Nanomobil

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NANOMOBIL : Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser – Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre

Ziel des Vorhabens war die Erforschung der Wechselwirkung zwischen synthetischen Silber Nanopartikel (Ag-NP) und der Biosphäre, Pedosphäre und Hydrosphäre unter realitätsnahen Bedingungen. Im Vordergrund standen hierbei die Gefährdungs- und zukünftige Risikobewertung von Nanopartikeln sowie den darin lebenden Organismen und den damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt. Untersucht wurden das Verhalten und der Transport von Silber Nanopartikel in einfachen Testsystemen bis hin zu komplexen, natürlichen Bodenbiozönosen. Dabei wurden Silber Nanopartikel untersucht, die mit Tensiden oder einer Oberflächenbeschichtung stabilisiert sind, da diese die Auflösung, Transformation und die Ökotoxizität beeinflussen können.

RWTH Aachen University, Lehrstuhl Umweltbiologie und Chemodynamik

Akute und chronische Effekte von Silbernanopartikeln und Silbernitrat wurden auf verschiedene terrestrische und aquatische Organismen ermittelt. Silbernitrat führte bei Regenwürmern bei niedrigeren Konzentrationen zur Mortalität als Silbernanopartikel. Bei den Versuchen zeigten sich artabhängige Sensitivitäten: beide Substanzen, das ionische Silber und die Nanopartikel, führten bei Lumbricus terrestris bereits bei niedrigeren Konzentrationen zu Effekten als bei Eisenia fetida. Springschwänze, Folsomia candida, zeigten für unterschiedlich stabilisierte Silber Nanopartikel (es wurden Tensid- und Polymer-stabilisierte Partikel untersucht) bei ähnlichen Konzentrationen chronische Effekte in Form reduzierter Reproduktion. Die Collembole erwiesen sich zudem als sensitivster terrestrischer Organismus. Der aquatische Organismus Gammarus pulex zeigte bereits bei µg/L Konzentrationen signifikante Effekte in Bezug auf das Fraßverhalten.

Neben ökotoxikologischen Effekten wurde an dem Institut für Umweltforschung auch der Einfluss von Regenwürmern auf die Mobilität der beiden Silber Nanopartikel Arten in natürlichem Boden untersucht. Die Grabaktivität der Regenwürmer trug zu einer leicht verstärkten Tiefenverlagerung eines Teils der Nanomaterialien im Boden bei; allerdings wurden durch die Ausscheidungen der Würmer Silber Nanopartikel auch im oberen Teil des Bodens vermehrt zurückgehalten. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Beschichtung der Nanopartikel das Transportverhalten der Silber Nanopartikel beeinflusste. Insgesamt ist die Verlagerung in tiefere Bodenschichten aber sehr gering, der größte Teil der applizierten Silber Nanopartikel verbleibt in der obersten Bodenschicht.

RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie

Im Rahmen des Teilprojektes Hydrosphäre wurden Transport und Langzeitverhalten von Tensid-stabilisierten und Polymer-stabilisierten synthetischen Silbernanopartikeln in Aquifermaterial (Lockergesteinssedimenten) untersucht. Es wurde Silikat-dominiertes und Karbonat-dominiertes Aquifermaterial aufgrund der Bedeutung in der Trinkwasserversorgung betrachtet. Im Projekt wurden Säulenversuche auf der Laborskala durchgeführt.

Im Silikat-dominierten Aquifermaterial wurde einerseits der Einfluss hydraulischer und physiko-chemischer Faktoren auf den Transport und das Langzeitverhalten von Silber Nanopartikel untersucht. Maßgeblich beeinflussende Faktoren für den Transport waren der Gehalt an feinem Aquifersediment (mit Partikeln kleiner als 0.063 mm), die zeitlichen Abstände der Bewässerung, die Ionenstärke und die Zusammensetzung der Hintergrundlösung sowie die Methode der Stabilisierung der Nanopartikel. Zusätzlich wurden im Silikat-dominierten Aquifermaterial Studien zum Transport der Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikel im Beisein von Phosphor durchgeführt. Der Silber Nanopartikel Transport hängt dabei sowohl von der Anwesenheit bzw. Abwesenheit organischer Bodensubstanz (SOM) ab, als auch von der Art der Phosphorspezies (organisch oder anorganisch). Der pH-Wert und die Korngröße spielen zum Teil ebenso eine Rolle bei der Verlagerung. Im Karbonat-dominierten porösen Material (natürliches Aquifermaterial sowie künstliches Quarz-Kalziumkarbonat-Gemisch mit wechselndem Carbonatanteil) wurden der Einfluss des Carbonatanteils, der Stabilisierungsmethode sowie von SOM auf den Silber Nanopartikel Transport untersucht. Dabei wurden zum Teil erhebliche Unterschiede im Retentionsverhalten von Tensid- und Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikel festgestellt.

gaiac – Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -bewertung e.V.

