Spazio di collaborazione

Polveri sottili e nanoparticelle

A sinistra: cellula circondata da nanotubi di carbonio. Al centro: confronto tra le dimensioni di un capello, di granelli di sabbia e di polveri sottili PM10 e PM2.5. A destra: cellula che ha inglobato nanoparticelle.
POLVERI SOTTILI
Le particelle atmosferiche (PM, Particulate matter) o polveri sottili in ambito urbano costituiscono uno dei grandi problemi ambientali degli ultimi decenni (Li et al., 2013) per i loro potenziali effetti tossici sulla salute dell'uomo e dell'ambiente.  Gli aereosol del particolato atmosferico sono generati da attività industriali (scavi minerari, smaltimento di residui, centrali termoelettriche a carbone, uso di combustibili fossili, inceneritori di rifiuti), dal traffico urbano (in particolare dalle marmitte catalitiche, dai motori diesel, dall'usura delle gomme e dei freni) , dal riscaldamento domestico e da sorgenti naturali, quali l'azione dei venti sul mare e sulle rocce e gli incendi di foreste. 
Per quanto riguarda la combustione, questa tipicamente produce particelle sottili primarie e secondarie. Le prime vengono prodotte direttamente dalle sorgenti citate sopra; le seconde sono un prodotto secondario dovuto alla reazione dei gas di combustione che reagiscono in atmosfera e producono particelle ultrafini di dimensioni inferiori a 2,5 micrometri in quantità stimata essere circa tre volte quella delle particelle primarie. La produzione di queste particelle secondarie solitamente non viene stimata e conteggiata tra i prodotti di una sorgente di polveri sottili. Ossidi di azoto, di zolfo, ammoniaca e composti oganici vari (che dipendono dalla natura dei residui combusti) reagiscono con ozono (che opera come un catalizzatore), vapor d'acqua e radicali liberi, condensano e aggregano altri elementi tossici quali idrocarburi policiclici aromatici, diossine, furani, policlorobifenili, metalli vari, diventando quindi delle "bombe" chimiche di cui è difficile prevedere gli effetti sulla salute dell'uomo e degli animali. Particolare attenzione meritano  i metalli adsorbiti sulle particelle atmosferiche poiché questi possono essere particolarmente dannosi, soprattutto quando sono legati a particelle fini (PM2.5 con diametro < 2,5 micrometri, (i)) che hanno un rapporto ancora più grande tra superficie e volume.
Le polveri sottili  possono causare problemi sul sistema cardiovascolare e respiratorio umano. Infatti le micro e nanoparticelle possono penetrare in profondità nell'apparato respiratorio e, per le loro ridotte dimensioni, possono essere addirittura inglobate da alcune cellule, ma i loro  effetti sono ancora in gran parte sconosciuti. Anche il tipo di legame e l'interazione tra i diversi composti che partecipano alla costituzione delle polveri sottili (metalli e composti carboniosi) è molto importante per definirne gli effetti tossicologici a livello cellulare.
Anche se gli effetti specifici necessitano ulteriori studi a livello molecolare/cellulare, tuttavia l'Organizzazione mondiale della Sanità (OMS ovvero in inglese WHO World Health Organization) ha stimato che "in media 2 milioni di persone muiono ogni anno a causa delle polveri sottili e dell'inquinamento determinato dalle emissioni in atmosfera dei veicoli a benzina e diesel" e che "dal 2004 al 2010 la mortalità nel mondo è aumentata del 16% proprio a causa dell'aumento del traffico su gomma" (Cadelo, 2013). Questa valutazione è stata rilanciata con una notizia del 25/03/2014 in cui sempre il WHO aggiorna in termini ancora più catastrofici la stima delle morti per la contaminazione dell'aria fino a 7 milioni di morti all'anno (vedi tra i Link Utili: 7 milioni di morti connessi con la contaminazione dell'aria - WHO 25/03/2014). In questo caso viene inclusa anche la mortalità da cancro.  
 
NANOPARTICELLE
Il termine nanoparticelle (NPs) viene usato per riferirsi a particelle di dimensione nanometrica che possono essere sia naturali (o comunque non intenzionali, vedi paragrafo precedente) o prodotte intenzionalmente dall’uomo (in questo caso Engineered Nanoparticles, ENps), con un intervallo dimensionale compreso tra 1 e 100 nm (i.e. 1-100 miliardesimi di metro). Mentre le polveri sottili sono abitualmente prodotti di scarto dell'attività industriale o antropica, le ENPs sono prodotti che (al momento) solo occasionalmente diventano materiali di scarto. Tuttavia il fatto che esse possano contribuire ad aumentare la quantità dei nanorifiuti non va trascurata poiché esse sono molto utilizzate nei campi più disparati: esiste pertanto una seria possibilità che questi materiali di scarto nanometrici possano essere rilasciati in misura sempre maggiore nell’ambiente acquatico e terrestre nonché nell'atmosfera dove il loro destino è in gran parte sconosciuto (Navarro et al. 2008).
Infatti il progresso tecnologico consente oggi di manipolare la materia su scala nanometrica (i), aprendo prospettive inimmaginabili per lo sviluppo di materiali innovativi intesi a facilitare la nostra vita. Le nanotecnologie possono, infatti, modificare le fondamentali proprietà fisiche e chimiche dei materiali convenzionali, consentendo così la realizzazione di nuovi prodotti con proprietà elettriche, ottiche e meccaniche innovative e pressoché uniche. Date le enormi potenzialità dei nanomateriali, le risorse investite nella ricerca e nello sviluppo delle nanotecnologie, in tutto mondo, nel 2004 sono stati circa 8,6 miliardi di dollari e si stima che tra il 2011 ed il 2015 possano raggiungere i 1000 miliardi di dollari.
 
