проникновения является критическим. Взаимодействие частиц с клеткой возможно только после того, как происходит погружение частиц в жидкую выстилку. Логично, как это описано в сообщении о кремнии, что реактивные группы на наночастицах влияют на их взаимодействие с легкими (или в общем с биологическим материалом). В некоторых случаях возможно предсказать реактивность наноповерхностей. Однако, учитывая бедность данных, необходима проверка этих предсказаний в лабораторных условиях [11].

Влияние ингалированных частиц на другие органы выяснено только недавно. Большинство исследований было сконцентрировано на возможных последствиях воздействий частиц на сердечно-сосудистую систему. Однако недавние данные подтвердили концепцию, что нервная система также может служить мишенью для вредных эффектов ингалируемых частиц. Две комплементарные гипотезы объясняют нарушения функции сердечнососудистой системы после ингаляции ультратонких частиц. Первая гипотеза объясняет наблюдаемые эффекты появлением строгих (и сохраняющихся) легочных воспалительных реакций, приводящих к высвобождению медиаторов, которые могут влиять на сердце или другие сердечно-сосудистые исходы. Вторая гипотеза объясняет, что частицы транслоцируются из лёгких в системное кровообращение и тем самым прямо или косвенно влияют на гемостаз и сердечно-сосудистую целостность. Прохождение твердых материалов из легочного эпителия в кровообращение, по-видимому, ограничено наночастицами. Вопрос о транслокации частиц всё ещё нуждается в уточнении [11].

53

Эпидемиологические исследования предоставили ценную информацию о побочных для здоровья эффектах, особенно воздушных загрязнений, указывая на то, что наночастицы являются важными средовыми факторами риска для сердечно-сосудистой смертности. Индуцируемые частицами легочные и системные воспаления ускоряют атеросклероз и меняют сердечную автономную функцию и могут быть частью патофизиологического пути, связывающего загрязнение воздуха частицами с сердечно-сосудистой смертностью. Было также установлено, что частицы, откладывающиеся в альвеолах, ведут к активации продукции цитокинов альвеолярными макрофагами и эпителиальными клетками и к увеличению воспалительных клеток. Увеличение вязкости плазмы, fibrinogen и C-реативного белка наблюдалось в выборках случайно отобранных здоровых взрослых, связанных с воздушным загрязнением.

Таким образом, по данным ряда исследований, попадание наночастиц в организм человека может привести к воспалению легочной ткани, поражению сердечно-сосудистой системы, а также печени, почек. Это основные факторы риска, которые необходимо учитывать в моделях риска при попадании наночастиц через лёгкие. При этом, по-видимому, в первом приближении за основу можно взять уже разработанные модели оценки риска для взвешенных веществ диаметром до 2,5 мкм (фракция PM 2,5), которые вызывают похожие ответные реакции организма.

Главное достоинство разрабатываемых и предлагаемых для практического использования моделей оценки риска – это возможность получения достаточно ясных для специалиста результатов в виде, пригодном для основы принятия управленческих решений.

6.2. Разработка технических регламентов опытного

ипромышленного производства наноматериалов

вчасти разделов «Требования техники безопасности»

и«Охрана окружающей среды»

На данный момент переход от производства в лаборатории к промышленному производству нанотехнологической продукции осложняется значительными проблемами, так как надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать. Однако задача создания технических регламентов обращения с наноматериалами пока не ставится, что очень опасно. Ведь кроме проблемы безопасности труда на производстве, есть проблема безопасности конечного продукта

54

для потребителя, проблема охраны наносубстанций – как и любых экологически опасных и потенциально опасных веществ, проблема утилизации, в том числе просроченных средств, созданных при помощи нанотехнологий и, конечно же, проблема контроля качества, чтобы созданное было безвредно для потребителя.

Учитывая, как правило, низкую степень автоматизации и оснащённости защитными системами существующих опытных нанопроизводств, одним из главных рисков для здоровья персонала является появление воздушных взвесей наночастиц как побочного продукта производства. В большинстве своем они токсичны для человека и могут вызывать ряд заболеваний. Однако в отсутствие гигиенических нормативов на наночастицы и наноматериалы главным и в сущности единственным возможным методом регулирования воздействия выбросов нанопримесей и других вредных факторов на персонал производств и население является применение моделей оценки риска (в частности уже существующих моделей для взвешенных веществ микронных размеров и разрабатываемых моделей для наночастиц) и концепции приемлемого риска.

Приемлемый риск – уровень риска развития неблагоприятного эффекта, который не требует принятия дополнительных мер по его снижению [3]. Это вероятность наступления события, негативные последствия которого настолько незначительны, что ради получаемой выгоды от факторов риска человек, или группа людей, или общество в целом готовы пойти на этот риск.

