نانوذرات؛‌ قاتلان سمی ناپیدا در هوا

سال‌ها است که درمورد آلودگی هوا سخن گفته می‌شود اما ما درمورد بزرگ‌ترین مسئله زیست‌محیطی مرتبط با سلامتی دچار گمراهی شده‌ایم. برای مثال، می‌گوییم که PM2.5 (ذرات آلاینده‌ی جامد دارای قطر ۲/۵ میکرومتر یا کمتر) می‌توانند ازطریق ریه‌ها وارد جریان خون شوند اما درواقع، بیشتر آن‌ها نمی‌توانند از این طریق وارد خون شوند. همچنین به ما گفته شده است که گازهای NOx (نیتروژن‌اکسیدها و ازجمله نیتروژن‌دی‌اکسید)، بزرگ‌ترین تهدید برای سلامتی در شهرها هستند. این در حالی است که نیتروژن‌اکسیدها فقط مسئول ۱۴ درصد از مرگ‌های ناشی از آلودگی هوا در اروپا هستند.

در این میان، بزرگ‌ترین قاتل یعنی «نانوذرات» مطرح نمی‌شود، قانونی برای آن تصویب نشده است و به‌جز در برخی از محافل علمی، معمولا درمورد آن سخنی به میان نمی‌آید. اگرچه آلاینده‌های گروه PM2.5 نیز بسیار کوچک بوده و اندازه‌ی آن‌ها تقریبا ۳۰ برابر کوچک‌تر از ضخامت یک تار موی انسان است اما درمقایسه‌با یک نانوذره، وزن نسبتا سنگینی دارند.

اندازه‌ی آلاینده‌های PM2.5 معمولا چیزی حدود ۲۵۰۰ نانومتر است، درحالی‌که قاتلان اصلی، ۱۰۰ نانومتر یا کمتر هستند. مسئله این است که مقامات محلی، ذرات PM2.5 و هر ذره‌ی کوچک‌تر از آن را یکسان درنظر می‌گیرند. این بدان معنا است که اغلب گزارش‌های آن‌ها، خطرات واقعی ناشی از آلودگی هوا به‌وسیله‌ی این ذرات را کمتر از حد واقعی نشان می‌دهد.

در سال ۲۰۰۳، ساربجیت کائور، درحال به پایان رساندن دوره‌ی کارشناسی ارشد خود در کالج سلطنتی لندن بود که یکی از اساتیدش به او پیشنهاد کرد به آزمایش داپل بپیوندد (مطالعه‌ی پراکندگی آلودگی هوا و نفوذ آن به محیط محلی). کائور یک مطالعه‌ی مواجهه‌ی شخصی طراحی کرد. در این آزمایش، گروهی متشکل از ۶ نفر حسگرهای مختلف آلودگی هوا را به شکل لباسی پوشیدند و به‌مدت چهار هفته، هر روز مسیری را در مرکز لندن طی کردند.

مطالعه‌ی سال ۲۰۰۳ ساربجیت کائور نشان داد که داوطلبان در هر نقطه از زمان، درمعرض ذرات آلاینده‌ی زیادی قرار می‌گرفتند که تا ۱۳۰ هزار ذره نیز می‌رسید

کائور می‌گوید:

من انتظار سطح معینی از تنوع در تعداد ذرات را داشتم اما سطح نوسانات مرا شگفت‌زده کرد... تعداد اتومبیل‌هایی که عبور می‌کردند، تأثیر بسیار کمی روی مواجهه‌ی افراد با PM2.5، اما تأثیر عظیمی بر ذرات بسیار ریز داشت. همان‌طور که شرکت‌کنندگان مسیر را می‌پیمودند، هر زمان درمعرض حداقل ۳۶ هزار ذره قرار می‌گرفتند و تعداد ذرات به ۱۳۰ هزار نیز می‌رسید. وقتی آن‌ها همان مسیر را با دوچرخه طی می‌کردند، حداکثر و حداقل‌ها ۲۰ هزار دیگر افزایش پیدا می‌کرد.

بالاترین میانگین‌ها درون اتومبیل‌ها (ازجمله اتوبوس‌ها) ثبت شد: هرچه به منبع آلودگی یعنی اگزوز اتومبیل‌ها نزدیک‌تر باشید، تعداد کل نانوذراتی که درمعرض آن‌ها قرار می‌گیرید، بیشتر می‌شود. اختلاف بین پیاده‌رفتن در کنار جاده و قدم‌زدن از سمت ساختمان در همان مسیر (فقط چند قدم کوتاه) چنین بود: ۸۲ هزار ذره درمقابل ۶۹ هزار ذره. در این فاصله، خوانش‌های معمول PM2.5 هیچ تغییری را نشان نمی‌دادند.

