Даже большое количество произведенных наночастиц, также известных как Buckyballs, не беспокоит микроскопические организмы, которым поручено очищать окружающую среду, согласно исследователям Университета Пердью.
В первом опубликованном исследовании по изучению токсичности Buckyball для микробов, которые расщепляют органические вещества в сточных водах, ученые использовали количество наночастиц на микробах, которое эквивалентно высыпанию на человека 10 фунтов талька. По словам исследователей Purdue, поскольку большое количество даже обычно безопасных соединений, таких как тальк, может быть токсичным, устойчивость микробов к высоким уровням Buckyball была важным открытием.
Эксперимент с Buckyballs, представляющими собой молекулы углерода C60, также привел ученых к разработке более совершенного метода определения воздействия наночастиц на микробное сообщество.
«При внедрении наноматериалов важно смотреть на все микробное сообщество, потому что все микробы взаимозависимы для выживания и роста», - сказала Лейла Найберг, докторант Школы гражданского строительства и ведущий автор исследования. «Если мы увидим незначительные изменения в этих микроорганизмах, это может негативно повлиять на экосистемы».
Микробы, использованные в исследовании, живут без доступа кислорода, а также существуют в подземной почве и желудках жвачных животных, таких как коровы и козы, где они способствуют пищеварению.
«Мы не обнаружили влияния любого количества C60 на структуру или функцию микробного сообщества в течение короткого времени», - сказал Найберг. «На основании того, что мы знаем о свойствах C60, это реалистичная модель того, что произойдет, если высокие концентрации наночастиц попадут в окружающую среду.
Третья известная в природе молекула чистого углерода, Buckyballs представляет собой наноразмерные многосторонние структуры, которые выглядят как футбольные мячи.
Ниберг и ее коллеги Рон Турко и Ларри Найс, профессора агрономии и гражданского строительства, соответственно, сообщают о своих выводах в текущем выпуске журнала «Environmental Science and Technology».
«Это фундаментальное исследование для оценки поведения этих важных промышленных наночастиц в окружающей среде», - сказал Турко. «Наши результаты помогают заложить основу для более широкой программы исследований, которая включает своевременную оценку риска многих типов наноматериалов в различных средах».
Ниберг проанализировал микробы в каждом из трех доменов генетического древа - бактерии, археи и эукариоты - включая микроорганизмы, которые играют роль в разрушении органического вещества. Ранее исследователи, занимающиеся оценкой экологических рисков, не исследовали организмы из трех доменов в одном исследовании.
Поскольку различные микробы функционируют на разных стадиях разложения органического вещества, изучение представителей каждого домена необходимо для оценки того, влияет ли C60 на микроорганизмы и их функции, сказал Нис.
Ученые добавляли Buckyball различной концентрации в осадок сточных вод, чтобы определить, воздействуют ли наночастицы на микробы. Наибольшее количество использованных молекул углерода было эквивалентно тому, что человек среднего роста был покрыт примерно 10 фунтами талька. Хотя большая доза даже нетоксичных веществ могла вызвать у кого-то заболевание, высокая концентрация 50 000 мг C60 на 1 кг шлама не подействовала на микробы.
«Наноматериалы обязательно будут выброшены в окружающую среду с увеличением производства продуктов, содержащих их, таких как увлажняющие средства, солнцезащитные кремы и другие предметы личной гигиены», - сказал Найберг. «Один из способов их попадания в окружающую среду - через очистные сооружения."
Высказывались опасения, что попадание наночастиц в воду или почву может нанести вред людям, животным и окружающей среде. С другой стороны, Buckyballs имеют очень низкую растворимость в воде. Растворимость в воде обычно напрямую связана со степенью и скоростью, с которой клетки могут поглощать вещество, называемое биодоступностью, которая является важным фактором токсичности химического вещества.
«Мы добавили очень высокие концентрации наноматериалов в эти микрокосмы, но до сих пор не увидели никакого эффекта», - сказал Найберг. «Вероятно, во многом это связано с отсутствием биодоступности».
Команда Purdue использовала два метода, чтобы определить, меняют ли Buckyballs то, как микроорганизмы выполняют свою работу. Одним из них был широко используемый метод молекулярной биологии, который позволяет ученым анализировать генетику организма. Другой заключался в измерении выхода углекислого газа и метана, двух газов, выделяемых микробами при разложении органического вещества.
Не существует инструментов для измерения наночастиц в окружающей среде, поэтому методы, разработанные Найбергом для оценки их воздействия, будут иметь важное значение для дальнейших исследований, сказал Нис. У ученых все еще есть вопросы о Buckyballs, которые потребуют более долгосрочных исследований, чем трехмесячная продолжительность этого. Будущие исследования Buckyballs также будут включать многократное воздействие C60 на микробы.
Однако ученые ожидают, что их следующее исследование будет сосредоточено на нанотрубках, трубчатом углеродном наноматериале, который, по мнению экспертов, в 100-1000 раз прочнее стали, сказал Найберг. Из-за их формы и прочности исследователи быстро находят им множество применений, таких как крошечные провода и электронные устройства.
«Исследования воздействия нанотрубок крайне необходимы, потому что разработка и применение нанотрубок продвигаются гораздо быстрее, чем в случае с Buckyballs», - сказала она. «Ученые-экологи не поспевают за этим».
Исследовательские методы оценки Buckyball будут иметь неоценимое значение для будущих исследований наноматериалов, сказал Нис.
«Если нанотрубки попадут в окружающую среду, у нас должен быть способ узнать, сколько их там, потому что у нас нет способов их извлечения и измерения», - сказал он. «Методы Лейлы сыграют большую роль в изучении того, как нанотрубки взаимодействуют с микробным сообществом».
Полное название Buckyballs - Buckminsterfullerene. Эти наночастицы, также обычно называемые фуллеренами, названы в честь американского архитектора Р. Бакминстера Фуллера, спроектировавшего геодезический купол, который когда-то был популярен в современной архитектуре.
Другие встречающиеся в природе молекулы чистого углерода - это графит и алмазы. Производство Buckyballs, начавшееся в 1985 году, привело к Нобелевской премии по химии.
Национальный научный фонд профинансировал экологическую оценку ученых Purdue.