Contaminación por nanomateriales

La Organización Internacional para la Estandarización define los nanomateriales de ingeniería, o ENMS, como materiales con dimensiones externas entre 1 y 100 nm, la nanoescala, o que tienen una estructura de superficie interna en estas dimensiones. Las nanopartículas pueden ser tanto incidentales como diseñadas. Las nanopartículas incidentales incluyen partículas de tormentas de polvo, erupciones volcánicas, incendios forestales y evaporación del agua del océano. Las nanopartículas diseñadas (EMM) son nanopartículas que se fabrican para su uso en cosméticos o productos farmacéuticos como ZnO y TiO ₂. También se encuentran en fuentes como el humo del cigarrillo y la demolición de edificios.Las nanopartículas diseñadas se han vuelto cada vez más importantes para muchas aplicaciones en productos industriales y de consumo, lo que ha resultado en una mayor presencia en el medio ambiente. Esta proliferación ha instigado un creciente cuerpo de investigación sobre los efectos de las nanopartículas en el medio ambiente.

Fuentes de nanopartículas

Los productos que contienen nanopartículas, como cosméticos, revestimientos, pinturas y aditivos catalíticos, pueden liberar nanopartículas al medio ambiente de diferentes maneras. Hay tres formas principales en que las nanopartículas ingresan al medio ambiente. La primera es la emisión durante la producción de materias primas, como las operaciones de extracción y refinación. La segunda es la emisión durante el uso, como cosméticos o bloqueador solar que se lavan en el medio ambiente. El tercero es la emisión después de la eliminación de productos de nanopartículas o el uso durante el tratamiento de desechos, como nanopartículas en aguas residuales y corrientes de aguas residuales.

El primer escenario de emisión, que causa el 2% de las emisiones, resulta de la producción de materiales. Los estudios de una refinería de metales preciosos encontraron que la extracción y refinación de metales libera una cantidad significativa de nanopartículas en el aire. Un análisis posterior mostró niveles de concentración de nanopartículas de plata mucho más altos que los estándares de OSHA en el aire a pesar de la ventilación operativa. La velocidad del viento también puede hacer que las nanopartículas generadas en la minería o actividades relacionadas se propaguen aún más y tengan un mayor poder de penetración. Una alta velocidad del viento puede hacer que las partículas en aerosol penetren en los recintos a una velocidad mucho mayor que las partículas que no están expuestas al viento.

La construcción también genera nanopartículas durante la fabricación y uso de materiales. La liberación de materiales a nanoescala puede ocurrir durante la evacuación de desechos de las operaciones de limpieza, pérdidas durante el secado por aspersión, residuos del filtro y emisiones de los filtros. Los aerosoles de bomba y los propulsores en promedio pueden emitir 1,1 x 10^8 y 8,6 x 10^9 partículas/g.

También se libera una cantidad significativa de nanopartículas durante la manipulación de polvos secos, incluso cuando están contenidos en campanas extractoras. Las partículas en los sitios de construcción pueden tener una exposición prolongada a la atmósfera y, por lo tanto, es más probable que ingresen al medio ambiente. Las nanopartículas en la construcción y el reciclaje de hormigón introducen un nuevo peligro durante el proceso de demolición, que puede plantear riesgos de exposición medioambiental aún mayores. El hormigón modificado con nanopartículas es casi imposible de separar del hormigón convencional, por lo que la liberación puede ser incontrolable si se demuele con medios convencionales. Incluso la abrasión y el deterioro normales de los edificios pueden liberar nanopartículas al medio ambiente a largo plazo. La meteorización normal puede liberar de 10 a 10^5 mg/m^2 de fragmentos que contienen nanomateriales.

Otro escenario de emisión es la liberación durante el uso. Los protectores solares pueden liberar una cantidad significativa de nanopartículas de TiO ₂ en las aguas superficiales. Las pruebas del antiguo lago Danubio indicaron que había concentraciones significativas de nanopartículas de cosméticos en el agua. Las estimaciones conservadoras calculan que había aproximadamente 27,2 microgramos/L de TiO ₂, si el TiO ₂ se distribuyera por todo el volumen de 3,5*10^6 M^3 del lago.

