Nanoparticule de dioxid de titan în produsele alimentare și de îngrijire personală
Alex Weir
1 Școală de inginerie durabilă și mediu construit, Arizona State University, Box 5306, Tempe, AZ 85287-5306
Paul Westerhoff
1 Școală de inginerie durabilă și mediu construit, Arizona State University, Box 5306, Tempe, AZ 85287-5306
Lars Fabricius
2 Institutul pentru chimie și bioinginerie, ETH Zurich, Zurich, Elveția
3 Universitatea Norvegiană de Știință și Tehnologie (NTNU), Trondheim, Norvegia
Natalie von Goetz
2 Institutul pentru chimie și bioinginerie, ETH Zurich, Zurich, Elveția
Date asociate
Abstract
Dioxidul de titan este un aditiv obișnuit în multe produse alimentare, de îngrijire personală și în alte produse de consum utilizate de oameni, care după utilizare pot intra în sistemul de canalizare și, ulterior, pătrund în mediu ca efluent tratat deversat în apele de suprafață sau biosolizi aplicați pe terenurile agricole, incinerat deșeuri sau solide în depozitele de deșeuri. Acest studiu cuantifică cantitatea de titan în produsele alimentare obișnuite, obține estimări ale expunerii umane la (nano-) TiO2 din dietă și discută impactul fracțiunii la scară nanomedicinală a TiO2 care intră în mediu. Alimentele cu cel mai mare conținut de TiO2 au inclus bomboane, dulciuri și gume de mestecat. Dintre produsele de îngrijire personală, pastele de dinți și produsele de protecție solară selectate conțin 1% până la> 10% titan în greutate. În timp ce alte creme conțineau titan, în ciuda faptului că erau colorate în alb, majoritatea șampoanelor, deodorantelor și cremelor de ras conțineau cele mai scăzute niveluri de titan (Cuvinte cheie: nanotehnologie, nanomaterial, TiO2, expunere, soartă, transport, ape uzate, P25, E171
Introducere
Ca material în vrac, dioxidul de titan (TiO2) este utilizat în principal ca pigment datorită luminozității sale, indicelui mare de refracție și rezistenței la decolorare. Producția globală de TiO2 pentru toate utilizările este de milioane de tone pe an. Aproape 70% din totalul TiO2 produs este utilizat ca pigment în vopsele, dar este folosit și ca pigment în glazuri, emailuri, materiale plastice, hârtie, fibre, alimente, produse farmaceutice, cosmetice și paste de dinți [1]. Alte utilizări ale TiO2 includ aplicații antimicrobiene, catalizatori pentru purificarea aerului și a apei, aplicații medicale și stocarea energiei. Recent, sa acordat o atenție sporită utilizării TiO2 ca nanomaterial. În 2005, producția globală de nano-scară TiO2 a fost estimată la 2000 de tone metrice în valoare de 70 milioane dolari [2]; aproximativ 1300 de tone metrice au fost utilizate în produsele de îngrijire personală (PCP), cum ar fi produsele de protecție solară topică și produsele cosmetice. Până în 2010, producția a crescut la 5000 de tone metrice și se așteaptă să crească în continuare până cel puțin în 2025, bazându-se mai mult pe nano-dimensiunea TiO2 [3]. În consecință, multe surse de nano-scară TiO2 ar putea duce la expunerea umană și la intrarea acestui material în mediu (aer, apă sau compartimente de sol).
Materialele care conțin TiO2 sunt produse într-o gamă de dimensiuni ale particulelor primare. Multe aplicații ale TiO2 ar beneficia de dimensiuni mai mici ale particulelor primare, iar procentul de TiO2 produs în sau în apropierea domeniului nano este de așteptat să crească exponențial [4, 5]. Nanoparticulele de TiO2 sunt în general sintetizate cu o structură cristalină (anatază, rutil sau brookit, fiecare având proprietăți unice) [6]. Cea mai obișnuită procedură pentru sinteza nanoparticulelor de TiO2 utilizează hidroliza sărurilor de titan (Ti) într-o soluție acidă [7]. Utilizarea condensării chimice a vaporilor sau a nucleației din sol-gel poate controla structura, dimensiunea și forma nanoparticulelor TiO2 [8, 9]. Pentru a crește fotostabilitatea și a preveni agregarea, nanomaterialele TiO2 (particule, tuburi, fire etc.) sunt în mod obișnuit acoperite cu aluminiu, siliciu sau polimeri [10, 11].
