Comparative analysis of modern approaches to risk estimation from artificially created nanoparticles and nanomaterials

AbstractThe article represents a review of modern approaches to problem of nanotechnologies and nanomaterials risk estimation for human health and environment that were elaborated in EU, USA and some international authorities. Submitted data suggests that there is a significant coincidence with approaches being developed and introduced in Russian Federation under the guidance of Rospotrebnadzor. Particularly criteria being used in Russian Federation and EU for classification of nanotechnologies and nanoindustry production are mainly similar. They include a) identification of nanomaterials in production, b) establishment of production disintegration possibility with concomitant migration of free nanoparticles, c) possibility of nanoparticles emission/migration both in normal conditions of utilization and in possible emergency conditions, d) degree of proximity of particular kind of production to it’s consumer that means the possibility of exposition being from closely to zero (in conditions of unhabitated exploitation) up to approximately 100% (in case of medicine, food and cosmetics), e) biological examination of potential danger of nanomaterials according to current volume of scientific information. As applied to nanotechnology plants there are such criteria in use as a) nanomaterial identification, b) personnel exhibiting possibility, c) potential toxicity of stuff in aerosol nano-form, d) characteristics of biological action. Thus applied in Russia principles for nanomaterials safety estimation do not contradict to concepts of foreign authorities that builds up a possibility of said approaches harmonization to internationally recognized norms.

Keywords:nanotechnologies, nanomaterials, risk estimation, regulation, foreign experience

Вопр. питания. - 2012. - № 4. - С. 11-17.

Продукция наноиндустрии обладает новыми свойствами, с которыми человек не сталкивался на протяжении своей биологической эволюции, поэтому, как и любая принципиально новая продукция, она заключает в себе потенциальные риски для здоровья человека, которые могут проявиться непосредственно или косвенно, через неблагоприятные воздействия на окружающую среду. В связи с этим изучение вопросов потенциальных рисков использования наноматериалов (НМ) и нанотехнологий (НТ) является актуальной проблемой для мирового сообщества [1, 2, 11].

На необходимость оценки рисков для здоровья человека, создаваемых НМ и НТ, указывается в "Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов", утвержденной постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 31.10.2007 № 79. Во исполнение этого постановления разработан и утвержден ряд нормативно-методических документов, определяющих порядок и методы оценки рисков НМ и НТ в Российской Федерации (МР 1.2.2522-09; МР 1.2.0016-10; МР 1.2.0038-11; МР 1.2.0041-11).

Во многих странах интенсивно изучаются вопросы определения уровня безопасности НМ и НТ для человека и окружающей среды [8, 17, 20]. Проблема безопасности НМ и НТ широко исследуется в США (Food and Drug Administration - FDA, Environmental Protection Agency - EPA), Евросоюзе (European Food Safety Authority - EFSA, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks - SCENIHR), Великобритании (Department for Environment, Food and Rural Affairs - DEFRA, Food Standards Agency - FSA), а также в ряде международных организаций, таких как International Organization for Standardization (ISO), NATO, Project on Emerging Nanotechnologies (PEN) и др.

С 2004 г. США, Великобритания, страны Европейского союза (ЕС), Швейцария, Китай, Корея, Австралия, Канада и др. создали ряд международных консорциумов, на базе которых готовятся предложения по организации системы управления нанодеятельностью (наноменеджмент), контроля и надзора за нанопродуктами, а также оценке риска, причиняемого жизни, здоровью, имуществу и окружающей среде НМ и НТ.

На актуальность проблемы оценки риска НМ и НТ для здоровья человека и окружающей среды указывают доклад SCENIHR [15], аналогичный документ НАТО [12], отчет неправительственной организации "Международный совет по управлению рисками" [8], многие другие документы и публикации [5, 7, 9, 10, 12, 13, 18].

В целом общепринятая парадигма оценки риска контакта с макрообъектами (идентификация риска, его оценка и характеристика) применима и для НМ. Однако необходимо дополнительно учитывать ряд специфических особенностей наночастиц (НЧ) и НМ, не характерных для макрообъектов. Соответственно любые традиционные подходы к этой проблеме требуют определенной модификации.

