1-مقدمه

انسان همواره در محیطی مملو از گرد و غبار زندگی کرده است، محیطی که هر روزه مستقیما با گسترش فعالیت‌های انسانی (فرآیندهای صنعتی، ترافیک، بلایای طبیعی، و غیره) آلودگی آن افزایش می یابد. در طول صدها هزار سال، مبدأ گرد و غبار به طور انحصاری منابع طبیعی بودند.به طور مثال فرسایش سنگها و خاک، شن و ماسه‌ای که توسط باد حمل می‌شوند، گرد وغبار ناشی از گدازه‌های آتشفشانی، و دود ناشی از آتش‌سوزی جنگل‌ها. کشف چگونگی روشن کردن آتش، حفظ و استفاده از آن، که پس از مدت زیادی از حضور انسان بر روی زمین اتفاق افتاد، مهم‌ترین پیشرفت فنی انسان بوده وسبب شده است تا  آلودگی غیرطبیعی و انسان‌زاد را به محیط زیست معرفی نماید [1].  امروزه اتمسفر شامل مقادیر عظیمی از آلاینده‌های مشتق شده از فعالیت‌های صنعتی، تولیدات نانوفناوری [2و3]، احتراق [4]، سوزاندن ضایعات [5و6] و موتورها [7] است. گرد و غبار مولفۀ طبیعی زمین است و همواره بخشی از زندگی انسان بوده است، اما می‌تواند علت یا یکی از علل پایان آن نیز باشد [1].

مقدار نانو ذرات و ذرات بسیار ریز آزاد شده در هوا به طور مداوم در حال افزایش است. در حالیکه تا چند دهۀ پیش، کسر ابعاد نانو ذرات اتمسفری نسبتا کم بود و به بعضی مناطق صنعتی (ذوب فولاد و غیره) محدود شده بود، اما امروزه فعالیت‌های انسانی مقدار رو به افزایشی از گرد و غبار را به هوایی که ما استنشاق می‌کنیم، آزاد می‌کند. به همین دلیل، مواجهه هر روزه از یک سطح امن بالاتررفته و احتمال تعامل مضر با بدن و اندام‌های داخلی انسان افزایش یافته است. زندگی انسان اساسا بر پایۀ تبادل اکسیژن/ دی‌اکسید کربن است و گرد و غبار می‌تواند با این مکانیسم اساسی در تضاد باشد. ورود و تجمع این اجسام خارجی شرایط آغاز واکنش‌های جانبی بیولوژیک و سوء را ایجاد می‌کند. در مقایسه با گذشته، امروزه ما "نانوذرات مهندسی شده" را در مقادیر بالا تولید می‌کنیم: این "گلوله‌های جادویی" احتمالا توانایی عبور و شکست دادن همۀ موانع فیزیولوژیکی را دارند. نکته مهم آنست که تولیدات جانبی و ناخواسته در ابعاد نانو در سایر فعالیت‌های انسانی و فرایندهای صنعتی نیز دارای توانایی یکسان با مواد مهندسی شده می باشند [9و8و1].

2- نانو ذرات در اتمسفر

غلظت عددی و ترکیب شیمیایی نانوذرات اتمسفری بسیار متغیر می‌باشد. بسیاری از آنها قطرات مایع یا مواد نیمه فرار هستند اما نانوذرات جامد یا مواد با فراریت پایین نیز گستردگی زیادی دارند. بسیاری از نانو ذرات اتمسفری منشاء انسان‌زاد دارند اما در برخی مناطق نیز از منشاء طبیعی گسترش یافته اند مانند ذرات منشا گرفته از پاشش های دریایی، یا در مناطق دیگر انتشار از درختان وگیاهان. آتشفشان ها و سوختن جنگلها و مراتع نیز می‌توانند مقادیر زیادی از نانوذرات را به داخل اتمسفر منتشر نمایند [10]. فراوانی اتمسفری ذرات نانو به عنوان یک تابع از محیط زیست در شکل 1 خلاصه شده است، همانطور که در شکل مشاهده می‌شود غلظت نانوذرات به شدت تحت تاثیر شرایط محیط زیست قرار دارد و شدت انتشار بسیار وابسته به  فاصله از منابع و شرایط جوی است. به طور کلی بیشترین میزان غلظت ذرات نانو در  مناطق شهری بوده که دارای بیشترین تاثیر منفی بر سلامت انسان می باشند. مربع های بالای هر ستون بصورت شماتیک غلظت عددی ذرات را مشخص می نماید [10].

شکل 1- فراوانی اتمسفری نانوذرات در شرایط مختلف محیطی[10].