حدود سال ۲۰۰۶، درست همان زمان که کائور از علم دور می‌شد و یافته‌های او تفاوتی در نحوه‌ی اندازه‌گیری مواجهه با آلودگی هوا به‌وسیله‌ی مسئولان ایجاد نکرد، یک دانشجوی دکتری دانشگاه کمبریج این پژوهش را ادامه داد. او پراشانت کومار نام داشت که در دوران کارشناسی ارشد خود در مؤسسه‌ی فناوری هند در دهلی (IIT) به مطالعه‌ی ذرات PM2.5 و PM10 پرداخته بود. وی پس از ورود به انگلستان برای دوره‌ی دکتری خود متوجه شد که در این دانشگاه پژوهشی درمورد نانوذرات و اندازه‌گیری غلظت آن‌ها در محیط‌های مختلف انجام نشده است. بنابراین، تصمیم گرفت موضوع را به‌عنوان یک چالش مطرح کند. مقالات بعدی او که از سال ۲۰۰۸ به بعد منتشر شد، کاری بنیادین روی مواجهه‌ی دربرابر نانوذرات به شمار می‌رفت و مقام استادی را برای او در دانشگاه ساری (Surrey) به‌دنبال داشت. کومار به‌خاطر می‌آورد:

نخستین مطالعه‌ای که در سال ۲۰۰۸ انجام دادم، تجزیه‌و‌تحلیلی مقدماتی و اکتشافی بود. وقتی که دود از اگزوز وسایل نقلیه خارج می‌شود، به‌صورت گاز است و سپس به شکل ذرات نانویی سرد می‌شود. این ذرات سپس شروع به جمع کردن ذرات بزرگ‌تر می‌کنند. از لوله‌ی اگروز یک اتومبیل می‌توانید حدود یک میلیون ذره در سانتی‌متر مکعب هوا بگیرید. این مقدار در جاده ۱۰۰ هزار و کنار جاده ۱۰ هزار ذره است.

مطالعات او نشان داد که تا ۹۰ درصد از تمام ذرات آلاینده‌ی موجود در جاده‌های شلوغ را نانوذرات دارای اندازه‌ی کمتر از ۱۰۰ نانومتر تشکیل می‌دهند. کومار توضیح می‌دهد:

این مشکلی برای سلامتی ما است، زیرا هرچه ذرات کوچک‌تر باشند، مساحت سطحی بیشتری دارند. درمورد ذرات آلاینده، منطقه‌ی سطحی بزرگ‌تر به‌معنای سمی‌بودن بیشتر است، زیرا آن‌ها درون بدن شما با سطوح بیشتری در تماس قرار می‌گیرند.

برای تجسم این موضوع، توپ فوتبال را با توپ گلف مقایسه کنید. یک توپ فوتبال (در آمریکای شمالی)، دارای محیط ۷۰ سانتی‌متر و مساحت حدود ۱۵۰۰ سانتی‌متر مربع است. توپ گلف که بسیار کوچک‌تر است، دارای محیط ۱۳ سانتی‌متر و مساحت ۵۴ سانتی‌متر مربع است. ازنظر حجم، می‌توان ۱۵۶ توپ گلف را در همان فضای یک توپ فوتبال جا داد، اما مساحت کلی تمام توپ‌های گلف ۸۴۵۳ سانتی‌متر مربع خواهد بود، یعنی ۶/۹ متر مربع بیشتر از توپ فوتبال. درمقیاس نانو، این تفاوت تشدید می‌شود. ابری متشکل از یک میلیاد ذره‌ی ۱۰ نانومتری، جرمی به‌اندازه‌ی یک ذره‌ی PM10 دارد، اما مساحت سطحی کلی آن‌ها یک میلیون بار بزرگ‌تر از مساحت یک ذره‌ی PM10 است و سطوح این ذرات با مواد سمی پوشانده شده است.

تصور می‌شود افراد درون اتومبیل‌، نسبت‌به دوچرخه‌سوارها یا افراد پیاده‌ی پیاده‌رو درمعرض تعداد بیشتری نانوذرات قرار می‌گیرند

یکی دیگر از مطالعات کومار درمورد میزان مواجهه‌ی کودکانی بود که با کالسکه‌ درکنار خیابان یک شهر کوچک جا‌به‌جا می‌شدند. او می‌گوید:

ما دریافتیم که هنگام انتظار برای تغییر رنگ چراغ‌های راهنمایی، میزان مواجهه زیاد می‌شود و کودکان در‌مقایسه‌با افراد بزرگ‌سال درمعرض مقدار بیشتری از این آلاینده‌ها قرار می‌گیرند. در برخی موارد، میزان مواجهه ۲۰ تا ۳۰ درصد بیشتر بود (درمقایسه‌ی ارتفاع کالسکه با قد افراد بزرگ‌سال). ازآنجاکه سیستم ایمنی کودکان هنور درحال رشد است، آن‌ها نسبت‌به تأثیرات سلامتی ناشی از این آلاینده‌ها آسیب‌پذیرتر هستند.

