Dai vestiti e il trucco che indossiamo ai dispositivi elettronici che usiamo ogni giorno, la nanotecnologia sta diventando onnipresente. Ma mentre l'industria ha dominato la produzione di tali materiali, si sa poco del loro destino una volta che la loro vita di servizio giunge al termine. Il progetto NANO-ECOTOXICITY ha esaminato il loro impatto sugli organismi del suolo.

Crescita economica, l'aumento della popolazione e la scarsità di risorse sono i tre elementi principali di quella che è probabilmente una delle equazioni più difficili da comprendere per l'umanità. Molti scienziati concordano sul fatto che parte della soluzione risieda nella nanotecnologia:più piccoli, Più veloce, accendino, dispositivi più intelligenti ed economici che utilizzano anche meno materie prime e consumano meno energia.

Però, c'è ancora molta strada da fare prima che la nanotecnologia possa essere considerata il Santo Graal dello sviluppo scientifico. Il suo impatto sulla salute e sull'ambiente è ancora relativamente sconosciuto ed è attualmente oggetto di accesi dibattiti tra scienziati, industria, politici e organizzazioni ambientaliste.

NANO-ECOTOXICITY è uno dei numerosi progetti dell'UE che cercano di mettere le cose a posto. Esaminando le nanoparticelle metalliche (NP), si basa sulle osservazioni che queste particelle finiranno sempre più nei suoli e che mancano dati affidabili sul loro assorbimento da parte, e potenziali effetti su, organismi del suolo. Il team coordinato dal dottor Claus Svendsen ha eseguito test di tossicità per valutare l'effetto delle NP di ossido di zinco (ZnO) e argento (Ag) sui lombrichi (Eisenia andrei e Lumbricus rubellus), con l'obiettivo di far luce sulle principali vie di assorbimento delle NP metalliche in questi organismi.

Dott.ssa Maria Diez-Ortiz, capo ricerca del progetto NANO-ECOTOXICITY, ci parla dei risultati della sua ricerca e di come si aspetta che aiutino ad aumentare la conoscenza e a modellare strumenti che consentano metodologie standard di valutazione del rischio e del rischio ambientale.

Qual è lo sfondo del progetto NANO-ECOTOXICITY?

La nanotecnologia si basa sull'idea che, ingegnerizzando la dimensione e la forma dei materiali alla scala degli atomi, cioè nanometri (nm), ottica distinta, elettronico, oppure le proprietà magnetiche possono essere sintonizzate per produrre nuove proprietà di valore commerciale. Però, c'è un'ovvia preoccupazione che tali nuove proprietà possano anche portare a nuovi comportamenti quando interagiscono con organismi biologici, e quindi a potenziali nuovi effetti tossici.

Poiché le nanoparticelle (NP) sono di dimensioni simili ai virus, il loro assorbimento e trasporto attraverso i tessuti si basano su meccanismi distinti da quelli di assorbimento e trasporto molecolare. Perciò, si teme che i test tossicologici standard possano non essere applicabili o affidabili in relazione alle NP, compromettendo così le attuali procedure di valutazione del rischio.

La maggior parte della ricerca sulla nanosicurezza nell'ambiente si è finora concentrata sull'ambiente acquatico. La ricerca attuale sul destino ambientale, però, indica che i suoli diventeranno il più grande pozzo ambientale per le nanoparticelle. Dopo il loro ingresso nei flussi di rifiuti liquidi, le nanoparticelle passeranno attraverso il trattamento delle acque reflue. processi, finendo in fanghi di scarto che possono accumularsi nei terreni agricoli dove spesso questi fanghi vengono applicati.

Quali sono gli obiettivi principali del progetto?

Questo progetto si occupa della tossicocinetica - cioè, la velocità con cui una sostanza chimica entra in un corpo e lo colpisce - delle nanoparticelle metalliche che entrano in contatto con gli organismi del suolo. L'obiettivo è determinare il destino e gli effetti delle NP negli ecosistemi terrestri mediante studi di casi con ossido di zinco e NP d'argento, che rappresentano diverse cinetiche di destino.

Gli obiettivi principali del progetto sono valutare la tossicità delle nanoparticelle metalliche nei suoli a breve e lungo termine; la principale via di esposizione dei lombrichi e se differisce da quella dei metalli ionici; e, finalmente, l'influenza dei mezzi di esposizione sulla tossicità delle nanoparticelle metalliche.

Cosa c'è di nuovo o innovativo nel progetto e nel modo in cui affronta questi problemi?