Am Forschungsinstitut gaiac wurden im Rahmen des Projekts Nanomobil Langzeiteffekte von Silber Nanopartikeln auf eine natürliche Lebensgemeinschaft von Bodenorganismen untersucht. Die Experimente wurden in sogenannten terrestrischen Modellökosystemen (TME) unter Freilandbedingungen über ein Jahr durchgeführt, vergleichend mit Tensid- und Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikeln sowie mit Silbernitrat. Verschiedene Bodenorganismen zeigten kurzfristig (nach 14 d) eine signifikante Steigerung der Aktivität (Fluchtverhalten). Nach 6 Monaten waren einige Arten der Collembolen und auch der Hornmilben sowie die zugehörigen Juvenilen im Vergleich zur Kontrolle signifikant reduziert. Dabei war die Sensitivität der Collembolen gegenüber den beiden AgNP Arten unterschiedlich und sie reagierten z.T. empfindlicher auf die Silber Nanopartikel als auf Silbernitrat. Die Gemeinschaft der Regenwürmer konnte nur am Ende des Experiments untersucht werden und war ein Jahr nach Applikation nicht durch die Silber Nanopartikel beeinträchtigt.

Forschungszentrum Jülich – Institut für Bio- und Geowissenschaften

Im Rahmen des Nanomobil-Teilprojekts „Pedosphäre“ wurden Untersuchungen an oberflächenstabilisierten Silbernanopartikeln im Boden unter dem Einfluss von umweltrelevanten Wetterbedingungen wie z.B. Trockenperioden und Regenereignissen durchgeführt. Die Transport- und Depositionsergebnisse von Laborsäulenversuchen und auf größerer Skala von Lysimeter-Studien zeigten, dass Trockenperioden nach den Regenereignissen zu einer völligen Abnahme der Silber Nanopartikel Mobilität führten. Für alle Regenereignisse war der Durchbruch von Silber Nanopartikel sehr geringfügig und fast alle Silber Nanopartikel verblieben im oberen Bodenhorizont. Starkregenereignisse und natürliche Regenbedingungen wiesen jedoch eine Silber Nanopartikel Verlagerung innerhalb des Ap-Horizontes (im durch regelmäßige Bodenbearbeitung beeinflussten Teil des Ap-Horizontes) auf, welche vermutlich auf die höhere Fließgeschwindigkeit des Porenwassers und die Mobilisierung von Silber Nanopartikel –Bodenkolloid Assoziaten zurückzuführen ist. Die Ergebnisse bekräftigen die besondere Rolle der Bodenkolloide wie z.B. Tonminerale und Eisenoxide in der Retention und Remobilisierung von Silber Nanopartikeln im Boden. Damit tragen die Ergebnisse zum förderpolitischen Ziel „Neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von synthetischen Nanomaterialien auf die Umwelt (Luft, Wasser und Boden)“ bei. Insbesondere die Erkenntnisse über die Mobilität der Silber Nanopartikel bzw. ihre Akkumulation bzw. Transformation im Umweltmedium Boden sind von großer Bedeutung.

Postnova Analytics GmbH

Die Postnova Analytics GmbH entwickelte im Rahmen des Projekts Nanomobil Methoden zur Charakterisierung von Silber Nanopartikeln in komplexen Umweltmatrizes bis in den Spurenbereich. Einsatz fand hierbei die Asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung (AF4). Durch Anreicherung der Silber Nanopartikel direkt im AF4-Trennkanal, Anwendung der „Slot-Outlet-Funktion“ zur Entfernung des Silber Nanopartikel -freien Eluentenstroms sowie der Kopplung mit der nachweisstarken induktiv-gekoppelten Plasma Massenspektrometrie (ICP-MS) konnten Nachweisgrenzen für die Silber Nanopartikel Bestimmung in flüssigen Proben im sub-µg/L (ppb) Bereich realisiert werden. Einsatz fand die AF4-ICP-MS-Kopplung schließlich bei der Untersuchung des Transportverhaltens von Silber Nanopartikel in Böden.