Aunque el TiO ₂ generalmente se considera débilmente soluble, estas nanopartículas sufren meteorización y transformación en condiciones de suelos ácidos con altas proporciones de ácidos orgánicos e inorgánicos. Hay diferencias observables en la morfología de las partículas entre las nanopartículas de TIO ₂ fabricadas y las naturales, aunque las diferencias pueden atenuarse con el tiempo debido a la intemperie. Sin embargo, es probable que estos procesos tomen décadas.

Las nanopartículas de óxido de cobre y zinc que se introducen en el agua también pueden actuar como quimiosensibilizadores en embriones de erizo de mar. Se predice que la exposición a través de protector solar es probablemente la ruta más importante para que los animales en los sistemas acuáticos se expongan a partículas metálicas dañinas. Los ZnO de los bloqueadores solares y otras aplicaciones como pinturas, optoelectrónica y productos farmacéuticos están ingresando al medio ambiente a un ritmo cada vez mayor. Sus efectos pueden ser genotóxicos, mutagénicos y citotóxicos.

Las nanopartículas se pueden transportar a través de diferentes medios dependiendo de su tipo. Los patrones de emisiones han encontrado que las NP de TiO ₂ se acumulan en los suelos tratados con lodos. Esto significa que la vía de emisión dominante es a través de las aguas residuales. El ZnO generalmente se acumula en suelos naturales y urbanos, así como en vertederos. Las nanopartículas de plata de las operaciones de producción y minería generalmente ingresan a vertederos y aguas residuales. Comparando diferentes reservorios por la facilidad con que las nanopartículas los contaminan, ~63-91% de las NP se acumulan en los vertederos, 8-28% en los suelos, los ambientes acuáticos reciben ~7% y el aire alrededor del 1,5%.

Toxicidad por exposición

El conocimiento de los efectos de las nanopartículas industriales (NP) liberadas en el medio ambiente sigue siendo limitado. Los efectos varían ampliamente en los ambientes acuáticos y terrestres, así como en los tipos de organismos. Las características de la propia nanopartícula desempeñan una amplia variedad de funciones, como el tamaño, la carga, la composición, la química de la superficie, etc. Las nanopartículas liberadas en el medio ambiente pueden interactuar potencialmente con contaminantes preexistentes, lo que genera efectos biológicos en cascada que actualmente no se conocen bien.

Varios estudios científicos han indicado que las nanopartículas pueden causar una serie de efectos fisiológicos y celulares adversos en las plantas, incluida la inhibición de la longitud de la raíz, la reducción de la biomasa, la tasa de transpiración alterada, el retraso en el desarrollo, la interrupción de la síntesis de clorofila, el daño de la membrana celular y la aberración cromosómica. Aunque se ha documentado el daño genético inducido por nanopartículas metálicas en plantas, el mecanismo de ese daño, su gravedad y si el daño es reversible siguen siendo áreas activas de estudio.Se demostró que los estudios de nanopartículas de CeO2 disminuyen en gran medida la fijación de nitrógeno en los nódulos de la raíz de las plantas de soja, lo que lleva a un retraso en el crecimiento. Se demostró que las cargas positivas en las nanopartículas destruyen las bicapas lipídicas de la membrana en las células animales e interfieren con la estructura celular general. En animales, se ha demostrado que las nanopartículas pueden provocar inflamación, estrés oxidativo y modificación de la distribución mitocondrial. Estos efectos dependían de la dosis y variaban según el tipo de nanopartícula.

La investigación actual indica que la biomagnificación de las nanopartículas a través de los niveles tróficos depende en gran medida del tipo de nanopartículas y biota en cuestión. Si bien existen algunos casos de bioacumulación de nanopartículas, no existe un consenso general.