به منظور بررسی نانو ذرات در محدوده گسترده ذرات در جو، لازم است تا تفاوت های زیادی که بین تعداد ذرات، حجم، جرم  و مساحت سطح ( به عنوان تابعی از  اندازه ) ذرات وجود دارد، مورد توجه قرار داده شود. در شکل 2، طرحواره توزیع اندازه ذرات آئروسل‌ها در یک نمونه اتمسفری ایده آل بر اساس پارامترهای مختلف مانند: تعداد، جرم، حجم و مساحت سطح، همراه با مکانیسم تشکیل دهنده آنها نمایش داده شده است.

در تخصص‌های مختلف از گروه‌بندی‌های مختلف برای طبقه بندی ذرات استفاده می‌شود برای مثال سم‌شناسان معمولا ذرات را به ذرات «فوق العاده ریز، ریز، و درشت» طبقه‌بندی می‌نمایند. سازمان‌های نظارتی مانند U.S.EPA جهت معرفی مواد ذره‌ای (Particulate Matter) از واژه (PM) و اندازه آن بر حسب میکرومتر استفاده می‌نمایند مانند PM₁₀,PM_2.5,PM₁ .  

از مهمترین گروه‌بندی‌های متداول ذرات، گروه‌بندی بر اساس اندازه و حالت آنها یا مد(mode) ذرات می باشد. بر این اساس ذرات در مدهای هسته‌زایی(Nucleation)، ایتکن (Aitken)، تجمعی (Accumulation) و  مد درشت (Coarse)  طبقه بندی می شوند. ذرات تشکیل دهنده مد هسته‌زایی را ویت بای در سال1978  ذرات با قطر کوچکتر از 100 نانومتر در نظر گرفته است. این درحالیست که سینفیلد و پاندیس در سال 2006 ذرات سازنده این مد را ذرات کوچکتر از 10 نانومتر دانسته و ذرات تشکیل دهنده مد ایتکن را  بین 10 تا 100 نانومتر شناسایی نموده‌اند[11و10].

ذرات با قطر  (10 - 100nm) در مد هسته‌زایی سریعا از طریق انعقاد و چگالش رشد می یابند. ذرات در مد تجمعی با قطر (100 - 2000nm) بوده و ذرات بزرگتر از2μm  در مد درشت قرار دارند. ذرات در مد تجمعی رشد نخواهند کرد و یا به سرعت از بین نخواهند رفت لذا مسافت های بالاتری را با همان حالت در  اتمسفر طی کرده  و دارای طول عمر اتمسفری بیشتر به نسبت ذرات در مد هسته‌زایی می باشند.

روش های مختلفی وجود دارد که در آن یک نانوذره ممکن است پس از انتشار، رشد یابد مانند: چگالش و تغلیظ بر روی نانوذرات گونه‌های گازی شکل در جو و انعقاد دو یا چند نانو ذره که در آن دو یا چند نانوذره ترکیب و به یک ذره بزرگتر تبدیل می شوند. بنابراین نانوذرات ممکن است در سایر ذرات به دام افتاده ولذا از نگاه سم شناسی توصیه می شود ریسک ذرات جدید هم مورد ارزیابی قرار گیرد، سوال مهم دیگری نیز باید در بحث سمیت ذرات پاسخ داده شود که اگر ذره انبوهه شده بتوانند در شرایط خاصی بشکنند چه اتفاقی با حضور دوباره به عنوان یک نانوذره در مواجه با ارگان زنده رخ خواهد داد [11و10].

شکل 2- طرحواره توزیع اندازه ذرات آئروسل‌ها در یک نمونه اتمسفری ایده آل بر اساس پارامترهای مختلف مانند: تعداد، جرم، حجم و مساحت سطح، همراه با مکانیسم تشکیل دهنده آنها[10].

نانو ذرات آزاد شده در اتمسفر ممکن است در جو برای سالها باقی بمانند. به عبارت دیگر آنها ممکن است  درجایی دیگر تجمع یافته، تجزیه و یا برای تبدیل شدن به مواد دیگر واکنش دهند و یا وارد زنجیره غذایی شوند. این مطلب به وضوح قبلا در خصوص پلی‌کلرو‌بی‌فنیل‌ها نشان داده شده است. اگرچه استفاده از آنها در سال 1970 ممنوع بوده است اما در یک مطالعه جدید سطوح مختلفی از پلی‌کلرو‌بی‌فنیل‌ها در نمونه هوای منفعل شهری نشان داده شده است [11و12].

