Nanocząstki są dziś powszechnie wykorzystywane w energetyce, transporcie, medycynie lub przemyśle chemicznym. Mogą występować w kosmetykach, środkach czystości, filtrach przeciwsłonecznych, a nawet w naszych ubraniach. Z jednej strony naukowcy intensywnie badają ich właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne, co daje wiele nowych możliwości aplikacyjnych. Z drugiej – ich oddziaływanie na organizmy wciąż nie zostało wystarczająco poznane, abyśmy mogli bez obaw korzystać z dostępnych na rynku rozwiązań.

Prof. dr hab. Maria Augustyniak

Nanocząstki są częścią środowiska naturalnego. Pojawiają się też w wyniku działalności człowieka, wówczas określane są jako projektowane. Wiemy, że wszystko, co nas otacza, może w pewien sposób oddziaływać z naszymi komórkami, wpływając na funkcje tkanek, narządów, organizmu. Czy struktury o rozmiarach nano mogą być szkodliwe dla organizmów? Aby odpowiedzieć na tak postawione pytanie, musimy najpierw dowiedzieć się, na czym polega to oddziaływanie. Dopiero wtedy możemy starać się wyznaczać poziom stężenia interesującej nas substancji bezpieczny dla poszczególnych gatunków.

– W teorii wszystko wydaje się proste. Wyzwaniem może się jednak okazać określenie dopuszczalnego stężenia poszczególnych nanocząstek w związku z tym, że wciąż jeszcze zbyt mało wiemy o mechanizmach ich oddziaływania na organizmy ludzi, zwierząt lub roślin – tłumaczy prof. dr hab. Maria Augustyniak, ekotoksykolog z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, która zajmuje się badaniem wpływu nanocząstek na organizmy bezkręgowców. Jak dodaje, mechanizmy oddziaływania muszą być analizowane na różnych poziomach, począwszy od komórkowego, aż po populacyjny.

Ciekawym przykładem może być przydomowy ul. Zdarza się, że do pasieki wprowadzana zostaje nowa substancja. Po pewnym czasie pszczelarz może zauważyć, że pszczoły zachowują się inaczej. Są osowiałe, nie rosną, mogą mieć problemy z poruszaniem się. Już na poziomie pojedynczego osobnika można obserwować niepokojące objawy. Docelowo niepożądana zmiana może doprowadzić do zmniejszenia sukcesu rozrodczego roju, a przy dłuższej ekspozycji i większym stężeniu substancji szkodliwych dla pszczół – nawet do wyginięcia całej populacji danego gatunku.

– Dla nas takim nowym czynnikiem, który może być niebezpieczny, są nanocząstki. Badamy w zespole ich oddziaływanie na organizmy, głównie na przykładzie bezkręgowców, na poziomach: molekularno-komórkowym, tkankowym, narządowym, organizmu pojedynczego osobnika i wreszcie całej populacji. Kluczowe znaczenie, oprócz stężenia, ma oczywiście czas ekspozycji – mówi ekotoksykolog. – Zdarza się, że już po kilkunastu sekundach od wprowadzenia danej substancji do organizmu obserwujemy zmiany na poziomie komórkowym. To jest jednak normalna reakcja. Komórka broni się przed tym, co rozpoznaje jako obce. Struktura żywa cały czas dostosowuje się do tego, co dzieje się wokół niej – dodaje.

Naukowcy przewidują zależności pomiędzy czasem ekspozycji, poziomem organizacji materii, stężeniem nanocząstek a długością życia generacji danego organizmu. Bakterie będą oczywiście reagować inaczej niż organizm człowieka.

W przypadku owadów po kilku godzinach oddziaływania nanocząstek zauważalne są zmiany na poziomie syntezy białek. Po kilku dniach widać efekty na poziomie komórkowym, a nawet na poziomie całego organizmu. Uszkodzone komórki zostają naturalnie usunięte przez organizm, w tym miejscu muszą więc powstać nowe. To spory wysiłek energetyczny dla owada. Stąd cały proces może przekładać się na osłabienie pojedynczego osobnika, który w pewnym sensie traci ochotę na wszelką aktywność.

– Badania pokazują, że owady wystawione na długotrwałe działanie czynników stresowych w postaci nanocząstek gorzej się rozwijają. Dostrzegamy także problemy z reprodukcją. Dlatego tak ważny jest czas ekspozycji i stężenie badanej substancji. W pewnych wyjątkowo niekorzystnych warunkach może dojść do wyginięcia całej populacji, a nawet gatunku – komentuje prof. Maria Augustyniak.

Świerszcz domowy

Nadal jednak nie wiadomo, w jaki sposób określić stężenia dopuszczalne dla danej substancji i dla danego gatunku. – Jak już wspominałam, każdy organizm na co dzień doświadcza wpływu różnych czynników stresowych. Cały czas reaguje na zmiany w środowisku. Powiem więcej, życie bezstresowe byłoby bez sensu. Zanudzilibyśmy się na śmierć. Naturalną naszą umiejętnością jest ciągła adaptacja do środowiska, w którym żyjemy – dodaje naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Kluczowa wydaje się więc różnica w oddziaływaniu poszczególnych czynników, co ma ogromne znaczenie także w kontekście popularności nanotechnologii czy nanomateriałów.

