> Für eine Risikobewertung von Nanomaterialien von Nanopartikeln in der Umwelt sind Informationen zur Exposition, d.h. der in der Umwelt zu findenden Mengen an Nanomaterialien essentiell. Im Gegensatz zu vielen bekannten Schadstoffen können derzeit die Konzentrationen an Nanomaterialien in der Umwelt noch nicht direkt gemessen werden. Abhilfe schafft hier der Ansatz der Expositionsmodellierung, um die Umweltexposition mit synthetischen Nanomaterialien abzuschätzen.
Warum Modellierung?
Noch lassen sich mit den derzeitigen Methoden synthetische Nanomaterialien nicht direkt und nur unter hohem Aufwand in der Umwelt nachweisen. (vgl. Querschnittstext – Nanomaterialien in der Umwelt nachweisen). Aus Messungen gibt es daher (noch) keine Anhaltspunkte, wie viele synthetische Nanomaterialien heute schon in der Umwelt zu finden sind. Eine gute und robuste Alternative stellt die Expositionsmodellierung dar. Basierend auf verschiedenen Annahmen, wird die Menge an Nanomaterialien in verschiedenen Bereichen der Umwelt berechnet. Expositionsmodellierung ist bereits für viele andere Schadstoffe erfolgreich angewendet worden. Dank der Fortschritte der letzten 10 Jahre sind durch angepasste Expositionsmodelle inzwischen recht genaue Vorhersagen über die Mengen an Nanomaterialien in der Umwelt möglich [1-3, 6].
Expositionsmodelle Materialfluss-Analyse (links) und Umweltverhaltens-Modellierung (rechts). Die Materialfluss-Analyse berechnet die Freisetzung von Nanomaterialien in die Umwelt, Umweltverhaltensmodellierung beschreibt die Verteilung in der Umwelt. © Nachdruck und verändert nach Nowack B. (2017). Evaluation of environmental exposure models for engineered nanomaterials in a regulatory context. NanoImpact, 8 38-47. mit Erlaubnis von Elsevier.
Die Expositionsmodelle
Um die in einem bestimmten Bereich vorhandene Menge eines Nanomaterials (Umweltexposition) vorherzusagen, sind grundsätzlich zwei Sorten von Modellen nötig.
Mithilfe der Materialfluss-Analyse wird im ersten Schritt ermittelt, wie viele Nanomaterialien aus Produktion, Gebrauch und Entsorgung in die Umwelt gelangen. In einem zweiten Schritt werden über die Umweltverhaltens-Modellierung das weitere Verhalten und die Verteilung der Nanomaterialien innerhalb verschiedener Umweltkompartimente wie Wasser, Luft oder Boden vorhergesagt.
Die Materialflussanalyse
Die Materialflussanalyse beruht auf einer Analyse des gesamten Lebenszyklus aller Produkte, welche ein bestimmtes Nanomaterial enthalten. Der Lebenszyklus beginnt mit der Herstellung des Nanomaterials und der anschließenden Weiterverarbeitung des Nanoproduktes. Das Produkt wird für eine gewisse Zeit verwendet und dabei verbraucht (z.B. Sonnencreme) oder anschließend entsorgt. In jedem Lebenszyklusabschnitt können Nanopartikel freigesetzt werden. Die Freisetzung in die Umwelt erfolgt entweder direkt (z.B. im Meer baden, nachdem Sonnencreme aufgetragen wurde) oder über die Abwasserreinigung bzw. die Abfallentsorgung (vgl. Querschnittstexte – Nanomaterialien im Abfall & – Nanomaterialien in der Kläranlage). Die Materialflussanalyse rechnet nun alle Stoffflüsse für Nanomaterialien und die entsprechenden Nanoprodukte aus. Damit können anschließend vereinfachte Berechnungen zu den Umweltkonzentrationen in einem bestimmten Bereich (z.B. Boden) vorgenommen werden. Diese Nanomaterial-Flüsse in die Umwelt sind der Ausgangspunkt für die Umweltverhaltensmodellierung.