Сегодня существует несколько определений понятия риска. В частности, EPA предлагает следующее определение: "Риск - вероятность возникновения вредных последствий в результате воздействия вещества окружающей среды или сочетания веществ". Согласно определению ВОЗ, "риск - возможность вредного последствия в организме, системе или группе населения при определенных обстоятельствах от воздействия какого-либо вещества". Согласно принятому в Российской Федерации определению, "риск - это вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений с учетом тяжести этого вреда" (Федеральный закон от 27.12.2002 № 184-ФЗ "О техническом регулировании").

Современные подходы к оценке рисков НМ и НТ для здоровья человека и окружающей среды, применяемые в США, подробно рассматриваются в монографии [16], где дается общая оценка нанотехнологических рисков для здоровья и окружающей среды. Признание НТ в США осложнено обеспокоенностью широких кругов общественности возможными неблагоприятными эффектами нанотехнологической продукции для окружающей среды и потребителей, в связи с чем раздаются требования установить мораторий на все потребительские продукты с использованием НТ [17, 18]. Имеющихся данных в настоящее время недостаточно для разработки стандартов безопасности многих НМ. Считается, что ввиду малых объемов производства этой продукции имеющиеся риски незначительны, однако исследования в области рисков должны быть развернуты заблаговременно, пока риски еще малы. Ряд исторических прецедентов указывает на целесообразность такого подхода. Так, в течение многих лет широко использовались полихлорированные бифенилы, которые обладают способностью накапливаться в живых организмах (сейчас это один из глобальных загрязнителей окружающей среды).

В качестве примера подхода, применяемого в США при оценке рисков, связанных с НТ, в монографии приводятся материалы открытых слушаний, проведенных в связи с потенциальными неблагоприятными воздействиями НЧ серебра на окружающую среду [14]. В заключении перечислены требования по ужесточению контроля за материалами, содержащими НЧ серебра, которые должны рассматриваться в свете вызываемых биологических эффектов [6] как пестициды.

В США разрабатывается программа создания "системы оценки риска жизненного цикла на основе адаптивного скрининга для нанотехнологии", которая включает процессы идентификации и характеристики опасного фактора, оценку экспозиции и характеристику риска в обязательном применении ко всем стадиям жизненного цикла НМ, т.е. на стадиях исходных НМ, в процессах их промышленной переработки, изготовления конечной продукции, упаковки, реализации потребителю и утилизации отходов. Характеристика риска выводится из оценки кумуляции воздействий, которые могут осуществляться на всех этих стадиях.

В ряде стран нанопродукция и НТ подпадают под действие уже существующих законодательных актов. Большую роль в этом принимает Комиссия Кодекс Алиментариус, в задачи которой входит разработка стандартов безопасности НМ, требований к маркировке пищевых продуктов, содержащих НЧ и НМ, корректной терминологии, применяемой для обозначения данных продуктов.

В документах, используемых в ЕС, существующие методики могут в определенной степени распознавать вред для здоровья, связываемый с использованием НЧ. Однако не все НЧ обладают более выраженной токсичностью, чем эквивалентные количества данного вещества в традиционной форме. Это предполагает, что оценку безопасности НЧ следует проводить на индивидуальной основе, с учетом их размера и других важных физико-химических параметров (агрегация, наличие веществ, связанных на поверхности, и т.д.).

В документах SCENIHR обсуждаются вопросы пригодности методологии оценки риска при использовании НМ и даются предложения по улучшению существующих методик. При этом для оценки риска предлагается рассматривать следующие данные: токсичность НЧ и НМ; способность экстраполировать данные о токсичности известных химических веществ на токсичность НЧ и НМ; оценка экспозиции НЧ и НМ; вопросы, связанные со стабильностью, и трансформация НЧ и НМ в объектах окружающей среды в ходе их транспортирования или накопления; способность НМ к биодеградации в окружающей среде; пригодность НМ к переработке для вторичного использования.

При оценке экспозиции, мониторинге и характеристике риска НЧ надо принимать во внимание, что в зависимости от их размера могут изменяться их физико-химические свойства, а со временем и их состав (в зависимости от состояния окружающей среды), что ведет к агломерации, деградации или адсорбции химических веществ из окружающей среды на НЧ и НМ.