Nanomaterialele TiO2 din alimente, produse de consum și produse de uz casnic sunt descărcate ca fecale/urină, spălate de pe suprafețe sau aruncate în canalizarea care intră în stațiile de epurare a apelor uzate (stații de epurare). Deși stațiile de epurare sunt capabile să îndepărteze majoritatea nano-scării și TiO2 de dimensiuni mai mari din canalizarea influentă, particulele de TiO2 care măsoară între 4 și 30 nm au fost încă găsite în efluentul tratat [2, 12, 13]. Aceste nanomateriale sunt apoi eliberate în apele de suprafață, unde pot interacționa cu organismele vii. Un studiu de monitorizare a nanomaterialelor TiO2 a constatat că cele mai mari concentrații în apa râului sunt direct în aval de o stație de epurare [14]. Nanomaterialele TiO2 îndepărtate din canalizare prin asocierea cu bacterii pot ajunge în continuare în mediu dacă se aplică biomasă.
Deși eliberarea nanomaterialelor TiO2 în mediu a fost demonstrată calitativ, cuantificarea cantității eliberate este dificilă. Același lucru este valabil și pentru expunerea umană, deoarece ratele de absorbție estimate pentru diferite tipuri de nanoparticule variază de la 0 la 8,5%, în funcție de tipul, dimensiunea și forma nanoparticulelor [15, 16]. Deoarece este imposibil să se determine toate sursele sau să se măsoare cantitatea de nanomateriale TiO2, emisiile sunt deseori modelate pentru a prezice mai bine impactul nanomaterialelor TiO2 asupra mediului [17].
Multe studii despre soartă și transport, precum și studii de toxicitate au folosit un nanomaterial TiO2 ușor disponibil (Evonik Degusa P25), deoarece cristalele primare sunt de 3 ori folosind aproximativ 20 ml dintr-o soluție de acid azotic 2%. Apoi, s-au adăugat 2 ml peroxid de hidrogen la fiecare pahar pentru a digera orice substanță organică rămasă. Paharul a fost încălzit pe o placă fierbinte la 180 ° C până când au rămas între 0,1 și 0,5 ml soluție. Soluția a fost evaporată și apoi diluată pentru a se asigura că concentrația maximă de HF în proba finală a fost de 2% pentru a preveni deteriorarea ICP-MS. Paharele au fost îndepărtate de pe placa fierbinte și lăsate să se răcească înainte de a fi clătite> de 3 ori cu o soluție de acid azotic 2% într-un balon volumetric de 25 ml înainte de depozitare pentru analiză. În probele goale digerate de 12 ori în diferite zile, a fost stabilită o limită minimă de detecție de 1 μg titan din TiO2 (P25). Testele de recuperare a vârfurilor utilizând câte 50 mg de P25 și E171 în probe separate ale unui produs alimentar cu conținut scăzut de titan (500 mg ciocolată) au fost digerate și analizate în triplicat. Recuperările vârfurilor au fost de 81 ± 2,7% și 87 ± 2,3% pentru P25 și, respectiv, E171, pe baza masei cântărite a TiO2 și a raportului dintre titan și oxigen.
Discriminarea mărimii TiO2 în produse
Alte metode analitice
Probele pentru microscopie electronică de scanare (SEM; Nova NanoSEM 230 FEI) au fost preparate prin zdrobirea probelor de P25 sau E171 cu un mortar și pistil înainte de a adăuga acetonă, plasarea unei picături de amestec pe un butuc metalic și evaporarea acetonei sub o lampă de căldură . Măsurătorile de împrăștiere dinamică a luminii (DLS) au fost efectuate folosind un instrument Malvern Zetasizer NanoSeries (Nano S90).
Modelarea expunerii umane
Pentru a demonstra o utilizare potențială a datelor analitice generate în acest studiu, au fost create două scenarii de expunere dietetică umană realiste, folosind datele statistice privind consumul consumatorilor din National Diet and Nutrition Survey (NDNS) din Marea Britanie pentru diferite categorii de alimente, împreună cu valorile punctuale. pentru concentrațiile măsurate de TiO2 în alimente pentru Marea Britanie (Lomer și colab., 2000) și SUA (această lucrare). Distribuția agregată a expunerii a fost calculată probabilistic prin combinarea expunerilor unice prin simulări Monte Carlo (100.000 de pași). Această procedură imită 100.000 de persoane de o vârstă specificată care consumă mai multe alimente (cu concentrații fixe de TiO2) pe baza raportului de probabilități indicat de distribuția aportului din studiul nutrițional. Ipotezele detaliate de modelare sunt rezumate în Informații suplimentare.