Исследовательская группа под руководством Джеймса Паркина и Мэттью Локхэма из Саутгемптонского университета опубликовала в журнале Particle and Fibre Toxicology результаты тестирования автомобильной пыли на клетках человеческих легких. Ученые сравнили действие твердых частиц от четырех типов тормозных колодок и выхлопа дизельного двигателя. Внимание токсикологов сместилось с выхлопных труб на колесные арки: современные сажевые фильтры снизили долю выхлопов в воздухе, но износ тормозов, шин и асфальта остался без строгого контроля. На истирание тормозных накладок сегодня приходится до 55% массы всех невыхлопных автомобильных выбросов в европейских странах.
В воздухе над крупными трассами преобладают частицы диаметром менее 2,5 микрометра. При вдохе эта пыль не задерживается в носоглотке, а проникает в альвеолы — микроскопические пузырьки, где кровь насыщается кислородом. Главную опасность представляют органические безасбестовые колодки (NAO) и керамические составы. После запрета токсичного асбеста производители начали добавлять в фрикционную смесь медную стружку для отвода тепла при трении. По данным инвентаризации выбросов Великобритании, истирание тормозов и покрышек обеспечивает 47% всей меди, взвешенной в городском воздухе. По оценкам авторов, переход на тяжелые электромобили увеличивает массу таких частиц из-за возросшего веса машин с батареями.
Как металл обманывает клеточные датчики
Лабораторный химический анализ выявил резкую разницу в составе образцов: частицы от колодок NAO и керамики содержали в 16 раз больше меди, чем низкометаллические накладки, в 68 раз больше, чем полуметаллические смеси, и в 300 раз больше, чем дизельная сажа. Исследователи нанесли эти частицы на альвеолярные клетки второго типа, отвечающие за восстановление поврежденных тканей дыхательной системы. Медь беспрепятственно накапливалась внутри клеток пропорционально дозе пыли, не встречая естественного барьера.
Избыток ионов меди в цитоплазме запускает химическую реакцию с образованием свободных радикалов. Эти агрессивные молекулы блокируют работу регуляторного фермента FIH, выполняющего роль молекулярного датчика кислорода. В нормальном состоянии этот фермент не дает клетке запускать аварийные протоколы, если дыхание не нарушено. Когда свободные радикалы выводят датчик из строя, стабилизируется белок-переключатель HIF-1a. Клетка воспринимает происходящее как критическое удушье, хотя вокруг достаточно кислорода. Подобное ложное кислородное голодание заставляет клетку бросать все ресурсы на выживание.
Метаболический анализ на приборе Seahorse показал смену режима энергоснабжения эпителия. Клетки перешли с эффективного дыхания в митохондриях на экстренное бескислородное расщепление сахара — гликолиз. В таком режиме обычно функционируют очаги злокачественных опухолей. Одновременно клетки начали вырабатывать избыточные дозы сигнальных белков воспаления — интерлейкина-6 и интерлейкина-8. Когда исследователи добавили химическое вещество TEPA, связывающее и нейтрализующее ионы меди, повреждения прекратились, а воспалительный сигнал снизился до нормы. Добавление нейтрализаторов железа или цинка такого эффекта не дало.
Ограничения эксперимента и пути замены материалов
Эксперимент проводился на плоской культуре изолированных клеток в жидкой питательной среде. В живом организме альвеолы контактируют с воздухом, покрыты тонким слоем защитного сурфактанта толщиной 0,05 микрометра и поддерживаются иммунными макрофагами. Дозировка пыли в опыте составила 8 микрограммов на квадратный сантиметр поверхности. Человек не вдыхает такую дозу одномоментно за сутки: этот объем моделирует хроническое накопление металлов в альвеолах за месяцы регулярных поездок вдоль загруженных магистралей. Авторы сосредоточились только на металлах и не оценивали воздействие органических смол и углеводородов, входящих в состав связующих клеев колодок.
Стандарт Евро-7 впервые установит лимиты на массу тормозной пыли: целевой показатель составит 7 миллиграммов на километр пробега для легкового автомобиля с перспективой снижения до 3 миллиграммов. Этот норматив контролирует исключительно общий вес отсеянных частиц, оставляя без внимания их элементный состав. В штатах Калифорния и Вашингтон уже действуют законы, запрещающие применение меди в тормозных накладках выше 0,5% от массы детали для защиты речной фауны. Трибологические тесты показывают, что частицы нержавеющей стали заменяют медные волокна в составе накладок без потери эффективности торможения и снижают скорость механического износа диска.