Förderkennzeichen: BMBF - FKZ 03X0151
Laufzeit: 01.08.2014-31.07.2017 (verlängert bis 31.10.2017)

Projektleitung

LIH RWTH Aachen Logo
Prof. Dr. Rafig Azzam, Lehrstuhl für Ingenieur- und Hydrogeologie (LIH), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Projekt-Partner

LIH RWTH Aachen Logo
Lehrstuhl für Ingenieur- und Hydrogeologie (LIH), RWTH Aachen, Aachen (DE)
RWTH Aachen Umweltforschung Logo
Institut für Umweltforschung (UBC), RWTH Aachen, Aachen (DE)
GAIAC Logo
Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und Bewertung e.V. (gaiac), RWTH Aachen, Aachen (DE)
Forschungszentrum Jülich Logo
Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG): Agrosphäre (IBG-3), Forschungszentrum Jülich, Jülich (DE)
Postnova Analytics GmbH Logo
Postnova Analytics GmbH, Landsberg (DE)
Umweltbundesamt (UBA) Logo
Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau (DE)

Veröffentlichungen

2018

  • Makselon J., Siebers N., Meier F., Vereecken H., Klumpp E. (2018). Role of rain intensity and soil colloids in the retention of surfactant-stabilized silver nanoparticles in soil. Environ Pollut, 238 1027-1034.
  • Adrian Y.F., Schneidewind U., Bradford S.A., Simunek J., Fernandez-Steeger T.M., Azzam R. (2018). Transport and retention of surfactant- and polymer-stabilized engineered silver nanoparticles in silicate-dominated aquifer material. Environ Pollut, 236 195-207.

2017

  • Makselon J., Zhou D., Engelhardt I., Jacques D., Klumpp E. (2017). Experimental and Numerical Investigations of Silver Nanoparticle Transport under Variable Flow and Ionic Strength in Soil. Environ Sci Technol, 51(4): 2096-2104.

  • Institut für Bio- und Geowissenschaften, IBG-3: Agrosphäre, Forschungszentrum Jülich GmbH (2018). Nanomobil: Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser - Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre : Teilprojekt AP1: Pedosphäre : Veröffentlichung der Ergebnisse von Forschungsvorhaben im BMBF-Programm : Projektlaufzeit: 01.08.2014-31.10.2017. FKZ 03X0151B, TIB Hannover. (DOI)
  • Postnova Analytics GmbH (2018). Nanomobil: Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser - Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre : Teilprojekt Postnova Analytics GmbH : Veröffentlichung der Ergebnisse von Forschungsvorhaben im BMBF-Programm : Projektlaufzeit: 01.08.2014-31.10.2017. FKZ 03X0151C, TIB Hannover. (DOI)
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen - Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH) - Institut für Umweltforschung (UBC)
  • Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -bewertung an der RWTH Aachen e. V.

2017

  • Adrian, Y., Schneidewind, U., Azzam, R. (2017): Transport behavior of engineered silver nanoparticles in natural aquifer material. Scientific stakeholder meeting on nanomaterials in the environment, Federal Environment Agency (UBA), 10.-11. Oktober, 2017. Umweltbundesamt, Dessau-Rosslau, Deutschland.