مطالعات کمی در خصوص انتشار نانوذرات در داخل جو به سبب استفاده از فناوری نانو و یا از منابع دیگر وجود دارد. اکثریت مطالعات انجام شده در خصوص اندازه‌گیری مقدار ذرات معلق موجود در محیط بوده که اکثرا از خودروها و یا فرآیندهای احتراق صنعتی نشات می‌گیرند و نیاز به مطالعه بیشتر در خصوص محصولات نانو فناوری می باشد. ورباآوو و همکاران به مطالعه آزاد شدن نانو ذرات در اتمسفر ناشی از کاربرد معمولی پوشش‌های سطحی تولید شده با استفاده از فن‌آوری نانو پرداخته و این مطالعه را به وسیله شبیه‌سازی فرآیند سایش و استفاده از روش‌های اندازه‌گیری آئروسل‌ها به منظور مطالعه نانوذرات منتشر شده انجام داده اند. در این مطالعه جهت نمونه‌های کنترل، از پوشش دهی‌های انجام شده بدون اضافه شدن نانوذرات و انواع مختلف پوشش و بستر استفاده شده است. نتایج نشان داده است که غلظت قابل‌توجهی از ذرات منتشر شده کوچکتر از  nm100 بوده و نانوذرات اکسید روی اضافه شده به ذرات بزرگتر در فرایند سایش آزاد می‌شوند. با این حال نویسندگان بر این باور هستند که با توجه به محدودیت روش‌های اندازه‌گیری آئروسل‌ها، به انتشار نانوذرات ناشی از سایش پوشش‌ها هنوز پاسخی داده نشده است [13].

در مطالعه دیگری کوهلر و همکاران (2008) به منظور بررسی انتشار نانوذرات به محیط زیست در استفاده از فناوری نانو، دریافتند که نانو لوله‌های کربنی (CNTs) می‌توانند به عنوان گرد و غبار به داخل اتمسفر راه یابند. انتشار نانولوله‌های کربنی در زمان دفع این محصولات، در محل‌های دفن و یا تخلیه زباله و یا در زباله سوزها با احتمال بالا رخ می دهند. این محققین پیشنهاد دادند که لازم است از یکپارچگی نانولوله‌های کربنی در محصولات اطمینان حاصل شود تا از انتشار این نوع از ذرات در تمام طول چرخه زندگی آن‌ها ممانعت شود [14]. نانو لوله‌های کربنی واکنش‌پذیری بسیار پایینی در شرایط احتراق داشته و از این رو ممکن است در کوره‌های زباله سوزی شکسته نشوند. و می‌توانند در فاز گازی باقی مانده و در جو منتشر شوند [21] لذا در بحث زباله‌سوزی محصولات نانو فناوری و نیز مدیریت پسماند آن نیز می بایست تمهیدات ویژه ای در جلوگیری از نشر ذرات نانو در اتمسفر، بخصوص در محیط‌های مسکونی صورت پذیرد.

بسیاری از مطالعات کیفیت هوا با نگاه بر ذرات شناسایی شده در کنار جاده‌های شهری، مکان‌های روستایی و یا حومه انجام شده است. اکثر آنها به تولید ذرات ناشی از  وسایل نقلیه توجه داشته و اندازه‌گیری‌ها معمولا در نزدیکی سایت‌های صنعتی صورت گرفته است که در آن سطح بالای انتشار از فرآیندهای احتراق ناشی می‌شود. این ذرات در محدوده اندازه از چند نانومتر تا 100 میکرومتر می باشند. ذرات بزرگتر کمتر بوده و بخش اصلی جرم کلی ذرات را مواد ذره ای تشکیل می‌دهند اما اکثر ذرات به لحاظ عددی در محدوده نانوذرات و یا ذرات بسیار ریز بوده، هر چند این امکان وجود دارد تا برخی از این ذرات رشد یافته و در ذرات با اندازه‌های بزرگتر به حیات خود ادامه دهند [11]. گروه کارشناسان کیفیت هوا (AQEG)  در سال 2005  در انگلستان در گزارش خود اعلام داشته است که سطوح بالاتری از نانوذرات در سایت‌های نظارت کنار جاده‌ای در طول ساعات پر رفت و آمد وجود دارد. اکثر نانوذرات یافت شده در مطالعه مداوم هشت سایت در انگلستان در محدوده  nm 30 - 20  بوده است. تولید ذرات ترافیکی با قطر  کوچکتر از 20nm  از طریق مخلوط شدن خروجی اگزوز با هوای محیط از طریق فرآیندهای هسته‌زایی و تراکم صورت می‌پذیرد. هسته‌زایی منجر به شکل‌گیری ذرات جدیدگردیده، در حالیکه چگالش و تراکم اجازه می‌دهد گونه‌های نیمه فرار اجازه چگالش روی سطح ذرات موجود را بیابند. این ذرات در نتیجه به سبب انتشار از وسایل نقلیه تشکیل می شوند و به طور مستقیم ساطع نمی‌شوند. مشاهدات انجام شده  نشان می‌دهد که سرعت باد سبب تولید یک تغییر در توزیع اندازه ذرات به سمت ذرات ریزتر گردیده اما در غلظت مواد ذره‌ای تاثیر نمی گذارد. عدم بارش باران اجازه می‌دهد تا تجمع ذرات در جو ایجاد گردیده و در نتیجه ذرات بزرگتر تشکیل شوند [15 و16].