در همین رابطه، مطالعه‌ی سلامتی کودکان کالیفرنیا نشان داد که ظرفیت ریوی کودکانی که در فاصله‌ی نیم کیلومتری یک جاده‌ی شلوغ زندگی می‌کنند، کاهش می‌یابد.

نانوذرات همچنین می‌توانند از دیواره‌ی ریه‌ها بگذرند و وارد جریان خون شوند. این در حالی است که ذرات بزرگ‌تر PM2.5 قادر به عبور نیستند. این ذرات هنگامی که وارد جریان خون می‌شوند، موجب بروز همان التهابی می‌شوند که در ریه‌ها ایجاد می‌کنند با این تفاوت که اکنون آن‌ها می‌توانند وارد هر اندام یا شریانی از بدن شوند. تا همین اواخر مشخص نبود که اندازه‌ی ذراتی که می‌توانند از این مسیر عبور کنند، چقدر است و کدام ذرات در ریه‌ها یا مجاری هوایی فوقانی به دام می‌افتند. برای پاسخ به این سؤال، پژوهشگران دانشگاه ادینبورگ موش‌ها را در فضایی قرار دادند که نانوذرات طلا را تنفس کنند و سپس نوبت به داوطلبان انسانی رسید. بخش نهایی این پژوهش در سال ۲۰۱۷، به‌وسیله‌ی گروهی از پژوهشگران تحت هدایت دیوید نیوبای از دانشگاه دانشگاه ادینبورگ انجام شد. دکتر جن رافتیس که یکی از اعضای این گروه پژوهشی بود، می‌گوید:

ایده‌های مختلفی درمورد چگونگی نشان دادن نانوذرات موجود در هوا در خون وجود داشت و تکنیک‌های تصویربرداری مختلفی پیشنهاد شد. اما هیچ‌کدام از تکنیک‌های نمونه‌برداری چنین وضوحی نداشتند. بنابراین ما تصمیم گرفتیم که از طلا استفاده کنیم.

در این رابطه دستگاهی از کشور هلند قرض گرفته شد که برای پراکنش طلا در اندازه‌ی ۲ نانومتر، از الکترودهایی استفاده می‌کرد. ابتدا، گروه ادینبورگ کاری کردند که موش‌ها نانوذرات طلا را استنشاق کنند و سپس نوبت داوطلبان انسانی رسید. رافتیس توضیح می‌دهد:

ما از طلا استفاده کردیم زیرا می‌دانستیم خطری ندارد. از این عنصر به‌صورت بالینی استفاده می‌شود زیرا بی‌اثر است و با چیزی واکنش نمی‌دهد یا موجب بروز استرس اکسیداتیو در بدن نمی‌شود. تشخیص آن نیز، برخلاف ذرات کربن که درون اجسام کربنی بدن پنهان می‌شوند، آسان است.

نمونه خون و ادرار داوطلبان طی ۱۵ دقیقه و ۲۴ ساعت پس از استنشاق ذرات جمع‌آوری شد و ذرات طلا در این نمونه‌ها دیده شدند. پژوهشگران نقطه‌ی آستانه‌ی ۳۰ نانومتر را پیدا کردند؛ هرچیزی که از این اندازه کوچک‌تر بود، می‌توانست وارد جریان خون شود ولی ذرات بزرگ‌تر قادر به عبور از ریه‌ها و وارد شدن به جریان خون نبودند. رافتیس می‌گوید:

بدیهی است که درمورد انسان‌ها نمی‌توانستیم نمونه‌برداری بافت انجام دهیم، اما در موش‌ها این کار را انجام دادیم. بیشترین تجمع ذرات در ریه‌ها و پس از آن در کبد دیده می‌شد، زیرا کبد همان جایی است که خون ابتدا از آن عبور می‌کند. منافذ کبدی دارای اندازه‌ی ۵ نانومتر هستند، بنابراین ذرات بزرگ‌تر از آن قادر به عبور و رفتن به کلیه‌ها نیستند. تجمعاتی می‌تواند در بخش‌های دیگر بدن نیز وجود داشته باشد، زیرا اندازه‌ی منافذ در بخش‌های مختلف بدن متفاوت است.