Нет единого мнения относительно методов измерения действующих доз НЧ и НМ при мониторинге их содержания в жилище или на рабочем месте. Лучшим показателем для НЧ, взвешенных в воздушной среде, считается их общая площадь поверхности. Существует множество методов определения НЧ в объектах окружающей среды, однако ни один из них не является универсальным [3, 19]. Важной и не решенной в полном объеме проблемой является необходимость четкого отделения искусственных НЧ от фоновых (природных) НЧ того же размера [20].

Согласно версии 002/05 документа SCENIHR, риск здоровью может возникать только от факта присутствия субстанции в форме НЧ, из-за химического состава частиц или комбинации этих причин. Алгоритм оценки риска включает следующие обязательные этапы:

- наличие спецификации на продукт (физикохимические свойства). Она должна включать данные о составе и размере частиц, их растворимости, химической и физической стабильности;

- данные о предполагаемом использовании НМ с идентификацией каждого из сценариев воздействия (включая возможность воздействия в чрезвычайных и экстремальных ситуациях). Они должны включать ситуации обычного и высокоинтенсивного воздействия на продукцию, содержащую НМ, уровни и продолжительность воздействия на человека, возможные несчастные случаи, которые могут привести к выбросу НЧ и НМ в окружающую среду и существенному воздействию на человека; возможные методы конечной утилизации продукции и последствия для окружающей среды;

- исследование воздействия на человека, включая идентификацию и количественное определение значимого воздействия, определение путей абсорбции НЧ и НМ в значимых дозах, в том числе все возможные пути транслокации, идентификация затронутых воздействием звеньев метаболизма, включая характеристику и количественное определение НЧ и НМ в организме человека, исследование возможности биоаккумуляции вследствие повторного их воздействия;

- исследование воздействия на окружающую среду, включая идентификацию и количественное определение значимого воздействия, определение способа воздействия, сохранность (включая устойчивость) в различных объектах окружающей среды. Особое внимание уделяется НЧ и НМ, способным к свободному поступлению в окружающую среду, и отходам НТ, определению концентраций по показателям площади поверхности и числа частиц в различных объектах окружающей среды, исследованию биоаккумуляции в различных водных и наземных объектах и возможного потенциала биоусиления вследствие природной трансформации НЧ с образованием более опасных, чем исходные вещества, производных.

Метод идентификации и характеристики риска, создаваемого НМ, по мнению специалистов ЕС, схож с методом идентификации химических веществ в иных физических формах. Важно решить, исходит ли угроза от: а) токсикологических свойств химических веществ, которые составляют основу частиц; б) гораздо большей поверхности частиц и соответственно большей потенциальной реакционной способности; в) повышенной растворимости веществ в виде частиц малого размера; г) возможности абсорбции НЧ других химических веществ вследствие увеличенной площади поверхности и возможной реакционной способности.

Алгоритм токсикологических исследований НЧ зависит от предполагаемой причины опасного воздействия. Для предварительных оценок рекомендуется применять скрининговые наборы тестов. Их выбор зависит от знания данных о химических, физических и биологических свойствах изучаемых нанообъектов. При скрининге важное значение могут иметь тесты in vitro. При наличии предполагаемых значительных различий между формой НЧ и физической формой химических веществ в традиционном виде следует пользоваться руководством по проведению тестов новых химических веществ относительно их влияния на здоровье человека (согласно EU Technical Guidance Document, EC, 2003).

На этапе идентификации опасности также могут оказать большую помощь исследования in vitro как ранний индикатор потенциальной опасности. Однако характеристика поглощения, распределения, депонирования и аккумуляции НЧ и НМ возможна только при использовании исследований in vivo.

При характеристике риска каждый продукт, содержащий НЧ и НМ, следует рассматривать отдельно, в свете промышленной безопасности во время производства НЧ и НМ, безопасности потребителей, использующих продукцию, содержащую НЧ и НМ, безопасности населения при постоянном или одноразовом выбросе НЧ и НМ промышленными или перерабатывающими предприятиями, воздействия на различные объекты окружающей среды вследствие производства, использования и утилизации и возможное воздействие на человека через окружающую среду.

