Наночастинки діоксиду титану у продуктах харчування та засобах особистої гігієни
Алекс Вір
1 Школа сталого машинобудування та побудованого середовища, Університет штату Арізона, Box 5306, Темпе, AZ 85287-5306
Пол Вестергоф
1 Школа сталого машинобудування та побудованого середовища, Університет штату Арізона, Box 5306, Темпе, AZ 85287-5306
Ларс Фабріціус
2 Інститут хімічної та біоінженерії, ETH Цюріх, Цюріх, Швейцарія
3 Норвезький університет науки і технологій (NTNU), Тронхейм, Норвегія
Наталі фон Гетц
2 Інститут хімічної та біоінженерії, ETH Цюріх, Цюріх, Швейцарія
Пов’язані дані
Анотація
Двоокис титану є загальною добавкою до багатьох продуктів харчування, засобів особистої гігієни та інших споживчих товарів, що використовуються людьми, які після використання можуть потрапити в каналізацію та згодом потрапити в навколишнє середовище у вигляді очищених стоків, що скидаються у поверхневі води або біотвердих речовин, що застосовуються на сільськогосподарських землях, спалюються відходи або тверді звалища. Це дослідження кількісно визначає кількість титану в звичайних харчових продуктах, отримує оцінки впливу людини дієтичним (нано-) TiO2 та обговорює вплив наномасштабної фракції TiO2, що потрапляє в навколишнє середовище. Їжа з найбільшим вмістом TiO2 включала цукерки, солодощі та жувальні гумки. Серед засобів особистої гігієни зубні пасти та окремі сонцезахисні засоби містять від 1% до> 10% титану за вагою. Хоча деякі інші креми містять титан, незважаючи на те, що вони мають білий колір, більшість шампунів, дезодорантів та кремів для гоління містять найнижчі рівні титану (Ключові слова: нанотехнології, наноматеріали, TiO2, вплив, доля, транспорт, стічні води, P25, E171
Вступ
В якості сипучого матеріалу діоксид титану (TiO2) в основному використовується як пігмент через його яскравість, високий показник заломлення та стійкість до зміни кольору. Світове виробництво TiO2 для всіх видів використання складає мільйони тонн на рік. Близько 70% всього виробленого TiO2 використовується як пігмент у фарбах, але він також використовується як пігмент у глазурі, емалі, пластмасі, папері, волокнах, продуктах харчування, фармацевтичних препаратах, косметиці та зубних пастах [1]. Інші типи використання TiO2 включають антимікробні засоби, каталізатори для очищення повітря та води, медичні програми та накопичення енергії. Останнім часом більше уваги приділяється використанню TiO2 як наноматеріалу. У 2005 р. Загальносвітове виробництво нанорозмірного TiO2 оцінювалось у 2000 метричних тонн на суму 70 млн. Дол. США [2]; приблизно 1300 метричних тонн було використано в засобах особистої гігієни (PCP), таких як актуальні сонцезахисні креми та косметика. До 2010 року виробництво зросло до 5000 метричних тонн, і, як очікується, воно буде продовжувати збільшуватись щонайменше до 2025 року з більшою залежністю від нанорозміру TiO2 [3]. Як наслідок, багато джерел нанорозмірного TiO2 можуть призвести до потрапляння цього матеріалу в людину та потрапляння цього речовини в навколишнє середовище (повітря, вода або грунт).
Матеріали, що містять TiO2, виробляються в діапазоні первинних розмірів частинок. Багато застосувань TiO2 отримали б користь від менших розмірів первинних частинок, і відсоток TiO2, який утворюється в нанодіапазоні або поблизу нього, очікувано зросте в геометричній прогресії [4, 5]. Наночастинки TiO2 зазвичай синтезуються з кристалічною структурою (анатаз, рутил або брукіт, кожен з яких має унікальні властивості) [6]. Найбільш поширеною процедурою синтезу наночастинок TiO2 є гідроліз солей титану (Ti) у кислому розчині [7]. Застосування хімічної конденсації або зародження парів із золь-гелю дозволяє контролювати структуру, розмір та форму наночастинок TiO2 [8, 9]. Для підвищення фотостабільності та запобігання агрегації наноматеріали TiO2 (частинки, трубки, дроти тощо) зазвичай покривають алюмінієм, кремнієм або полімерами [10, 11].