در صورتی که نانوذرات در دیگر بخش‌های بدن انباشته شده بود، ذرات طلا در نمونه‌ی ادرار افراد شرکت‌کننده مشاهده می‌شد

نیوبای، مطالعه را ادامه داد. او این‌بار چنین فرض کرد که نانوذراتی که در شریان‌ها تجمع پیدا می‌کنند، بتوانند منجر به سکته و بیماری قلبی شوند. وی به بیمارانی که قرار بود برای حذف رسوب چربی (پلاک) از سرخرگ، تحت عمل جراحی قرار گیرند، روی آورد. اگر آن‌ها نانوذرات طلا را استنشاق می‌کردند، آیا طلا در پلاک برداشته شده در جریان جراحی در روز بعد دیده می‌شد؟ رافتیس می‌گوید:

بله، ما ذرات طلا را در پلاک پیدا کردیم. این موضوع نشان می‌دهد که ذرات آلاینده‌ی دارای این اندازه و ساختار می‌توانند طی ۲۴ ساعت پس از استنشاق وارد یک پلاک شوند. این خطری بزرگ برای بیماران مبتلا به بیماری قلبی است. زیرا آلودگی هوا چیزی است که در کل زندگی وجود دارد. ما اینجا فقط یک آزمایش انجام دادیم، اما این چیزی است که هر روز اتفاق می‌افتد.

به پلاک‌ها به‌عنوان صحنه‌ی یک تصادف ماشین فکر کنید و شریان‌ها را به‌عنوان یک جاده درنظر بگیرید؛ نانوذرات ماشین‌های زیادی هستند که پشت صحنه‌ی تصادف تجمع می‌کنند و موجب انسداد بیشتری می‌شوند. این نانوذرات همچنین می‌توانند عامل بروز تصادف باشند، چراکه مواد شیمیایی سمی که به سطوح آن‌ها چسیبده است، موجب التهاب شریان‌ها می‌شود.

براساس تخمین مطالعه‌ی بار جهانی بیماری‌ها (Global Burden of Diseases)، آلودگی هوا می‌تواند مسئول ۲۱ درصد از تمام مرگ‌های ناشی از سکته و ۲۴ درصد از مرگ‌های ناشی از بیماری ایسکمیک قلب باشد.

مدت‌ها است که این دودها به‌عنوان عاملی مرگبار درنظر گرفته می‌شوند، اما تأیید اینکه کدام اجزای آن موجب مرگ می‌شود، دشوار است. اکنون بسیاری بر این باورند که گلوله‌ی پنهان، همان نانوذرات هستند. بنابراین خوانش سطح پایینی از PM2.5، روی وب‌سایت‌های دولتی یا برنامه‌های تلفن همراه ممکن است موجب شود که به اشتباه فکر کنیم هوا پاک است، آن‌هم در شرایطی که ذرات آلاینده در هوا وجود داشته و وارد شریان‌های ما می‌شوند.

بیشتر کشورها ازجمله آمریکا و اتحادیه‌ی اروپا محدودیت‌های قانونی برای مضرترین آلاینده‌های هوایی ازجمله PM2.5، نیتروژن‌اکسیدها، کربن مونوکسید و گوگرد‌دی‌اکسید دارند اما هیچ محدودیت نظارتی برای نانوذرات وجود ندارد. چیزی که به‌طور معمول گفته می‌شود، این است که PM2.5 هر چیزی که تا ۱ نانومتر باشد را شامل می‌شود که این نظر فنی درست بوده اما همان‌طور که دیدیم، درواقع میلیون‌ها نانوذره می‌توانند وجود داشته باشند درحالی‌که خوانش‌های PM2.5 کم باشد.

تنها آیین‌نامه‌ای که در رابطه با انتشار این ذرات در اروپا وجود دارد، شامل محدودیت تعداد ذرات و اندازه‌های تا ۲۳ نانومتر است. این بدان معنا است که بیش از ۳۰ درصد از نانوذرات موجود در محیط های شهری ممکن است شامل این گروه‌بندی نشوند و سنجه‌ی مذکور تنها بخشی از نانوذرات زیر آستانه‌ی ۳۰ نانومتری مطالعه‌ی طلای ادینبورگ را در بر می‌گیرد.

