ההיסטוריה לימדה אותנו כי מהפכות תעשייתיות קודמות, כמו אלו שכללו אזבסט ופחמן כלורו-פלואורי (CFC, סוג של “גז חממה”), הביאו גם למספר השלכות סביבתיות חמורות. הייתכן כי גם ננוטכנולוגיה מהווה סיכון?
בעוד החוקרים ברחבי העולם נחפזים להשתמש בננוטכנולוגיה בכדי לשפר את תהליכי הייצור בשלל תחומים, החל בפיתוח חומרים חדשים ועד להכנה של תרופות חדשניות, קיים היבט נוסף, לא פחות חשוב, שהוא מידת בטיחות השימוש בה.
ההיסטוריה לימדה אותנו כי מהפכות תעשייתיות קודמות, כמו אלו שכללו אזבסט ופחמן כלורו-פלואורי (CFC, סוג של “גז חממה”), הביאו גם למספר השלכות סביבתיות חמורות. הייתכן כי גם ננוטכנולוגיה מהווה סיכון?
חוקרים מהמחלקה להנדסה סביבתית ואזרחית במכון המחקר וירג'יניה טק בארה”ב הם חלק מהמרכז להשלכות סביבתיות של ננוטכנולוגיה שמומן ע”י הקרן הלאומית למדע (NSF) בשנת 2008 במיזם סביבתי בעלות כוללת של 14 מיליון דולרים למשך חמש שנים.
המיזם (CEINT) מוקדש להבנת הקשר שבין מגוון ננו-חומרים – טבעיים ומלאכותיים – לבין החשיפה הסביבתית האפשרית שלהם, ההשלכות הביולוגיות שלהם והשפעותיהם האקולוגיות. המיזם מתמקד בגורלם ובפיזורם של החומרים במערכות אקולוגיות.
המיזם המשותף כולל מדענים ממספר אוניברסיטאות בארה”ב (Duke University, Carnegie Mellon University, Howard University, Virginia Tech, University of Kentucky ו- Stanford University) וממספר מכוני מחקר אחרים. מדענים ומהנדסים במרכז הפיקו תוכניות לניהול מחקר בדבר ההשלכות הבריאותיות האפשריות של ננו-חומרים על הסביבה. התוכניות כוללות גישות חדשות, כדוגמת יצירת מודל לחיזוי הרעילות המבוסס על בדיקת תאים ובניית אקו-מערכות למעקב אחר ננו-חלקיקים.
אפיון של חלקיקים הנישאים באוויר
באחת הגישות החדשות שלהם, החוקרים מגדלים תאי ריאה אנושיים ומניחים אותם חשופים לאוויר בתוך כלים מתאימים. הכלי מאפשר מגע ישיר בין התאים שבתוכו לבין חלקיקי רסיסים בממשק אוויר-נוזל. החוקרים חשפו תאים כאלו לחלקיקים היוצאים מצינור הפליטה של רכבים ומלהבות שריפת גז מתאן. הם השוו את התוצאות לערכים שהתקבלו בחשיפה in vitro (בתוך מבחנה) רגילה, כאשר החלקיקים מפוזרים בתוך תווך נוזלי של תרבית תאים. “הממצאים שלנו מראים כי שיטת החשיפה החדשה שלנו הינה גישה מתאימה ואמינה יותר מאשר השיטה שבה משתמשים בתרחיפי חלקיקים,” מסבירים החוקרים. בשלב הבא, החוקרים חזרו על ניסיונותיהם עם ננו-חלקיקים מהונדסים. כעת הם הגבירו את הספיגה של חלקיקים קטנים יותר באמצעות הפעלת שדה חשמלי שגורם לחלקיקים טעונים להיספח על פני שטח התאים. “באמצעות מערכת זו, תאי ריאה יוכלו להיות חשופים למספר משמעותי של ננו-חלקיקים מהונדסים הנישאים כרסס, כגון תחמוצות כסף ומתכות אחרות כחלקיקים נפרדים במקום כצברים,” מסבירים החוקרים. אחד האתגרים בבחינת רעילותם של ננו-חלקיקים היה העובדה כי חלקיקים זעירים נוטים להתקבץ לצברים, כך שבדיקת יחסי-הגומלין שבין חלקיקים קטנים ביותר לבין התאים חייבה פיתוח גישות ייחודיות.
החוקרים בחרו בחומר פולרן-C60 כמודל לננו-חומרים פחמניים בזכות פשטותו, בשל החשד כי הוא רעיל ולאור הספרות המדעית הענפה הקיימת לגביו. חומר זה, ותולדותיו, שהתגלה בשנת 1985 והעניק למגליו את פרס הנובל בכימיה, רווח מאוד בתעשיית הננוטכנולוגיה.
“סביר להניח כי ננו-חומרים פחמניים הנישאים באוויר יימצאו במתקני ייצור ובאוויר המקיף אותם ויש חשש כי הם רעילים בנשימה,” מציינים החוקרים. החוקרים משערים גם כי כאשר ננו-החלקיקים יוצאים לאוויר הפתוח הם כנראה עוברים שינוי כימי בעקבות תגובתם עם מחמצנים הקיימים באטמוספרה.