Abbiamo condotto uno studio a lungo termine in cui i terreni con AgNP sono stati conservati e lasciati invecchiare fino a un anno; la loro tossicità è stata testata all'inizio e dopo tre, sette e dodici mesi di invecchiamento. I risultati hanno mostrato che la tossicità dell'argento è aumentata nel tempo, il che significa che i test di tossicità standard a breve termine possono sottovalutare il rischio ambientale delle nanoparticelle d'argento.

In parallelo, abbiamo scoperto che gli organismi esposti alle nanoparticelle d'argento in studi a breve termine hanno accumulato concentrazioni di argento più elevate rispetto agli organismi che sono stati esposti alla stessa concentrazione di massa di argento ionico. Però, questi organismi esposti a NP in realtà hanno subito effetti tossici inferiori. Questa osservazione contraddice l'assunto prevalente in tossicologia che la concentrazione interiorizzata sia direttamente correlata alla concentrazione chimica nel sito bersaglio e quindi alla sua tossicità. Questa osservazione crea un nuovo paradigma per la nano-ecotossicologia.

Ciò che non è ancora noto è se il metallo NP accumulato possa a lungo termine diventare tossico (ad esempio attraverso la dissoluzione e il rilascio di ioni) nelle cellule e nei tessuti in cui possono essere immagazzinati gli AgNP. Se ciò dovesse verificarsi, le alte concentrazioni accumulate possono in definitiva provocare una maggiore tossicità a lungo termine per le NP rispetto alle forme ioniche. Ciò potrebbe rivelare questi NP accumulati come "bombe a orologeria" interiorizzate rilevanti per gli effetti e la tossicità a lungo termine.

Però, va tenuto presente che le concentrazioni ambientali ridotte derivanti dall'uso attuale delle nanoparticelle (ad esempio i risultati di progetti UE come NANOFATE2) sono molte volte inferiori a quelle utilizzate in questi studi, il che significa che è improbabile che tali accumuli di argento correlato alle nanoparticelle si verifichino nell'ambiente o, in definitiva, negli umani.

Quali difficoltà hai incontrato e come le hai risolte?

I principali problemi riscontrati riguardano il tracciamento delle nanoparticelle all'interno dei tessuti e del suolo, poiché entrambe sono matrici complesse. L'analisi delle particelle è di per sé una sfida, anche in acqua, ma ottenere informazioni sul loro stato in queste matrici richiede spesso concentrazioni di esposizione non realistiche (a causa dei bassi limiti di rivelabilità delle tecniche altamente specializzate utilizzate per l'analisi) o l'estrazione delle particelle dalle matrici, che potrebbe potenzialmente modificare lo stato delle particelle.

In questo progetto, Mi sono recato all'Università del Kentucky per lavorare con Jason Unrine e ho utilizzato delicate estrazioni a base acquosa di campioni di terreno immediatamente prima di analizzarli utilizzando il "frazionamento a flusso di campo" e la "spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivamente" per identificare lo stato delle nanoparticelle nei miei terreni invecchiati .

Per vedere quale forma (speciazione) di argento e zinco dall'esposizione alle nanoparticelle potrebbe essere trovata all'interno dei vermi, ho collaborato con i ricercatori NANOFATE dell'Università di Cardiff che hanno fissato e sezionato sottilmente i tessuti dei vermi. Ho avuto la fortuna di avere il tempo di utilizzare strutture specializzate come il sincrotrone Diamond Light Source del Regno Unito per indagare dove e in quale forma si potevano trovare i metalli e le potenziali nanoparticelle in questi tessuti.

La sfida principale è che non appena togli le nanoparticelle dalla bottiglia del produttore, iniziano a cambiare, in particolare se inserito in ambienti come suoli e acque naturali, o anche organismi. Pertanto è necessaria molta caratterizzazione durante l'esposizione per stabilire lo stato delle nanoparticelle a cui gli organismi sono stati esposti e quanto velocemente stanno cambiando da particelle incontaminate a ioni disciolti, o particelle con superfici completamente diverse.

Durante questo breve progetto sono state trovate soluzioni tecniche per la caratterizzazione, ma questa rimarrà una sfida logistica per molti anni a venire poiché le apparecchiature di analisi sono ancora molto specializzate e costose e quindi non generalmente disponibili.

Quali sono i risultati concreti della ricerca finora?

Il progetto ci ha aiutato a trarre varie conclusioni sull'impatto delle NP sull'ambiente e su come valutarle. Primo, ora sappiamo che l'acidità del suolo, o pH, influenza la dissoluzione e la tossicità delle nanoparticelle di ZnO.