چارون و همکاران دریافتند که ذرات با قطر کمتر از 30nm عمدتا در آب و هوای خشک، گرم و آفتابی یافت می‌شوند وذرات زیر  30nm عمدتا در یک لایه مرزی جوی و با قابلیت اختلاط بالا یافت می شوند [17].

شرایط جوی به طور قابل توجهی می تواند غلظت نانوذرات و دیگر آلاینده ها را تحت تاثیر قرار دهد. به عنوان مثال به دام‌انداختن آلاینده‌ها در سطح زمین در زیر یک لایه وارونگی است . همچنین ممکن است یک ارتباط بین دوره‌های تابش جهانی شدید و وقوع نانو ذرات کوچکتر از 20nm وجود داشته باشد [18].

نانو ذرات در جو می‌تواند با بررسی جرم ذرات و یا اندازه‌گیری غلظت عددی ذرات اندازه‌گیری شوند.  چند روش برای به دست آوردن مقادیر غلظت عددی  نانوذرات وجود دارد. برخی شامل اندازه‌گیری طیف بزرگی از اندازه ذرات و سپس محاسبه درصد بر اساس اندازه‌گیری توزیع اندازه ذرات می‌باشد. گاهی اوقات فرض درصد نانوذرات در یک نمونه از ذرات آئروسل زیرمیکرومتر می‌تواند بر اساس مطالعات قبلی انجام شده باشد. مسلما رویکرد دقیق‌تر آن است که با استفاده از یک سیستم ترکیبی طبقه‌بندی ذرات، به تعیین اندازه و شمارش ذرات در هر کلاس اقدام گردد. یک مطالعه در چهار نقطه در داخل و اطراف هلسینکی، در فنلاند، در مقایسه سطح آئروسل شهری و برون شهری به دنبال تغییرات فصلی، سرعت باد، تراکم ترافیک و درجه حرارت انجام شده است. نتایج نشان داده است که نانوذرات و یا ذرات بسیار ریز در مناطق شهری 90% از غلظت اندازه‌گیری شده و در مناطق حومه شهری سهم 80% - 70% را به خود اختصاص می‌دهند. بالاترین سطح از تعداد ذرات بسیارریز ثبت شده، تقریبا 126000 در سانتی متر مکعب در مناطق شهری و 28800 در سانتی متر مکعب در مناطق حومه می‌باشد. در مناطق حومه به طور معمول غلظت کل تعداد ذرات بین 32000 تا  3000 در سانتی متر مکعب می‌باشد. اثر ساعت شلوغی در مقادیر اندازه‌گیری شده در این مطالعه به خوبی نشان داده شده است [11و19]. یانگ و کیلر (2004) مطالعه‌ای در جنوب غربی دیترویت با استفاده از یک اسکن اندازه تحرک ذرات به بررسی غلظت تعداد ذرات بسیار ریز و توزیع اندازه پرداخته اند. غلظت ذرات در محدوده nm 430 –10 اندازه‌گیری شده است که 89٪ ذرات بسیار‌ریز بوده و غلظت متوسط بین 25000-14000 در سانتی مکعب بوده است. منابع اصلی ذرات بسیار ریز پیدا شده ناشی از احتراق سوخت‌های فسیلی و تبدیل جوی گاز به ذرات از گازهای پیش‌ساز می‌باشد [20].

