Töös („Ecotoxicological evaluation of synthetic nanoparticles and particulate environmental samples“) uuriti kolme aine – titaaniumdioksiidi (TiO2), tsinkoksiidi (ZnO) ja vaskoksiidi (CuO) ¬– nanoosakeste mõju bakteritele ja vees elutsevatele pisivähkidele. Kahe esimese aine nanoosakesi kasutatakse üha laiemalt päikesekaitsekreemides ja teistes kosmeetikatoodetes. Töös näidati, et nanoosakestena võib ainel organismile olla sootuks teistsugune mõju kui tavasuuruses osakestena.

Mis on nanod?

Nanoosakesteks (nanodeks) nimetatakse osakesi, mille vähemalt üks mõõde on vahemikus 1-100 nanomeetrit (nm). Inimese silma lahutusvõime on üle tuhande korra viletsam: 100 000nm ehk 0,1mm (paberilehe paksus). Kui panna kirp ja nanoosake kõrvuti, saaksime sama suuruste suhte kui kõrvutades Suurt Munamäge ja kirpu.

Nanoosakestel on imelised füüsikalis-keemilised omadused, hoopis teistsugused kui samal ainel tavasuuruses. Mida väiksem on osake, seda suurem on tema eripind: suhteliselt rohkem aatomeid paikneb osakese pinnal. Seetõttu on suurem osakese reaktiivsus ehk valmidus reageerida teiste ainetega.

Nanod võib tekke alusel jaotada kaheks: looduslikud ja inimese toodetud. Looduses tekivad nanod näiteks vulkaanipursete või metsatulekahjude käigus, aga ka viirused on nanosuuruses. Inimenegi toodab tahtmatult nanosid, näiteks tekitades auru ja suitsu süüa tehes või autoga sõites.

Nanod inimese teenistuses

Eriti põnevad on aga need nanod, mis on toodetud sihipäraselt, soovitud omadustega. Nanode tootmiseks on kaks võimalust: aatom-aatomi haaval „ehitada“ (keemiline meetod – „bottom up“) või tavasuuruses aine nanosuuruseni „lõhkuda“ (füüsikaline meetod „top-down“).

Mõnede ainete nanodes avalduvaid erakordseid omadusi kasutasid inimesed tegelikult juba aastasadu tagasi: maagilised nõud, purunematud mõõgad. Neljandal sajandil Vana-Roomas valmistatud Lycurguse Karikas, mida saab imetleda Briti Muuseumis, muudab värvi tänu klaasi hulka lisatud kulla ja hõbeda nanoosakestele. Alles hiljuti avastati Damaskuse terase saladus: süsinik-nanotorud, mis terase eriti tugevaks ja vastupidavaks tegid.

Tänapäeva võimaluste juures saab nanosid rakendada igas valdkonnas, kus kasutatakse mingit materjali: mustusthülgavad ja mittekortsuvad riided, isepuhastuvad aknad, kütusesäästlikumad mootorid. Nanosid saab nö. programmeerida: putukatõrjemürgi võib „pakendada“ nanodesse, mis „avanevad“ ja vallandavad mürgi alles putuka kõhus, vähendades niimoodi soovimatut mõju teistele organismidele.

Tavainimene puutub nanotehnoloogilistest materjalidest kõige rohkem kokku vast UV-kiirguse eest kaitsva kosmeetikaga. Kui suuremaid titaaniumdioksiidi (TiO2) või tsinkoksiidi (ZnO) osakesi sisaldav päikesekreem jätab nahale valkja kihi, siis samade ainete nanoosakesi sisaldav kreem tundub läbipaistev, sest nanod hajutavad nähtavat valgust vähem.

Nanode ohud

Loodetakse, et nanod annavad uue mõõtme nii teadusele, tööstusele kui ka meie igapäevaelule, ent nagu tavaliselt, on igal asjal ka oma varjukülg.

Kui teatud nanod on keskkonnas loomulik nähtus, siis inimese poolt eesmärgipäraselt kavandatud ja toodetud nanode mõju tervisele ja keskkonnale on veel suures osas küsimärgi all.