Регуляторные аспекты оценки риска в первую очередь включают корректную классификацию источников опасности. Одним из подходов могла бы быть система единой идентификации, присваивающая разным формам НЧ различные номера CAS либо добавляющая код (CAS-NP50) к существующим номерам; при этом старый номер CAS остается для обозначения традиционного аналога химического соединения.

Представленные данные о подходах к проблеме рисков НМ и НТ в странах ЕС [7, 15] показывают, что, как и в случае с нормативно-методической базой, принятой в США, имеется значительный параллелизм с подходами, разрабатываемыми и внедряемыми под эгидой Роспотребнадзора в Российской Федерации. Так, в МР 1.2.0016-10 "Методика классифицирования нанотехнологий и продукции наноиндустрии по степени их потенциальной опасности" используются критерии оценки, во многом сходные с предлагаемыми в ЕС: а) идентификация НМ в составе продукции; б) выявление возможности дезинтеграции продукции с образованием свободных НЧ; в) вероятность эмиссии НЧ из продукции как в условиях нормальной эксплуатации, так и под воздействием экстремальных внешних факторов; г) степень близости конкретного вида продукции к потребителю, определяющая вероятность экспонирования (от почти нулевой для оборудования и изделий, эксплуатируемых в безлюдной зоне, до 100% в случае лекарств, косметических средств и пищевых продуктов); д) биологическая характеристика потенциальной опасности НМ на основе анализа имеющейся научной информации в соответствии с алгоритмом математического моделирования (МР 1.2.2522-09).

Применительно к нанотехнологическим производствам в качестве критериев применяются также: а) идентификация НМ; б) возможность экспонирования персонала; в) потенциальная опасность вещества в наноразмерной аэрозольной форме; г) характеристика биологического действия.

В публикации SCENIHR [15] все предлагаемые характеристики оценки риска НМ основываются на внешних характеристиках частиц с использованием 5 основных внешних свойств НМ: 1) агломерация (слабо связанные частицы) и агрегация (сильно связанные частицы); 2) реакционная способность; 3) наличие критических функциональных групп (функциональность и биодоступность НМ напрямую связаны с химическими свойствами их поверхности); 4) размер частиц; 5) наличие контаминантов (риск, связанный с остаточными загрязнениями, содержащимися внутри НЧ).

Факторы, которые могут влиять на возможные риски искусственных НМ, включают биодоступность, биоаккумуляцию, потенциал транслокации и потенциал токсичности. На основе этого предлагается система предварительной классификации НМ по классам риска для демонстрации уровней оценки риска (чрезвычайный, высокий, средний, низкий и очень низкий риск). Данная система классифицирования рисков принимает во внимание измерения и экспертные оценки многочисленных критериев, которые влияют на токсичность материалов. Использование подхода SMAA-TRI позволяет моделировать эффект вето, означающий, что очень плохой показатель НМ по одному критерию нельзя компенсировать хорошими показателями по другим. Это препятствует принятию недостаточно обоснованного решения о риске определенных НМ на основе ограниченного числа критериев.

В документах Конференции НАТО [12] указывается, что препятствия для успешной оценки риска НМ включают: 1) отсутствие адекватных методов определения НЧ и НМ в объектах окружающей среды и в организме; 2) отсутствие стандартизованных стратегий испытаний; 3) неопределенности в трактовке получаемых результатов.

Применяемые стратегии оценки риска включают: 1) оценку внешнего фактора (например, концентрации и характеристики НМ, взвешенных в воздухе или жидкости); 2) определение опасной дозы для критического органа (внутренние концентрации, распределения и т.д.); 3) потенциальные скрининговые стратегии.

Эксперты по оценке риска должны участвовать в разработке новых НМ и при их постановке на производство, чтобы оперативно передавать актуальную информацию о рисках производителям. При этом они должны использовать новые технологии оценки воздействия НМ.

В статье "Стратегии приемлемого управления рисками в области нанотехнологий. Применение в пищевых продуктах и косметике" выражено мнение Международного совета по управлению рисками (IRGC) [4]. Предложены следующие ключевые рекомендации: 1. Разработка стандартизированного определения НТ и НМ, используемых в пищевых продуктах и косметической продукции. В качестве основы рекомендуется использовать определение НМ и НТ, изложенное в ISO/TS 27687:2008.