Po pierwsze, wciąż słabo zbadane są wszystkie mechanizmy rządzące tym oddziaływaniem. W pewnych warunkach pewne nanocząstki mogą przenikać do naszych komórek. Wiadomo też, że niektóre z nich charakteryzują się na przykład ostrymi krawędziami, które mogą uszkadzać te komórki. Organizm potrafi się przed tym bronić, uszkodzone jednostki (białka) są bowiem natychmiast wymieniane. Co się jednak stanie, jeśli proces ten będzie się powtarzał albo uszkodzenia staną się coraz bardziej rozległe? Co więcej, badania pokazały, że mechanizmy oddziaływania mogą być bardziej skomplikowane niż obserwowane mechaniczne uszkodzenia.

Po drugie, nanocząstki już teraz występują w wielu produktach, z których korzystamy na co dzień. W jaki sposób można kontrolować ich stężenie w naszym otoczeniu, skoro mogą być w powłokach różnych urządzeń, w kosmetykach, w środkach czystości...

– W naszym laboratorium analizujemy obecnie przede wszystkim oddziaływania nanocząstek węgla, w tym tlenku grafenu, na organizmy. Zainteresował mnie ten temat. Grafen zachwycił naukowców i producentów. Wciąż brakuje jednak dostatecznej wiedzy na temat potencjalnej toksyczności nanocząstek. Bardzo dobrze, że otrzymujemy opisy właściwości i możliwości ich zastosowania, ale nie dostajemy jednocześnie informacji o zanalizowanych mechanizmach oddziaływania na środowisko – komentuje biolog.

Jeszcze kilka, kilkanaście lat temu ten obszar badań był jak biała kartka. Na szczęście coraz więcej naukowców zastanawia się nad konsekwencjami tak dynamicznego rozwoju nanotechnologii. Powstała nawet odrębna dziedzina – nanoetyka. Prof. Maria Augustyniak podkreśla, że zakres zainteresowań nanoetyki jest szeroki, dotyczy bowiem nie tylko etycznych aspektów analizy mechanizmów oddziaływań nowych materiałów, lecz bierze pod uwagę szerszy aspekt wpływu nanotechnologii na rozwój państw przez pryzmat dostępności pewnych rozwiązań, porusza temat ekonomicznych konsekwencji tych odkryć, konieczności uświadamiania konsumentów i nakładania pewnych ograniczeń na producentów, którzy je stosują itd.

– Sądzę, że u źródła obaw jakie towarzyszą rozwojowi nanotechnologii, leży niewiedza. Moim zdaniem nadal zbyt mało wiemy, abyśmy mogli beztrosko aplikować wyniki badań nad nanocząstkami – podkreśla naukowiec. – Jeśli mają ratować ludzkie życie, jeśli znajdują zastosowanie w medycynie, w leczeniu ciężkich chorób, nie mam wątpliwości, że w tych dziedzinach należy je wykorzystywać. Ale użyte w środku do czyszczenia podłóg? Albo w myjniach samochodowych w postaci modnych nanopianek czyszczących? Przecież to wszystko trafia potem do środowiska... A my nie jesteśmy w stanie zbadać ich stężenia chociażby w zasobach wodnych, z których na co dzień korzystamy – ostrzega badaczka.

Nanotechnologie kojarzą się z nowoczesnością i skutecznością potwierdzoną badaniami naukowymi. Wciąż jeszcze producenci podnoszą rynkową wartość swoich produktów, wzbogacając je, nie zawsze zresztą koniecznie, nanocząstkami. Wiele wskazuje na to, że nie da się powstrzymać rosnącej popularności tych wynalazków. Otaczając się nimi, powinniśmy być jednak świadomi tych obszarów wiedzy o nanocząstkach, które nie zostały jeszcze dobrze przebadane. Z czasem może się okazać, że ich stężenia będą bardziej kontrolowane, a proces aplikacji wydłuży się o dodatkowe procedury, które zostaną opracowane w związku z rozwojem nanoetyki.

Dotychczasowe analizy przeprowadzone przez zespół prof. Marii Augustyniak pozwalają wskazać poziom toksycznego stężenia tlenku grafenu w organizmie owada.

– Opisaliśmy pewne mechanizmy oddziaływania na kilku poziomach struktury organizmu. Same mechanizmy są jednak uniwersalne, dotyczą więc także nas, ludzi – mówi autorka badań.

Jak dodaje, w przypadku niewielkich stężeń tlenku grafenu wiadomo już, że na poziomie komórkowym dojdzie do uruchomienia enzymów usuwających z organizmu tak zwane reaktywne formy tlenu. Zaobserwowany został również przejściowy wzrost uszkodzeń DNA, które podlegają procesowi szybkiej regeneracji. Badania mechanizmów oddziaływania będą kontynuowane.

– Nie chodzi o to, aby zatrzymać analizy właściwości nanocząstek i ich zastosowanie w różnych branżach. Myślę, że mamy jednak prawo wiedzieć, z czym się to wiąże, aby móc świadomie z pewnych rozwiązań zrezygnować – podsumowuje naukowiec.