Die Umweltverhaltensmodellierung
Mit der Umweltverhaltensmodellierung werden der Transport, die Umwandlung und der Abbau von Nanomaterialien in der Umwelt berechnet (vgl. Grundlagen – Wie werden Nanomaterialien nach ihrer Freisetzung transportiert? & Transformation). In diese Berechnungen gehen nicht nur die Eigenschaften der Nanomaterialien ein, sondern auch deren Wechselwirkungen mit Wasser oder Boden, wie z.B. deren Löslichkeit oder Agglomeration. Dadurch lässt sich vorhersagen, ob ein Nanomaterial über weite Strecken transportiert wird oder sich schnell z.B. im Boden ablagert.
Modellierte Konzentrationen
Vorhergesagte Umweltkonzentrationen für Nanomaterialien in Wasser und Klärschlamm-behandelten Böden. Für die Klärschlamm-gedüngten Böden werden meist höhere Konzentrationen vorhergesagt, da die Nanomaterialien in der Kläranlage aus dem Wasser entfernt werden und sich im Klärschlamm absetzen. © UFZ.
Die wichtigsten Informationen für die Berechnung von Umweltkonzentrationen sind die Produktionsmenge eines Nanomaterials, der Lebenszyklus der wichtigsten Nanoprodukte, die über Abwasserbehandlung und Abfallentsorgung entfernte Menge an Nanomaterialien sowie die Menge an wiederverwendetem Nanomaterial.
Grundsätzlich haben in großen Mengen hergestellte Nanomaterialien eine höhere Umweltkonzentration als solche, die nur in geringen Mengen eingesetzt werden. Jedoch hat auch der Lebenszyklus der Nanoprodukte einen sehr starken Einfluss auf die Höhe der Freisetzung. Beispielsweise findet eine große Freisetzung aus Kosmetikprodukten statt. Dank der effizienten Entfernung der Nanomaterialien während der Abwasserbehandlung verbleiben diese zum größten Teil im Klärschlamm.
Wird dieser häufig als Dünger auf Ackerflächen verwendet, können hohe Konzentrationen an Nanomaterialien auftreten. Grundsätzlich zeigen die Berechnungen jedoch, dass ein großer Teil der Nanopartikel entweder im Abfall landet und im Anschluss deponiert oder verbrannt wird, oder in Produkten enthalten ist, die in die Wiederverwertung gelangen.
Die Abbildung zeigt schematisch die vorhergesagten Umweltkonzentrationen (PEC) für einige Nanomaterialien in Oberflächengewässern und in Klärschlamm-gedüngten Boden. Die meisten Nanopartikel kommen im Wasser nur in einer Konzentration von weniger als einem Millionstel Gramm pro Liter vor, manche wie Nanosilber sogar nur im Bereich von einem Milliardstel Gramm pro Liter Diese Werte liegen in einem Bereich, in dem auch andere Schadstoffe nachgewiesen werden. Ähnliche Berechnungen wurden für andere Umweltkompartimente wie Sedimente und Böden gemacht, auch Konzentrationen in Deponien und Klärschlamm sind berechnet worden. Im Klärschlamm-gedüngten Boden wurden für Titandioxid Nanopartikel recht hohe Konzentrationen von mehreren Milligramm pro Kilogramm Boden vorhergesagt [2-7].
Generell lassen sich über die Methode der Expositionsmodellierung die Mengen an Nanomaterialien in der Umwelt sehr gut abschätzen. Die modellierten Konzentrationen ersetzen derzeit noch gemessene Umweltkonzentrationen, die aufgrund von fehlenden analytischen Methoden nicht erhoben werden können. Modellierte Umweltkonzentrationen von Nanomaterialien sind wichtig, um Aussagen über mögliche Effekte in der Umwelt machen zu können und bilden somit die Grundlage für Umweltrisikoabschätzungen.
Literatur
- Nowack, B. (2017), NanoImpact, 8: 38-47.
- Sun, T. Y. et al. (2016), Environ. Sci. Technol. 50: 4701-4711.
- Wang, Y. et al. (2016), Sci. Total Environ. 545-546: 67-76.
- Wang, Y. et al. (2016), Nanotoxicology 10: 1545-1554.
- Mahapatra, I. et al. (2015), J. Nanobiotechnol. 13: 93.
- Sun, T. Y. et al. (2014), Environ. Pollut. 185: 69-76.
- Wigger, H. et al. (2018), Environ Sci-Nano, 5(6): 1372-1385.