ذرات کوچک‌تر درواقع مساحت سطحی بزرگ‌تری دارند؛ زیرا مقدار بیشتری از آن‌ها وجود دارد و اثر سمی‌شان نیز بیشتر است

شاید تنها خبر خوب این باشد که اگرچه تعداد ذرات ارتباط مفیدی با جرم ذرات (PM2.5) ندارد، ولی با خوانش‌های مرتبط با نیتروژن‌اکسیدها ارتباط دارد. همانند نانوذرات، بیشترین مقدار نیتروژن‌دی‌اکسید در نزدیکی منبع آن وجود دارد و سپس به‌سرعت ناپدید می‌شود. نیتروژن‌دی‌اکسید حتی با دیگر گازهای موجود در هوا واکنش داده و نانوذراتی را تشکیل می‌دهد. بنابراین مقابله با نیتروژن‌دی‌اکسید اغلب به‌عنوان شاخصی از کاهش نانوذرات است. کومار می‌گوید: «آن‌ها رابطه‌ی خوبی دارند، زیرا از یک منبع تولید می‌شوند.»

راه‌حل مبارزه با نیتروژن‌اکسیدها و نانوذرات نیز یکسان است: جایگزینی احتراق با برق. اتومبیل‌های برقی نیز گرد‌و‌غبار جاده‌ای به راه می‌اندازند اما هیچ‌گونه نانوذرات حاصل از احتراق یا نیتروژن‌اکسیدی منتشر نمی‌کنند.

باید این مسئله را نیز درنظر داشته باشیم که حمل‌و‌نقل دارای میزان انتشار گازی صفر، مانند پیاده‌روی و دوچرخه‌سواری گزینه‌های بهتری هستند. هرچه سریع‌تر چنین تغییری ایجاد شود، جان تعداد بیشتری از افراد نجات پیدا می‌کند. در همین حین، ما باید میزان این مواجهه‌ را با جداکردن فیزیکی مردم از ترافیک‌های مبتنی بر احتراق ازطریق ایجاد مسیرهای دوچرخه‌سواری مجزا و ایجاد موانع سبز (مانند درختان، پرچین‌ها و گیاهان بالارونده) بین پیاده‌روها و خیابان‌ها کاهش دهیم. رافتیس می‌گوید:

من روشن‌کردن شمع و استفاده از شومینه‌ی هیزم‌سوز در خانه‌ی خود را دوست دارم اما از انجام آن‌ها اجتناب می‌کنم.

یک دهه گذشته است، اما هنوز هم عادات کائور متاثر از انجام پژوهش مرتبط با نانوذرات است. او می‌گوید:

دوستانم به این کار من که هنگام گذشتن از کنار جاده‌ها به ساختمان‌ها می‌چسبم (تا از اتومبیل‌ها دور بمانم) می‌خندند. من کنار جاده‌ها را برای دویدن انتخاب نمی‌کنم و همیشه در پارک می‌دوم. رانندگی هم نمی‌کنم و فکر نکنم بخواهم این کار را انجام دهم مگر اینکه اتومبیل برقی باشد.

او دوچرخه‌سواری می‌کند و به‌گفته‌ی او حتی اگر در ترافیک سنگین دوچرخه‌سواری کنید، می‌توانید مواجهه با آلودگی هوا را با ورزش جبران کنید. او در پاسخ به این سؤال که آیا باید مقررات و سیاست‌های مربوط به انتشار آلاینده‌ها به سمت مواجهه با نانوذرات تغییر کند، می‌گوید:

نمی‌دانم چرا آن‌ها چنین کاری را انجام نداده‌اند. منظور من این است که شما احساس می‌کنید به‌طور مداوم درحال پژوهش و تولید داده هستید ولی کسی کاری درمورد آن انجام نمی‌دهد. احساس می‌کنم که این موضوع باید همراه‌با فناوری حرکت کند. مانتیورها کنونی PM2.5 را اندازه‌گیری می‌کنند.

درون یک شهر، میزان مواجهه‌ی روزانه‌ی ما با آلودگی هوا می‌تواند تحت‌تأثیر روش حمل‌و‌نقل و مسیری که برای عبور آن را انتخاب می‌کنیم، قرار گیرد و از فردی به فرد دیگر متفاوت باشد

اکثر شهرها یا کشورها این آلودگی را در تعداد معدودی ایستگاه‌های نظارتی اندازه‌گیری می‌کنند که تنها هوای کنار خود را آزمایش می‌کنند اما ما زندگی خود را به حالت ساکن نمی‌گذرانیم. کائور می‌گوید:

این هنوز برای من جالب است. اگر شما سیاست‌های آلودگی هوا را برای رفاه انسان‌ها ایجاد می‌کنید و توصیه‌ها براساس داده‌هایی ارائه می‌شوند که ربطی به موضوع ندارند، آیا واقعا دارید به مردم کمک می‌کنید یا اینکه حقیقتا مانع از آن می‌شوید؟