Наноматеріали TiO2 у харчових продуктах, споживчих та побутових товарах скидаються у вигляді фекалій/сечі, змиваються з поверхонь або утилізуються у стічні води, які надходять на очисні споруди (ПСОВ). Хоча очисні споруди очисних споруд здатні видаляти більшість наномасштабних та великих розмірів TiO2 із стічних вод, але частинки TiO2 розміром від 4 до 30 нм все ще були знайдені в очищених стоках [2, 12, 13]. Потім ці наноматеріали потрапляють у поверхневі води, де вони можуть взаємодіяти з живими організмами. Одне дослідження, яке проводило моніторинг наноматеріалів TiO2, виявило, що найвищі концентрації у річковій воді знаходяться безпосередньо за стікою ПСОВ [14]. Наноматеріали TiO2, видалені з стічних вод через асоціацію з бактеріями, все ще можуть потрапити в навколишнє середовище, якщо біомаса застосовується на землі.
Хоча викиди наноматеріалів TiO2 у навколишнє середовище показані якісно, кількісно визначити, скільки виділяється, важко. Те саме стосується впливу людини, оскільки передбачувана швидкість поглинання різних типів наночастинок коливається від 0 до 8,5% залежно від типу, розміру та форми наночастинок [15, 16]. Оскільки неможливо визначити всі джерела або виміряти кількість наноматеріалів TiO2, викиди часто моделюються для кращого прогнозування впливу наноматеріалів TiO2 на навколишнє середовище [17].
У багатьох дослідженнях долі та транспорту, а також токсичності використовувався легкодоступний наноматеріал TiO2 (Evonik Degusa P25), оскільки первинні кристали втричі використовували приблизно 20 мл 2% розчину азотної кислоти. Потім до кожного склянки додавали 2 мл перекису водню для перетравлення залишків органіки. Склянку нагрівали на гарячій плиті при 180 ° C, поки не залишалося між 0,1 і 0,5 мл розчину. Розчин випаровували, а потім розбавляли, щоб гарантувати, що максимальна концентрація HF у кінцевій пробі становила 2%, щоб запобігти пошкодженню ICP-MS. Склянки виймали з конфорки і давали охолонути перед промиванням> 3 рази 2% розчином азотної кислоти у мірну колбу об'ємом 25 мл перед тим, як зберігати для аналізу. У порожніх зразках, перетравлених 12 разів у різні дні, було визначено мінімальну межу виявлення 1 мкг титану з TiO2 (P25). Тести на відновлення шипів із використанням 50 мг кожного з P25 та E171 в окремих зразках харчового продукту з низьким вмістом титану (500 мг шоколаду) перетравлювали та аналізували у трьох примірниках. Витрати шипів становили 81 ± 2,7% та 87 ± 2,3% для P25 та E171, відповідно, на основі зваженої маси TiO2 та співвідношення титану до кисню.
Дискримінація розміру TiO2 у продуктах
Інші аналітичні методи
Зразки для скануючої електронної мікроскопії (SEM; Nova NanoSEM 230 FEI) готували подрібненням зразків P25 або E171 ступкою перед додаванням ацетону, поміщаючи краплю суміші на металеву заглушку та випаровуючи ацетон під тепловою лампою . Вимірювання динамічного розсіяння світла (DLS) проводили за допомогою інструмента Malvern Zetasizer NanoSeries (Nano S90).
Моделювання впливу людини
Для демонстрації одного можливого використання аналітичних даних, отриманих у цьому дослідженні, було створено два реалістичні сценарії впливу дієти на людину, використовуючи статистичні дані споживання споживачів з Національного обстеження дієти та харчування (NDNS) у Великобританії для різних категорій продуктів харчування разом із бальними значеннями для вимірюваних Концентрації TiO2 у харчових продуктах для Великобританії (Lomer et al., 2000) та США (цей документ). Загальний розподіл експозиції був розрахований з імовірністю шляхом комбінування одиничних експозицій за допомогою моделювання Монте-Карло (100 000 кроків). Ця процедура імітує 100 000 особин зазначеного віку, які їдять кілька продуктів (із фіксованою концентрацією TiO2) на основі співвідношення шансів, вказаного розподілом споживання з обстеження харчування. Детальні припущення щодо моделювання узагальнені в Додатковій інформації.