Уровень допустимого риска устанавливается путем его сопоставления с рисками, которые существуют в повседневной деятельности или жизни людей. Уровень допустимого риска зависит от научных данных, социальных, экономических и политических факторов, а также от ощущаемых выгод, получаемых от использования химического соединения или процесса. Уровень приемлемого риска устанавливается раздельно для населения и персонала производств. В качестве приемлемых уровней риска чаще всего используются следующие величины.

1) В ряде стран в качестве приемлемого индивидуального канцерогенного риска используются величины на уровне от 10–4 до 10–6. Целевой уровень риска, который должен быть достигнут в результате проведения мероприятий, как правило, принимается равным 10–6. В соответствии с рекомендациями U.S. EPA и некоторых других зарубежных агентств при уровнях пожизненного канцерогенного риска более 10–3 существует экстренная необходимость проведения мероприятий по его снижению. Для условий

55

производственного воздействия уровни допустимого риска составляют 10–3

– 10–4. Как правило, приемлемый индивидуальный канцерогенный риск для населения составляет для канцерогенов группы А – 0,00001, для остальных канцерогенов – 0,0001. В нормах радиационной безопасности (НРБ-99) предел индивидуального пожизненного риска для техногенного облучения персонала принимается 1,0·10–3, а для населения – 5,0·10–5.

2)Индекс приемлемого неканцерогенного риска и риски по всем пороговым моделям – 1.

3)Индивидуальный неканцерогенный риск немедленных эффектов: неспецифический запах (привкус) – 0,05; навязчивый запах (привкус) – 0,001;

4)Индивидуальный неканцерогенный риск хронических эффектов – риск хронической интоксикации (беспороговый) – 0,02.

Контроль воздействия – компонент управления риском – предусматривающие действия, предпринимаемые для поддержания экспозиции ниже допустимого максимального уровня [3]. Процесс включает установление этого уровня на основе сравнительной оценки риска.

Сравнительный анализ риска – это процесс сравнения и ранжирования различных типов риска для определения приоритетов при его регулировании и распределении финансовых вложений [3]. Это также начальный этап управления рисками, в котором формулируется суждение о выраженности

иприемлемости риска; осуществляется сравнение рассчитанных рисков от воздействия фактора окружающей среды с рисками, вызываемыми другими агентами или социальными факторами, и выгодами, связанными с применением этого фактора среды. На этой основе принимаются решения о «приемлемом риске». Сравнительная характеристика риска рассматривается не только как аналитический процесс, но и как система методов и моделей, включающих постоянное измерение, сопоставление и ранжирование факторов окружающей среды.

Сравнительный анализ рисков является методически слабо разработанным. Существующие подходы позволяют ранжировать отдельно канцерогенные и неканцерогенные риски. Однако единой универсальной модели ранжирования различных типов рисков с точки зрения установления приоритетов управления не существует. Ранжирование на основе количественных оценок не всегда возможно. Канцерогенный и неканцерогенный риски практически трудно соединить, так как часто используются разные единицы измерения этих рисков. Кроме того, имеется много неопределенностей в оценке риска, которые не всегда могут быть учтены.

56

Следует также учитывать, что сама по себе величина риска – это вероятность развития неблагоприятного эффекта у индивидуума или группы людей, в которой не учитывается ни патогенез, ни степень тяжести неблагоприятных эффектов, ни численность экспонируемой популяции. Поэтому только лишь сами величины рисков не могут быть положены в основу сравнительного анализа. Сравнивать риски можно, лишь используя понятие натурального ущерба здоровью. Поэтому необходимо разрабатывать математические модели оценки ущерба здоровью населения, являющиеся основой сравнительного анализа рисков. Нами разработаны приёмы сравнительной оценки рисков на основе анализа компонентов натурального популяционного ущерба.

Кроме этого одним из методов установления приемлемого риска является затратно-прибыльный анализ. Затратно-прибыльный анализ – метод экономического анализа, применяемый на стадии управления риском здоровью для разработки сценария сокращения риска и предполагающий, что сокращение риска для здоровья должно происходить до тех пор, пока дополнительные выгоды от сокращения риска больше, чем дополнительные затраты на их достижение; достигнутый при этом уровень риска и определяется как «приемлемый» [2].

Таким образом, для разработки регламентов опытного и промышленного производства наноматериалов в части разделов «Требования техники безопасности» и «Охрана окружающей среды» необходимо решение следующих задач: 1) установление количественных зависимостей между эмиссиями из различных источников и их воздействиями (рисками) на человека; 2) сравнительный анализ рисков с установлением уровней приемлемого риска; 3) разработка и внедрение приёмов инструментального и аналитического контроля воздействия.

6.3.Анализ жизненного цикла производимых наноматериалов

инаносубстанций, используемых в производстве

Анализ заключается в прослеживании стадий и технологий, определяющих полный жизненный цикл наноматериала (нанотехнологии) от добычи сырья и технологических процессов получения наноматериала до окончательной утилизации использованного продукта и отходов производств с количественной оценкой экологической нагрузки на каждой стадии.