2. Разработка системы управления рисками, которая состоит из 5 взаимосвязанных этапов: предварительная оценка, одобрение, характеристика и оценка, управление и передача информации. Предварительная оценка подразумевает, что бывают так называемые пассивные наноструктуры (т.е. не изменяемые по времени) и активные (поведение со временем изменяется). В последнем случае требуется больший объем информации, а оценка должна быть более жесткой. На стадии одобрения принимается решение, стоит ли рисковать, и если да, то можно ли управлять риском? При этом дополнительно принимается во внимание оценка озабоченности, т.е. систематический анализ субъективных ассоциаций и осознанных последствий, отображенных в специализированной литературе, средствах массовой информации и в общественном сознании в целом. Оценка риска отвечает на вопросы: каковы возможный вред или нежелательное воздействие; какова вероятность явления; каковы первичные и вторичные выгоды, перспективы и возможные вредные последствия? Организация стремится выразить озабоченность, оценить общественную реакцию на риск и выяснить, могут ли менеджеры по управлению рисками дать ответ группам потребителей, не уверенных в правильном соотношении выгоды и риска.

3. Рекомендации по управлению рисками при использовании НТ при производстве пищевых продуктов и косметических средств:

- при определении НМ и НТ использовать в качестве основы определение, изложенное в ISO/TC 229 и ISO/TS 27687:2008;

- при отсутствии признанной дефиниции IRGC рекомендует производителям публично объяснять, какие НМ они используют, их размер, какие исследования оценки риска проводились и каковы их результаты;

- данные о рисках и выгодах должны оцениваться на всех стадиях управления рисками во избежание недопонимания и применения двойных стандартов, создающих необоснованные конкурентные преимущества;

- в области оценки риска обязать промышленность заранее объявлять результаты собственных оценок риска.

4. Отмечается, что поскольку имеющиеся данные не поддерживают гипотезу об увеличенном риске для здоровья исключительно из-за наностуктуры материала, не следует настаивать на моратории или ограничении в использовании НМ лишь в силу недостаточности имеющихся данных. Однако если риск подтвержден, ограничения нужны. При этом необходимо разработать надежные и точные стратегии проведения испытания и методы оценки риска.

5. Подчеркивается необходимость расширения сотрудничества между всеми сторонами, участвующими в процессе оценки риска. Правительства могут проявить инициативу в проведении оценки риска некоторых приоритетных НМ, используя ресурсы государственных организаций. IRGC призывает как можно больше стран участвовать в проекте "Исследование безопасности репрезентативной выборки промышленных наноматериалов". Необходимо проводить международные совещания для сбора, определения и оценки всех имеющихся данных по использованию НМ при производстве пищевых продуктов и косметических средств. Важно определить, какой набор существующих стратегий оценки риска достаточен для выявления этих материалов и оценки их безопасности.

6. IRGC отмечает, что лица, ответственные за регулирование НТ, должны быть готовы как можно быстрее вносить изменения в регулирующие документы, чтобы учитывать новые знания о НМ.

7. С учетом мнения большинства экспертов о том, что негативные воздействия НМ, хотя и не обязательно, случаются, не могут быть полностью исключены (например, для частиц размером <20 нм), рекомендуется стратегия предосторожности (строгий мониторинг последствий, информирование потребителей, контроль распространения НМ по производственной цепочке и вне ее при возникновении серьезного риска).

8. Законодательный процесс должен быть гармонизирован на международном уровне. Национальные законодательства следует сделать совместимыми на добровольной основе. Координатором может выступить Организация экономического сотрудничества и развития (OECD). Необходима международная структура для мониторинга политики и ее эффективности (авторами для этой цели предлагается ВТО).

9. Промышленность должна принимать саморегулирующие меры по снижению риска на основе добровольного законодательства. Начинать следует с постепенного подхода, создания множества параллельных законодательств, распространяющихся на отдельные сектора промышленности. После этого требуется гармонизация требований и стандартов внутри каждого законодательства. В идеале необходимо только одно такое законодательство, так как противоречащие друг другу нормы могут создать лазейки для обхода установленных положений. Добровольное законодательство не ограничивается лишь рисками использования НМ в пищевой продукции и косметических средствах, оно должно включать этические, юридические и социальные вопросы, которые часто формируютоснову общественного понимания и озабоченности возможными рисками, связанными с распространением и внедрением новых технологий.