Alcune categorie di nanoparticelle ingegnerizzate:
Materiali carboniosi, quali i nanotubi di carbonio e fullereni (i).
Materiali formati da metalli, quali gli ossidi metallici(i) e i metallo zero-valenti (i).
Nanoparticelle polimeriche, tra cui dendrimeri (i).
Nanocristalli semiconduttori o Quantum Dots (i).
 
L'interesse per le nanoparticelle sta rapidamente aumentando in quanto si intravvedono anche potenziali sviluppi in cui nanoparticelle realizzate dall'uomo possono integrare ed eventualmente migliorare le prestazioni dei sitemi biologici e di vegetali in particolare. Per esempio è stata recentemente pubblicata una ricerca che mostra come la fotosintesi di alcune piante possa essere resa più efficiente quando nanotubi di carbonio vengono inseriti nelle membrane dei cloroplasti (vedere tra le Letture consigliate: Nanoparticelle sono in grado di migliorare alcune funzioni in vegetali). In alternativa, tramite infusione di nanoparticelle nel sistema vascolare è possibile trasformare piante in sensori per l'ossido nitrico. Tuttavia non sono ancora chiari i meccanismi che determinano queste modificate funzionalità in vegetali.
 
 Al fine di valutare i rischi ambientali delle ENPs è necessario avere una maggiore conoscenza sulla loro mobilità, biodisponibilità ed ecotossicità (Klaine et al., 2008). 
In effetti, la mancanza di conoscenza circa la diffusione e la stabilità di questi tipi di particelle negli ecosistemi e i loro effetti sugli organismi biologici potrebbero rappresentare un nuovo e delicato problema ambientale potenzialmente amplificato dal fatto che i sistemi biologici non si sono evoluti in presenza di questi prodotti dell'attività umana. Per queste ragioni è opportuno vigilare affinchè queste nuove tecnologie non producano sostanze pericolose e il modo migliore per vigilare è di sapere di più sull'argomento nonché di favorire  lo scambio di informazioni multidisciplinari tra i vari protagonisti scientifici del settore (fisici, chimici, ingegneri, biologi, medici, ecc...) e la società civile.
 
Dal momento che ci si può aspettare che i nanomateriali prodotti in maniera crescente vengano riversati, direttamente o indirettamente, nell’ambiente acquatico, c’è una urgente necessità di comprendere l’impatto sugli ecosistemi e i loro effetti sugli organismi acquatici ai vari livelli trofici. Infatti, le ENPs sono generalmente non degradabili e si pensa che persistano a lungo nell’ambiente acquatico, dove possono subire trasformazioni chimiche ma possono anche essere assimilate dagli organismi viventi. Studi condotti negli ultimi 10 anni hanno evidenziato che ENPs (come ad esempio TiO2, Ag, quantum dots, ossidi di metalli) causano inibizione della crescita e stress ossidativo in batteri e microalghe, sia direttamente che per la loro capacità di agire come carriers di inquinanti (von Moos and Slaveykova, 2014).Il rischio per l’ambiente è evidente dal momento che i microrganismi giocano un ruolo chiave nel mantenimento dello stato di salute degli ecosistemi e poi perché costituiscono la porta d’ingresso di questi inquinanti nella catena alimentare, dal fitoplancton ai pesci, fino ad arrivare all’uomo attraverso le specie edibili.
 
E' del tutto evidente che anche per le nanoparticelle (al pari delle polveri sottili) gli effetti più diretti e immediati sulla salute dell'uomo siano quelli relativi all'apparato respiratorio dove possono causare asma ed enfisema polmonare. Altri problemi possono essere però indotti anche su altri tessuti e organi del corpo a causa della mobilità delle nanoparticelle e delle loro ridotte dimensioni. Le popolazioni più a rischio sono gli anziani e i bambini esposti che possono mostrare ritardi nello sviluppo a lungo termine.