В общем случае промышленная продукция проходит определенные стадии: добыча сырья, создание, эксплуатация продукции, утилизация (захо-

57

ронение) отходов. Развивая представление о полном жизненном цикле и связывая его с производством любого вида продукции, включая исходные материалы и технологии ее получения, можно устанавливать каналы, по которым происходит обмен потоками вещества и энергии в процессе создания, эксплуатации и утилизации (захоронения) продукции, а также оценивать их значимость по силе воздействия на окружающую среду [8]. Описанная модель жизненного цикла продукции от получения первичного сырья и энергии до выпуска продукции с учетом воздействий на окружающую среду представлена на рис. 4.

Рис. 4. Жизненный цикл продукции

Продукционная система как модель жизненного цикла продукции для целей анализа должна быть разделена на совокупность единичных процессов так, чтобы каждый из них включал одну или несколько функций. Единичные процессы, в свою очередь, соединяются друг с другом элементарными потоками, определяющими собой потоки сырья, полуфабрикатов, энергии, отходов для переработки. При разделении продукционной системы на единичные процессы упрощается идентификация входов и выходов продукционной системы. Во многих случаях выходные потоки одного процесса являются входными для другого процесса и не являются частью

58

конечного продукта этого процесса. Границы единичного процесса определяются уровнем детализации модели, необходимым для достижения целей исследования.

В зависимости от объектов анализа экологическая оценка полного жизненного цикла направлена:

–на анализ производства (предприятия);

–анализ производственных процессов и продуктов;

–сравнительный анализ различных продуктов потребления.

Оценка жизненного цикла как метод оценки экологических свойств и качеств продукции и потенциальных воздействий ее на окружающую среду включает в себя следующие этапы:

–определение целей и содержания оценки жизненного цикла;

–инвентаризационный анализ, т.е. формирование перечня входных и выходных материальных и энергетических потоков на стадиях жизненного цикла продукции, проведение необходимых расчетов на основе балансовых методов в рамках данного анализа;

–оценку потенциальных воздействий на окружающую среду, связанных с входными и выходными потоками вещества и энергии на всех стадиях жизненного цикла;

–интерпретацию результатов анализа воздействий для достижения целей оценки жизненного цикла.

Оценка жизненного цикла – это сравнительно новый и весьма перспективный подход в установлении связей и определении воздействий на окружающую среду, связанных с техногенными процессами. Однако методология и научный подход к оценке воздействий на стадиях жизненного цикла пока только разрабатываются. Модели для различных категорий воздействий находятся на различных стадиях готовности. В основном этот процесс включает объединение данных инвентаризационного анализа с удельными потенциальными воздействиями на окружающую среду и пониманием роли таких воздействий. Сейчас нет общепризнанной методологии для обеспечения соответствия и точности соотнесения данных инвентаризационного анализа с потенциальными воздействиями на окружающую среду.

Таким образом, магистральным направлением обеспечения экологической безопасности нанотехнологий и производимых наноматериалов будет переход на систему жёсткого контроля нанопродуктов на различных стадиях жизненного цикла: от различных стадий производства и использования до их полной утилизации (рециркуляции) с сопоставлением выявленных рисков на стадиях жизненного цикла с ранее установленными уровнями приемлемого риска.

59

Так как система гигиенического нормирования относительно наночастиц, наноматериалов, наносубстанций ещё не разработана, то в сущности задачи данного исследования совпадают с задачами анализа рисков для здоровья и одного из его этапов – мониторинга риска. Мониторинг риска – один из компонентов управления риском для здоровья – процесс, заключающийся в принятии решений и действиях в рамках управления риском с целью проверки, достигнута ли цель уменьшения риска (до приемлемого уровня) при снижении воздействия [3].

В конечном счете предполагается, что результаты исследований, проведённых по предлагаемой схеме, сделают возможным научно-обоснованное проведение ОВОС и экологической экспертизы опытных, полупромышленных и промышленных нанотехнологий и производств, которое на данный момент практически невозможно. Решение поставленных вопросов и задач позволит в конечном счете преодолеть экологические ограничения, которые неизбежно возникнут в будущем в результате перехода от лабораторного производства к опытному, а затем к массовому промышленному производству и использованию наноматериалов.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Нанотехнологии – 1) исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; 2) создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; 3) манипулирование веществом на атомной шкале дистанций.

Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нанометров. При уменьшении размеров до нанометрового масштаба материалы способны приобретать уникальные качества: высокую прочность, жесткость, электро- и теплопроводность и т.д. Необычные свойства объясняются высоким отношением поверхности к объему, кооперативными явлениями среди ограниченного числа атомов и молекул, наличием квантовых эффектов в наноразмерной структуре.

Фуллерены – новая форма молекулярного углерода, полученная в 1985 г. в физическом эксперименте – совершенная молекула чистого углерода в форме полого полиэдра, составленного из 5- и 6-угольных граней, встречающихся по три в каждой вершине, где располагаются 60 атомов углерода.

60