  • Hammers-Wirtz M (2017): Investigating effects of silver nanoparticles on the soil community – An outdoor TME study. Vortrag, Scientific Stakeholder Meeting on Nanomaterials in the Environment, 10.-11. Oktober, 2017. Umweltbundesamt, Dessau-Rosslau, Deutschland.
  • Penssler E.M., Taleb S., Kathmann W., Lange J., Maes H.M., Roß-Nickoll M., Schäffer A. (2017): Engineered silver nanoparticles in the environment: an overview of ecotoxicological effects and the mobility in natural soil. Scientific Stakeholder Meeting on Nanomaterials in the Environment, 10.-11. Oktober, 2017. Umweltbundesamt, Dessau-Rosslau, Deutschland.
  • Klumpp, E (2017) Role of soil colloids for the Transport und Retention of Nanoparticles in soil. Goldschmidt Conference, Paris, 12-15.08. 2017
  • Schneidewind, U. (2017): Engineered Nanoparticles (ENPs) as Emerging Groundwater Contaminants – An Overview. IGCS Summer School 2017 -Sustainable Urban Water and Wastewater Management: India – Germany, 15.-28.07.2017, Aachen, Deutschland. (Vortrag)
  • Hammers-Wirtz M, Oellers J, Fürste A, Miller S, Peeters S, Willius N, Toschki A (2017): Investigating effects of silver nanoparticles on the soil community – An outdoor TME study. Posterpräsentation, SETAC Europe 27th Annual Meeting, 07.-11.05.2017, Brüssel, Belgien
  • Toschki A, Oellers J, Willius N, Hammers-Wirtz M (2017): A new screening approach for testing natural soil communities in the laboratory. SETAC Europe 27th Annual Meeting, 07.-11.05.2017, Brüssel, Belgien [Poster]
  • Makselon, J, Rittinghaus, R., Bläser, D. und Klumpp E. (2017) Einfluss von Regenereignissen, Trockenperioden und Bodenbearbeitung auf den Transport und das Langzeitverhalten von Silbernanopartikeln im Boden. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare, 04.-05.05.2017, Karlsruhe, Deutschland. [Poster]
  • Adrian, Y., Schneidewind, U., Azzam, R. (2017); Transportverhalten von Silbernanopartikeln in silikatischem und karbonatischem Aquifermateria. NanoCare Clustertreffen 2017 - Ergebnisse der BMBF-Projekte aus den Fördermaßnahmen NanoCare und SIINN, NanoCare Clustertreffen 2017, 04.-05.05.2017, Karlsruhe, Deutschland. (Poster)
  • Hammers-Wirtz M, Oellers J, Fürste A, Miller S, Peeters S, Willius N, Toschki A (2017): Investigating effects of silver nanoparticles on the soil community – An outdoor TME study. NanoCare Clustertreffen 2017, 04.-05.05.2017, Karlsruhe, Deutschland.
  • Penssler E.M., Taleb S., Kathmann W., Lange J., Maes H.M., Roß-Nickoll M., Schäffer A. (2017): Silbernanopartikel in der terrestrischen Umwelt – Ökotoxikologische Effekte und Transport im Boden. NanoCare-Clustermeeting, 4.-5. Mai, 2017. Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, Deutschland.
  • Penssler E.M., Kathmann W., Lange J., Roß-Nickoll M., Schäffer A., Maes H.M. (2017): Influence of earthworms on the transport and distribution of silver nanoparticles in soil. NanoImpact Conference, 12.-17. März, 2017. Konferenzzentrum Monte Verita, Schweiz.

  • Makselon, J., Zhou, D., Engelhardt, I., Jacques, D. and Klumpp E. (2017) Experimental and numerical investigations of silver nanoparticle transport under variable flow and ionic strength in soil. Final conference of the COST Action ENTER: Engineered Nanomaterials (ENMs) from wastewater treatment & stormwater to rivers; 07.-09.02.2017, Aveiro, Portugal.

2016

  • Adrian, Y. (2016). Transportverhalten synthetischer Silbernanopartikel in natürlichem Lockergesteins-Aquifermaterial. Preisverleihung der Prof. Dr. Karl-Heinrich Heitfeld Stiftung, 09.12.2016, Aachen, Deutschland. [Vortrag]Adrian, Y.F., Schneidewind, U., Azzam, R. (2016): Transportverhalten von Silbernanopartikeln in silikatischem und karbonatischem Aquifermaterial. Preisverleihung der Prof. Dr. Karl-Heinrich Heitfeld Stiftung, 09.12.2016, Aachen, Deutschland. [Poster]
  • Adrian, Y.; Schneidewind, U.; Azzam, R. (2016). Transport and fate of engineered silver nanoparticles in aquifer media. AGU Fall Meeting 2016, 12.-16.12.2016, San Francisco, USA. [Poster]
  • Makselon, J., Zhou, D., Engelhardt, I., Jacques, D. and Klumpp E. (2016) Effect of flow interruption and subsequent ionic strength reduction on silver nanoparticle transport in an undisturbed loamy sand soil. IAP: Interface against Pollution. 14.-17.09.2016, Lleida, Spanien.
  • Adrian, Y.; Roth, L.; Schneidewind, U.; Azzam, R. (2016). Effect of material composition on the transport behavior of silver nanoparticles in aquifer material. International Workshop on Engineered Nanoparticles in Environmental Systems: Fate, Transport, Effects and Analytics. 20.–21.10.2016, Landau in der Pfalz, Deutschland. [Poster]
  • Adrian, Y.; Schneidewind, U.; Fernández-Steeger, T. M.; Azzam, R. (2016). Transportverhalten von Silbernanopartikeln in silikatischem und karbonatischem Aquifermaterial. NanoCare-Clustertreffen 2016 - Ergebnisse der BMBF-Projekte aus den Fördermaßnahmen NanoCare und SIINN, 03. – 04.05.2016, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Makselon, J und Klumpp E. (2016) Einfluss der Flussunterbrechung und Ionenstärke auf den Transport von Silbernanopartikeln in einem ungestörten lehmigen Sandboden. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare, 03. – 04.05.2016, Frankfurt/Main, Deutschland.Penssler E.M., Kathmann W., Lange J., Taleb S., Roß-Nickoll M., Schäffer A., Maes H.M. (2016): Einfluss von Regenwürmern auf den Transport und die Verteilung von Silbernanopartikeln in Boden. NanoCare-Clustermeeting, 3.-4. Mai, 2016. 03. – 04.05.2016, Frankfurt/Main, Deutschland.
  • Adrian, Y.; Schneidewind, U.; Fernández-Steeger, T. M.; Azzam, R. (2016). Effect of the background solution and material composition on the transport of silver nanoparticles in saturated aquifer materials. Geophysical Research Abstracts 18. EGU General Assembly 2016, 17. – 22.04.2016, Wien, Österreich. [Poster]
  • Adrian, Y.; Schneidewind, U.; Fernández-Steeger, T. M.; Azzam, R. (2016). Transport and fate of manufactured silver nanoparticles in saturated heterogeneous natural porous media. Grundwasser - Mensch - Ökosysteme: 25. Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGGV 2016, 13.–17.04.2016, Karlsruhe, Deutschland. [Poster]