Nanode omadused, mis nad nii eriliseks teevad, muudavad samavõrd keeruliseks nende mõjude väljaselgitamise. Kuigi tavasuuruses aine kohta võib olla küllaldaselt infot, tuleb sama aine nanoosakeste uuringuid alustada praktiliselt algusest. Seega, nanosid tuleb käsitleda täiesti uut tüüpi ainetena, ehkki erinevus on pelgalt osakese suuruses.

Nanode bioloogiliste mõjude uuringud Eestis

Eestis tegeldakse nanoosakeste bioloogiliste mõjude uurimisega Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi (KBFI) In Vitro ja Ökotoksikoloogia Grupis dr. Anne Kahru juhtimisel. Nanode analüüsiks kasutatakse erinevaid alamaid organisme (bakterid, taimed, vähilised), kellega saab mudeldada lihtsaid toiduahelaid.

Foto 1. Suur kiivrik, kelle sooltoru on täis vaskoksiidi nanoosakeste kogumeid. Foto: Irina Blinova.

Üks töörühma katseloomi on suur kiivrik (Daphnia magna;  rahvakeeli lihtsalt vesikirp; Foto 1) - üks maailma levinumaid zooplanktoni (loomhõljumi) liike. Eestis võib teda leida pea igast tiigikesest. Suurt kiivrikut kasutatakse standardse testorganismina kemikaalide toksilisuse määramisel ja seetõttu on tema kohta kogunenud väga palju infot.

Et vesikirbud toituvad vees hõljuvatest peenosakestest, sobib nende peal hästi uurida nanode mõju elusolenditele. Vees leiduvad nanod mõjutavad vesikirpu nii väljast kui seest: kuna ta toitub ümbritsevat vett valikuta filtreerides, pole tal nanode allaneelamisest pääsu (Foto 2).

Doktoritöö aluseks olnud uuringud on muuhulgas näidanud, et näiteks vaskoksiidi (CuO)

Foto 2. Pikiläbilõige suurest kiivrikust. Sooltorus on näha vaskoksiidi nanoosakeste kogumid. Foto: Margit Heinlaan.

nanoosakesed võivad vesikirbule olla isegi 50 korda mürgisemad kui sama aine mikrosuuruses osakesed. Samalaadne tulemus on saadud ka teiste ülalnimetatud test-organismidega.

Nanoosakese kahjulik toime avaldub tihti just vahetul kontaktil organismiga. Kui bakterid ja vetikad on liiga väikesed, et nanosid alla neelata, ja saavad kahjustada üksnes välispinna kaudu, siis vesikirbule teevad palju paha näiteks soolde kogunevad nanod (Foto 3).

Ettevaatust nanotoodetega

Seni avaldatud teadustulemuste põhjal võiks ihulähedastes toodetes (nt. päikesekreemides) nanoosakeste kasutamisel üles kutsuda ettevaatusele.

Foto 3. Elektronmikroskoobi foto suure kiivriku sooltoru ristlõikest. Erinevas suuruses mustad „ringid“ on vaskoksiidi nanoosakesed. Need põhjustasid muutusi ja bakteriinfektsioone sooles. Foto: Margit Heinlaan.

Nanod tõepoolest mõjuvad organismidele teistmoodi (nii heas kui ka halvas mõttes) kui samade ainete suuremad osakesed. Et uuringutel peab arvestama kõikvõimalike kaastegurite mõju, võtab teaduslikult tõeste väidete väljaselgitamine aega. Seniks aga - parem karta kui kahetseda.

-----------------------------------------

Doktoritöö koos eestikeelse kokkuvõttega leiab: dspace.emu.ee. Töö juhendajad olid prof. Henri-Charles Dubourguier, dr. Anne Kahru (KBFI) ja prof. Kalev Sepp (EMÜ).

Töörühma esimene nanoteemaline artikkel („Toxicity of nanosized and bulk ZnO, CuO and TiO2 to bacteria Vibrio fischeri and crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus“) on Eesti teadlaste poolt 2007.–2010. aastal keskkonnateaduste, biokeemia ja molekulaarbioloogia alal avaldatud 537 ISI Web of Science teadusandmebaasis kajastunud artikli hulgas enim tsiteeritud.

KBFI In Vitro ja Ökotoksikoloogia Grupi juhile Anne Kahrule määrati 2011. aasta riigi teaduspreemia geo- ja bioteaduste alal uurimuste tsükli ”Sünteetiliste nanoosakeste ökotoksikoloogia ja toksilisuse mehhanismid” eest.