בניסויים מוקדמים שלהם, החוקרים מצאו כי “חמצון אכן משפיע על המסיסות לאור העובדה כי הבליעה הספקטרוסקופית של חלקיקים שהוכנסו מחדש למים נמוכה יותר עבור חלקיקי פולרן שנחשפו לאוזון (מחמצן חזק).” ההשלכות של ממצאים אלו חשובות מאוד מאחר ותגובות המתרחשות באטמוספרה עלולות לשנות את תכונותיהם של ננו-החלקיקים ולגרום להגברת מסיסותם במים מרגע שהם שבים חזרה לקרקע. בשלב הבא, הם עלולים לנוע מרחקים ארוכים יותר ולבוא במגע עם אורגניזמים נוספים, בניגוד למצב בו הם אחוזים בקרקע.
בכדי לאסוף ננו-חלקיקים הנישאים באוויר, החוקרים בנו מְשַקֵעַ אלקטרוסטאטי זול (thermophoretic precipitator, מערכת טיפול והרחקת חלקיקים מזרם גז בעזרת הפעלת שדה חשמלי) המשתמש במי-קרח כמקור הקירור שלו ונגד בהספק של עשרה וואטים כמקור החימום שלו. הם בדקו באמצעות המתקן תרחיפים (רסיסי חלקיקים) מלאכותיים והשתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני חודר ((TEM לשם בחינת החלקיקים.
“בחינה ראשונית מאשרת כי מתקן זה היה יעיל באיסוף ננו-חלקיקים בעלי מגוון רחב של גדלים ויהיה יעיל גם עבור מחקרים עתידיים של ננו-חלקיקים נישאים באוויר,” מציינים החוקרים. החוקרים השתמשו בשיטתם זו בכדי לאפיין את ריכוזי החלקיקים הנישאים באוויר במהלך ייצורם של ננו-חומרים פחמניים כגון פולרנים וננו-שפופרות פחמן במפעל ננו-טכנולוגי מסחרי. על-סמך תוצאותיהם החוקרים סיכמו וציינו כי “נראה שהבקרה ההנדסית במפעל מצליחה להיות יעילה בהגבלת ההיחשפות לננו-חומרים,” ופרסמו את ממצאיהם אלו בכתב-העת המדעי Environmental Science and Technology.
ההשפעה של חומצות קרבוקסיליות על יצירת צברים של C60
“הייצור והשימוש הגוברים והולכים של פולרנים, בזכות תכונותיהם הייחודיים, יובילו באופן בלתי-נמנע לשחרורם לאוויר הפתוח,” מסבירים החוקרים. כבר כיום תעשיות החיישנים, הקוסמטיקה, הביו-רפואה והאופטו-אלקטרוניקה משתמשות בחומרים אלו. “כיום יש מידע מועט ביותר לגביי יחסי-הגומלין של פולרנים עם מקורות מים טבעיים, ולכן קשה לחזות את התנהגותם של חומרים אלו בעת שחרורם לסביבה הטבעית שלנו. הפולרנים, כשלעצמם, הם בלתי-מסיסים לחלוטין במים.”
אולם, אחד ממרכיבי המים הטבעיים הינו חומר אורגני טבעי (natural organic matter, NOM). כאשר פולרן C60 משתחרר למים, הוא יוצר “צברים קולואידיים יציבים ביותר”, מסבירים החוקרים. צברים אלו יכולים להפגין הבדלים ניכרים במבנה, בגודל, במורפולוגיה ובמטען החשמלי שלהם, והם עשויים להתנהג באופן שונה לחלוטין מאשר C60 יחיד. הבעיה עם NOM הינה האקראיות שלו, וכתוצאה מכך המאפיינים השונים של הצברים הנוצרים כאשר הם מתערבבים עם C60. בעקבות כך, החוקרים עוקבים אחר חומצות קרבוקסיליות נמוכות-משקל כגון חומצה אצטית, טטארית וציטרית, שכולן רכיבים מדידים הנפוצים במקורות מים טבעיים ובנוזלים ביולוגיים. החוקרים בחנו את ההיווצרות של צברי C60 בתמיסות חומצה אצטית (חומץ) שעברו ערבול נמרץ ומצאו כי הכימיה המתקבלת שונה משמעותית מתערובת של C60 נפרד במים.
“החומצה הציטרית משפיעה על ההיווצרות של צברי C60 בשתי דרכים,” מסבירים החוקרים. היא משנה את ה- pH (מדד מפתח בבקרת מטען פני השטח של הצברים) ומגיבה ישירות עם פני-השטח של C60. כאשר הצברים נוצרים בנוכחות חומצות קרבוקסיליות התכונות שלהם שונות מאלו בהעדרן. באופן כללי, מסבירים החוקרים, לצברים אלו יש מטען פני-שטח שלילי גבוה יותר והם אחידים יותר מאשר אלו המתקבלים במים בלבד.
“ממצאים אלו מרמזים כי גורלם הסופי של פולרנים בסביבות מימיות יושפע באופן משמעותי מכמותן וטיבן של החומצות הקרבוקסיליות המצויות במערכות טבעיות ומערך ה- pH המתקבל,” מסבירים החוקרים. יתרה מכך, מאחר וחומצות קרבוקסיליות נפוצות במערכות ביולוגיות נוזליות, החוקרים מתעניינים בהשפעתם של הממצאים הללו על המנגנונים בהם הפולרנים מגיבים עם תאים חיים.