2015

  • Adrian, Y.; Fernández-Steeger, T. M.; Azzam, R. (2015). Transport of manufactures silver nanoparticles in saturated natural porous media. The Seventh Environmental Symposium of German-Arab Scientific Forum for Environmental Studies, 05. – 06.10.2015, Maskat, Sultanat Oman. [Vortrag]
  • Makselon, J, Vereecken, H. and Klumpp E. (2015) Effect of interrupted flow and ionic strength on the transport of silver nanoparticles in an undisturbed sandy soil. ICEENN: International Conference on the Environmental Effects of Nanoparticles and Nanomaterials. 06.-08.09.2015, Wien, Österreich.Penssler E.M., Kathmann W, Lange J, Ross-Nickoll M, Schäffer A, Maes HM (2015): The distribution of silver nanoparticles in soil and groundwater systems. 10th International Conference on the Environmental Effects of Nanoparticles and Nanomaterials. ICEENN 2015, 06.-08.09.2015, Wien, Österreich.
  • Adrian, Y.; Fernández-Steeger, T. M.; Azzam, R. (2015). Transport und Verhalten von Silbernanopartikeln im Grundwasser. NanoCare-Clustertreffen 2015 - Ergebnisse der BMBF-Projekte aus den Fördermaßnahmen NanoCare und SIINN, 19. – 20.05.2015, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Makselon, J und Klumpp E. (2015) Transport- und Langzeitverhalten von stabilisierten Silbernanopartikeln im ungestörten Boden. 1. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare, 19. – 20.05.2015, Frankfurt/Main, Deutschland.Meier F., Drexel R., Pfaffe T., Moldenhauer E. and Klein T. (2015): Characterization of Silber Nanopartikel down to trace levels using AF4 coupled with UV, DLS and ICP-MS. NanoCare-Clustermeeting, 19. – 20.05.2015, Frankfurt/Main, Deutschland.Penssler E.M., Kathmann W, Lange J, Ross-Nickoll M, Schäffer A, Maes HM (2015): The distribution of silver nanoparticles in soil and groundwater systems. NanoCare-Clustermeeting, 19. – 20.05.2015, Frankfurt/Main, Deutschland.
  • Hammers-Wirtz M, Toschki A (2015): Investigating effects of silver nanoparticles on the soil community - Concept of an outdoor TME study. SETAC Europe 25th Annual Meeting, 03.-05.05.2015, Barcelona, Spanien. [Poster]

2014

  • Makselon J, Penssler E.M., Liang Y, Klumpp E (2014): Effect of intermittent irrigation on the transport of Silver nanoparticles in quartz sand and an undisturbed sandy soil. INTERNANO-Nanoparticles in Soils and Waters: Fate, Transport and Effects, 11.-13. März 2014. Universität Koblenz, Landau in der Pfalz, Deutschland

  • BMBF-Projekt NanoMobil in vollem Gange. Pressemeldung des Instituts für Umweltforschung, RWTH Aachen, 01.04.2015 (bio5.rwth-aachen.de, 2015)
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