Подводя итог рассмотрению состояния проблемы рисков НМ и НТ, следует отметить, что применяемые в России принципы оценки безопасности НМ не противоречат концепциям международных организаций; существует возможность обращения в международные организации с целью признания применяемых в Российской Федерации подходов в качестве международных или их гармонизации с соответствующими международными нормами.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 гг.".

Литература

1. Белокрылова Е.А. // Право и политика. - 2010. - № 8. - С. 1462-1467.

2. БелокрыловаЕ. А. Сборник материалов 3-й ежегодной научно-практической конференции Нанотехнологического общества России 5-7 октября 2011 года. - СПб., 2011. - С. 10-20.

3. Распопов Р.В., Гмошинский И.В., Попов К.И. и др. // Вопр. питания. - 2012. - Т. 81, № 2. - С. 10-17.

4. Brief P. Appropriate Risk Governance Strategies for Nanotechnology Applications in Food and Cosmetics // International Risk Governance Council. - Geneva, 2009. - 44 р.

5. Chau C.F., Wu S.H., Yen G.C. The development of regulations for food nanotechnology // Trends Food Sci. Technol. - 2007. - Vol. 18, N 5. - P. 269-280.

6. Faunce T., Watal A. Nanosilver and global public health: international regulatory issues // Nanоmedicine. - 2010. - Vol. 5, N 4. - P. 617-632.

7. Follow-up to the 6th Meeting of the REACH Competent Authorities for the implementation of Regulation (EC_REACH). - Brussels, 2008. - 21 р.

8. Grobe A., Renn O., Jaeger A. Risk Governance Strategies for Nanotechnology Applictions in Food and Cosmetics // International Risk Governance Council. - Geneva, 2008. - 52 р.

9. Huang X.Y., Mclean R.S., Zheng M. // Anal. Chem. - 2005. - Vol. 77, № 19. - P. 6225-6228.

10. Kelty C. Beyond Implications and Applications: the Story of ‘Safety by Design’ // J. Nanoethics. - 2009. - Р. 79-96.

11. Kuzma J., Verhage P. Nanotechnology in Agriculture and Food Production. Anticipated Applications. - Woodrow Wilson International Center of Scholars, 2006. - 44 p.

12. Linkov I., Steevens J. et al. Emerging methods and tools for environmental risk assessment, decision-making, and policy for nanomaterials: summary of NATO Advanced Research Workshop // J. Nanopartical Res. - 2009. - 15 p.

13. Pesika N.S., Stebe K.J., Searson P.С. Relationship between absorbance spectra and particle size distributions for quantum-sized nanocrystal // J. Phys. Chem. В. - 2003. - Vol. 107. - P. 10412-10415.

14. Petition for rulemaking requesting EPA regulate nano-silver products as pesticides / International center for technology assessment. - Washington, 2008. - 116 р.

15. Risk Assessment of Products of Nanotechnologies Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR). European Commission Health and Consumers DG. - Brussels, 2009. - 71 p.

16. Shatkin J.A. Nanotechnology: health and environmental risks. - Boca Raton; London; N.Y.: CRC Press, 2008. - 167 p.

17. Shatkin J.A. Nanomaterials and Nanotechnologies: Framing the Issues. Nano Trust Conference Austrian Academy of Sciences. - 2010. - 47 р.

18. Thomas K., Aguar P., Kawasaki H. et al. // Toxicol. Sci. - 2006. - Vol. 92, N 1. - P. 23-32.

19. Tiede K., Hasselov M., Breibarth E. et al. Considerations for environmental fate and ecotoxicity testing to support environmental risk assessments for engineered nanoparticles// J. Chromatogr. A. - 2008. - Vol. 1216, N 3. - P. 503-509.

20. Xurmi J.T., Tratnyek P.G., Sarathy V. et al. // J. Environ. Sci. Technol. - 2005. - Vol. 39, N 5. - P. 1221-1230.