Quindi, abbiamo scoperto che la tossicità delle nanoparticelle d'argento aumenta nel tempo e che il rivestimento delle particelle influisce sulla loro tossicità per gli invertebrati del suolo.

Come precedentemente menzionato, i lombrichi esposti a nanoparticelle d'argento per 28 giorni hanno accumulato concentrazioni di argento più elevate rispetto ai lombrichi esposti a ioni d'argento, senza che l'argento in eccesso delle nanoparticelle abbia un effetto tossico. Inoltre, l'ingestione del suolo è stata identificata come la principale via di esposizione ad AgNP e ZnONP nei lombrichi.

In che modo l'industria ei responsabili delle decisioni possono garantire che i nanomateriali non abbiano un impatto sul nostro ambiente?

Ci auguriamo che questo progetto, e il più ampio progetto UE NANOFATE a cui è collegato, fornirà conoscenze e strumenti che consentono l'applicazione di metodologie standard di valutazione del rischio e del rischio ambientale alle nanoparticelle ingegnerizzate (ENP) con solo poche modifiche giudiziose. Gli attuali sistemi e protocolli per la valutazione del rischio chimico sono stati sviluppati nel corso di decenni, e dove non esistono nuovi meccanismi tossici, i nostri risultati tendono a dire che il nano si adatta fintanto che misuriamo le cose giuste e caratterizziamo correttamente le esposizioni realistiche.

La nostra ricerca mira a determinare le modifiche metodologiche minime necessarie. Finora tutto indica che i potenziali benefici della nanotecnologia possono essere realizzati e gestiti in modo sicuro insieme ad altre sostanze chimiche. Mentre siamo abbastanza fiduciosi in questa fase che gli ENP non impongono effetti acuti maggiori su importanti parametri biologici - come la riproduzione - rispetto alle loro forme ioniche, i risultati di NANO-ECOTOSSICITÀ dimostrano che abbiamo ancora molta strada da fare prima di poter affermare forte e chiaro che non crediamo che ci sia alcun nuovo effetto a basso livello oa lungo termine.

Come per tutti i prodotti chimici, dimostrare un tale negativo è impossibile utilizzando test a breve termine. Riteniamo che le conclusioni finali dell'industria e delle autorità di regolamentazione sull'uso sicuro delle nanoparticelle dovrebbero e dovranno essere formulate secondo un approccio basato sul "peso dell'evidenza", dimostrando che esiste un divario tra i livelli di esposizione probabile previsti e quei livelli che si ritiene possano causare effetti o accumuli all'interno delle specie ecosistemiche.

Quali sono i prossimi temi della tua ricerca?

Questo progetto è terminato, ma il passo successivo per qualsiasi altra opportunità di finanziamento sarebbe quello di affrontare scenari di esposizione sempre più rilevanti dal punto di vista ambientale analizzando come le nanoparticelle si modificano nell'ambiente e interagiscono con i tessuti e gli organismi viventi a diversi livelli trofici. Vorrei studiare la trasformazione e le interazioni delle nanoparticelle nei tessuti viventi. Ad oggi, gli studi che hanno identificato questo accumulo "in eccesso" di carichi metallici non tossici negli organismi esposti alle nanoparticelle sono stati solo a breve termine.

A parte l'ovviamente aumentato potenziale di trasferimento della catena alimentare, non si sa nemmeno se, a lungo termine, il metallo accumulato derivato da NP alla fine diventa tossico quando è presente nei tessuti e nelle cellule. Tale trasformazione e rilascio di ioni metallici all'interno dei tessuti può in definitiva comportare una maggiore tossicità a lungo termine per le NP rispetto alle forme ioniche.

Per di più, Voglio testare le esposizioni in un ecosistema modello funzionante, comprese le interazioni interspecifiche e il trasferimento trofico. Poiché le interazioni tra biota e nanoparticelle sono rilevanti nei sistemi naturali del suolo, è necessaria cautela quando si tenta di prevedere le conseguenze ecologiche delle nanoparticelle sulla base di saggi di laboratorio condotti con una sola specie. In presenza del pieno complemento dei componenti biologici dei sistemi suolo, NP complesse possono seguire una serie di percorsi in cui i rivestimenti possono essere rimossi e sostituiti con materiali essudato. Sono quindi necessari studi per quantificare la natura di queste interazioni per identificare il destino, biodisponibilità e tossicità di forme realistiche 'non incontaminate' di NP presenti in ambienti pedologici reali.

Il progetto è stato coordinato dal Natural Environment Research Council nel Regno Unito.