3- ذرات و اثر بر سلامتی:

مطالعات اپیدمیولوژیک در سراسر جهان به طور مداوم ارتباط بین مواجهه با ذرات ریز محیطی و اثرات سوء بر سلامتی را مشخص نموده است و افزایش نرخ بیماری‌های تنفسی و قلبی عروقی‌، بستری شدن در بیمارستان و مرگ و میر قبل از بلوغ را نشان‌داده است [ 23، 22]. ذرات معمولا توسط اندازه آنها، به عنوان مثال،₁₀ PM و _2.5 PM ، به عنوان جرم ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 2.5 تا 10 میکرومتر تعریف شده است.  با این حال، به تازگی توجهات به نانو ذرات و ذرات بسیار‌ریز (UFP) با قطر کمتر از 100 نانومتر، با تعداد  بسیار زیاد و سهم کمتر در جرم  معطوف شده است [24، 25]. نانو ذرات و ذرات بسیار‌ریز (UFP) معمولا برای اهداف پژوهشی اندازه‌گیری شده و به طور موثر از کنترل‌های نظارتی و قانونی خارج می‌باشند. مطالعات نشان داده‌اند که ذرات بسیار ریز می‌توانند در برخی موارد سمی‌تر از ذرات بزرگتر [26-27] بوده و علاوه بر این، نشان داده شده است که برخی از ذرات توانایی القای التهاب و استرس اکسیداتیو [27و28] را دارند. غلظت عددی ذرات، که عمدتا ناشی از ذرات بسیار‌ریز می باشد، نسبت به غلظت جرمی ذرات احتمالا نشان دهنده بهتری از اثرات بالقوه بر سلامت می‌باشد.  UFP و نانو ذرات همچنین به دلیل کسر بالاتری از ذرات رسوب یافته در آلوئولها، مساحت سطحی بزرگ، توانایی القاء التهاب و پتانسیل بالا برای جابجا‌شدن در سیستم گردش خون، مهم هستند. یک جرم مشخص از ذرات بسیارریز (با قطر کوچکتر از 0.1 میکرومتر یا 100 نانومتر)، 10² تا10³ بار مساحت سطح بیشتری از ذرات با قطر در محدوده 0.1- 2.5 میکرومتر و حدود⁵ 10 بار مساحت سطح بیشتری از ذرات درشت (قطر بزرگتر از2.5 میکرومتر و کوچکتر از 10 میکرومتر) با همان جرم را دارند [29]. این اثر مساحت سطح به جرم ممکن است سمیت نسبی ذرات در سیستم تنفسی را بخصوص در ارتباط با راندمان رسوب‌پذیری بالاتر ذرات بسیار‌ریز در ناحیه آلوئولی تحت تاثیر قرار دهد. مطالعه افزایش تعداد مرگ و میر ناشی از استنشاق ذرات در مقیاس جهانی و در اتحادیه اروپا نشان داده است که اثرات سلامتی استنشاق ذرات به صدمات ریوی محدود نمی‌شود و مرگ و میر ناشی از ذرات شامل بیماری های قلبی عروقی و سرطان نیز می‌گردد [30].

4- نتیجه‌گیری:

مواجهه با نانوذرات موجود در هوا (<100 نانومتر) همیشه توسط انسان‌ها در مراحل تکاملی بشر تجربه شده است، اما تنها با ظهور انقلاب صنعتی بود که چنین مواجهه‌هایی به طور چشمگیر به لحاظ منابع انسان‌زاد مانند موتورهای احتراق داخلی، نیروگاه‌های برق، زباله‌سوز‌ها و بسیاری از دیگر منابع تجزیه حرارتی، افزایش یافته است. همین امر سبب گردیده تا الگوی مواجهه با آئروسل‌ها و ذرات معلق هوابرد نیز برای انسان امروزی به سرعت در حال تغییر باشد. در جو زمین انواع نانوذرات طبیعی و ساخته‌شده توسط انسان حضور دارند. نانوذرات در اتمسفر محیط روزمره ما می‌تواند بین 20،000 تا 100،000 در هر سانتیمتر مکعب وجود داشته باشد. یافته‌های به دست آمده دلالت بر نقش احتمالی نانو ذرات اتمسفری  بر سلامت انسان  و محیط زیست دارد. دانش تعیین ویژگی‌ها و مشخصات ذرات و نانو ذرات اتمسفری با توجه به اهمیت این خصوصیات در مطالعات سم‌شناسی آنها رشد قابل توجهی یافته است اما هنوز برای تصمیم‌گیری‌های نظارتی بر اساس تعداد ذرات کافی نمی باشد و لازم است تا محققین در این زمینه فعالیت نمایند تا با اندازه‌گیری دقیق ذرات اتمسفری در تعیین استانداردهای لازم در حفظ سلامتی گام  برداشته شود. ضمن آنکه مطالعات کمی در خصوص انتشار نانوذرات در داخل جو به سبب استفاده از فناوری نانو و یا از منابع دیگر وجود دارد. اکثریت مطالعات انجام شده در خصوص اندازه‌گیری مقدار ذرات معلق موجود در محیط بوده که اکثرا از خودروها و یا فرآیندهای احتراق صنعتی نشات می‌گیرند و نیاز به مطالعه بیشتر در خصوص محصولات نانو فناوری می باشد.