Bibliografia

Cadelo E., Pellicani, L. (2013) Contro la modernità: le radici della cultura antiscientifica in Italia. pp. 120-121. Rubettino Editore
 
Li, H, Qian, X. and Wang, Q. (2013) Heavy metals in atmospheric particulate matter: a comprehensive understanding is needed for monitoring and risk mitigation. Envirn. Sci. Technol. 47: 13210-13211
 
Hornyak, G.L., Dutta, Y. Tibbals, H.F., Rao, A.K. (2008) Introduction to nanoscience CRC Press
 
 Klaine, S.J.,  Alvarez, P.J.J.,  Batley, G.E.,  Fernandes, T.F.,  Handy, R.D., Lyon, D.Y.,  Mahendra, S.,  McLaughlin, M.J., Lead, J.R. (2008)  Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. & Chem. 27: 1825-1851.
 
 Navarro, E., Baun, A., Bhera, R., Hartmann, N.B., Filser, J., Miao, A.J., Quigg, A., Santschi, P.H., Sigg L., (2008) Environmental behavior and ecotoxicity of engineered nanoparticles to algae, plants and fungi. Ecotoxicol. 17: 372-286.
 
 Von Moss, L. and Slaveykova, V.I. (2014) Oxidative stress induced by inorganic nanoparticles in bacteria and aquatic microalgae – state of the art and knowledge gaps. Nanotoxicol. 8 (6): 605-630.
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un micrometro, abbreviato in micron, è un milionesimo di metro, circa un centesimo del diametro di un capello.
Speciazione:
1 nanometro=nm= 1 miliardesimo di metro
Le quantum dots hanno un nucleo reattivo che controlla le proprietà ottiche. Questi nuclei possono essere formati da metalli e semiconduttori quali: selenurio di cadmio (CdSe), telluro di cadmio (TeCd) o selenuro di zinco (ZnSe). I nuclei reattivi semiconduttori possono essere circondati da un guscio di silice oppure da un monostrato di ZnS (solfuro di zinco) che protegge il nucleo dall’ossidazione e ne migliora la resa di fotoluminescenza. Il fatto di possedere un ampio spettro di assorbimento e uno spettro di fluorescenza con una banda stretta di emissione, le rende degli ottimi “fluorofori” per l’imaging biomedico. Infatti, le QDs fluorescenti possono essere coniugate con porzioni bioattive (anticorpi, ligandi recettori ecc.) per evidenziare specifici eventi biologi e strutture cellulari. Le loro particolari proprietà ottiche le rendono molto promettenti per l'uso nella creazione di monitor, nelle celle solari, nei led.
Polimeri multifunzionali, di cui è possibile controllare le dimensioni, la carica superficiale, la morfologia ed il peso molecolare. Essi possono essere utilizzati in vari campi tra cui quello biologico-medico (riescono, addirittura, ad attraversare la barriera emato-encefalica) e anche in quello della scienza dei materiali. Infatti possono essere usati come sensori chimici, elettrodi modificati, agenti per la trasformazione del DNA, agenti terapeutici ed inoltre come vettori per i farmaci.
Ossidi metallici: Il biossido di titanio (TiO2) e l’ossido di zinco (ZnO) sono ampiamente sfruttati per le loro proprietà fotolitiche. Entrambi, sia l’ossido di zinco che il biossido di titanio, stanno trovando una vasta applicazione a causa della loro abilità nel bloccare i raggi UV, per esempio: nelle creme solari, nei cosmetici, nei rivestimenti delle bottiglie. Ed inoltre, il biossido di titanio è un fotocatalizzatore che viene utilizzato anche nelle celle solari, nelle vernici ma anche nella metallurgia e nella ceramica.
I metalli zero-valenti possiedono proprietà fisiche che possono essere controllate variando il tipo di riducente. Per esempio il ferro zero-valente nanoparticolato, da tempo è utilizzato per la bonifica delle acque, dei sedimenti e dei suoli per rimuovere i nitriti, più recentemente è stato anche usato per la detossificazione di pesticidi organoclorurati e dei bifenili policlorurati. Un altro tipo di metallo molto usato è la nanoparticella d’argento che ritroviamo nelle medicazioni, nelle calze ed in altri prodotti tessili ma anche nei filtri dell’aria, nei dentifrici, nei prodotti per bambini, in alcuni tipi di aspirapolvere e lavatrici. Lo ione d’argento è altamente reattivo, in quanto è facilmente assorbito sia dalle macroparticelle che dalle particelle colloidali (come la materia organica naturale).
Il fullerene è una molecola costituita da 60 atomi di carbonio, C60, strutturalmente simile alla grafite che può assumere una forma simile ad una sfera cava, oppure di un ellisoide o tubulare. Nei sistemi acquatici, le NPs in carbonio sono soggette a precipitazione e ad aggregazione a causa della loro intrinseca idrofobicità. Questo limita il loro utilizzo in acqua e nelle applicazioni biomediche (ampiamente idrofile ad esclusione delle fasi di membrana) trovando però un ampio utilizzo nella fabbricazione della plastica, come catalizzatori, nelle batterie, negli elettrodi cellulari, nei sistemi di depurazione, in impianti ortopedici, negli adesivi, nell’elettronica, negli aerei e nelle industrie aerospaziali.