Dificultades en la Medición

No existe un consenso claro sobre los posibles impactos humanos y ecológicos derivados de la exposición a los ENM. Como resultado, el desarrollo de métodos confiables para probar la evaluación de la toxicidad de ENM ha sido una alta prioridad para el uso comercial. Sin embargo, los ENM se encuentran en una variedad de condiciones que hacen que un método de prueba universal no sea viable. Actualmente, se utilizan evaluaciones tanto in vitro como in vivo, donde se observan los efectos de las NP en eventos como la apoptosis o condiciones como la viabilidad celular.

Al medir los ENM, es crucial abordar y tener en cuenta incertidumbres como las impurezas y la variabilidad biológica. En el caso de los ENM, algunas preocupaciones incluyen cambios que ocurren durante las pruebas, como la aglomeración y la interacción con sustancias en los medios de prueba, así como la forma en que los ENMS se dispersan en el medio ambiente. Por ejemplo, una investigación sobre cómo la presencia de fullerenos afectó a la lobina negra en 2004 concluyó que los fullerenos eran responsables del daño neurológico causado a los peces, mientras que estudios posteriores revelaron que esto era en realidad el resultado de subproductos resultantes de la dispersión de fullerenos en tetrahidrofurano (THF) y se observó una toxicidad mínima cuando se utilizó agua en su lugar.Afortunadamente, una mayor minuciosidad en el proceso de prueba podría ayudar a resolver estos problemas. Un método que ha resultado útil para evitar artefactos es la caracterización exhaustiva de ENMS en el laboratorio que realiza las pruebas en lugar de confiar únicamente en la información proporcionada por los fabricantes.

Además de los problemas que pueden surgir debido a las pruebas, existe controversia sobre cómo garantizar que las pruebas se realicen para condiciones ambientales relevantes, en parte debido a la dificultad de detectar y cuantificar los ENM en matrices ambientales complejas. Actualmente, no se dispone de métodos analíticos sencillos para la detección de NP en el medio ambiente, aunque se cree que el modelado por computadora es un camino potencial para avanzar. Un impulso para centrarse en el desarrollo de modelos toxicológicos imparciales acordados internacionalmente promete proporcionar un mayor consenso dentro del campo y permitir determinaciones más precisas de los ENM en el medio ambiente.

Regulación y Organizaciones

La política actual

La regulación de los nanomateriales está presente en los EE. UU. y muchos otros países a nivel mundial. La política actual está dirigida principalmente a la exposición de fabricación de NP en el medio ambiente.

Organizaciones Internacionales / Intergubernamentales

Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) - Grupo de trabajo sobre nanomateriales (WPN)

La WPN trabaja en una multitud de proyectos con el fin de mitigar las amenazas y peligros potenciales asociados con las nanopartículas. La WPN ha realizado investigaciones sobre métodos de prueba, mejoras en las evaluaciones de campo, alivio de la exposición y esfuerzos para educar a las personas y organizaciones sobre la sostenibilidad ambiental con respecto a las NP.

Organización Internacional de Normalización (ISO) - ISO/TC 229

ISO/TC 229 se centra en la estandarización de la fabricación, la nomenclatura/terminología, la instrumentación, la metodología de prueba y evaluación, y las prácticas de seguridad, salud y medio ambiente.

América del norte

En cuanto a los Estados Unidos, la FDA y OSHA se enfocan en regulaciones que previenen el daño tóxico a las personas de las NP, mientras que la EPA asume políticas ambientales para inhibir los efectos nocivos que los nanomateriales pueden tener en el planeta.

Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA)

La EPA está abordando las regulaciones a través de dos enfoques bajo la TSCA: la regla de recopilación de información sobre los NM nuevos a los antiguos y la notificación previa a la fabricación requerida para los NM novatos. La regla de recopilación requiere que las empresas que producen o importan NM le proporcionen a la EPA las propiedades químicas, las cantidades de producción/uso, los métodos de fabricación y cualquier impacto en la salud, la seguridad y el medio ambiente encontrado para cualquier nanomaterial que se utilice. Las notificaciones previas a la fabricación le brindan a la EPA una mejor gobernanza sobre la exposición a nanomateriales, las pruebas de salud, la fabricación/proceso y la seguridad de los trabajadores, y la cantidad de liberación que puede permitir que la agencia tome el control de un NM si presenta un riesgo preocupante.

Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI)

Esta iniciativa de I+D involucra a 20 departamentos y agencias independientes que se enfocan en la innovación y regulación de la nanotecnología en los Estados Unidos. Los proyectos y actividades de NNI abarcan desde la I+D hasta la política sobre medio ambiente y las normas de seguridad de los NM.

Salud y seguridad ambiental nano (NIEHS)

NIEHS se construyó a sí mismo a partir de las complicaciones que surgieron al realizar investigaciones y evaluaciones sobre nanomateriales. NIEHS se dio cuenta de la rápida adopción de NM en productos de una gran variedad de industrias y, desde entonces, la organización apoya la investigación centrada en comprender las amenazas subyacentes que los NM pueden representar para el medio ambiente y las personas.

Iniciativa de nanotecnología del Consejo de cooperación regulatoria (RCC) de Canadá y EE. UU.

Este plan de acción conjunto se construyó para que EE. UU. y Canadá protegieran y mejoraran la seguridad y los impactos ambientales de los NM sin obstaculizar el crecimiento y la inversión en NM para ambos países. El RCC supervisa a ambos países y ha mantenido las regulaciones, ha trabajado para crear nuevas regulaciones con el objetivo de alinear, asegurar la transparencia y asegurar que las oportunidades nuevas y beneficiosas en el sector de la nanotecnología se compartan con ambos países.

Europa

Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas (REACH) y Clasificación, Etiquetado y Envasado (CLP)

Los nanomateriales se definen de manera consistente en ambas legislaciones para promover la armonía en el uso de la industria. En enero de 2020, REACH enumeró requisitos explícitos para las empresas que importan o fabrican NM en los Anexos I, III, VI, VII-XI y XII. La notificación de las características/propiedades químicas, las evaluaciones de seguridad y las obligaciones de los usuarios intermedios de los NM son requisitos para la notificación a la ECHA.

Reglamento de Productos Biocidas (BPR)

El BPR tiene una regulación y requisitos de información diferentes a los establecidos en REACH y CLP. Se requieren datos y evaluaciones de riesgos para la aprobación de sustancias, se necesitan requisitos de etiquetado específicos y se debe realizar un informe sobre la sustancia que incluya el uso actual y los riesgos potenciales cada 5 años.

Asia

Foro Asia Nano (ANF)

Esta organización de red se centra en garantizar la fabricación responsable de nanomateriales que sean seguros para el medio ambiente, la economía y la población. ANF ​​apoya proyectos conjuntos con un enfoque en el apoyo al desarrollo seguro en economías emergentes y la investigación técnica. En general, la organización ayuda a promover una regulación y una política homogéneas sobre los NM en Asia.

Comité Técnico Nacional de Normalización de Nanotecnología (NSTC)

Las normas y políticas de regulación son revisadas por el NSTC. El comité técnico SAC/TC279 se enfoca en normalizar terminología, metodología, métodos de evaluación y uso de materiales en el campo. El comité desarrolla protocolos de prueba y estándares técnicos específicos para las empresas que fabrican NM. Además de esto, el NSTC agrega constantemente a su base de datos de toxicología de nanomateriales para mejorar los estándares y la regulación.

Política futura

Hay partidarios y detractores de una mayor regulación de los nanomateriales. Los partidarios de la regulación quieren que los NP sean vistos como una clase y/o tengan una política de precaución contra ellos. Los opositores creen que la regulación excesiva podría tener efectos nocivos en la economía y la libertad industrial y de los clientes. Actualmente hay múltiples políticas a considerar con el propósito de cambiar la regulación de nanomateriales.