Bezüglich möglicher ökotoxischer Wirkungen von Graphen wurden bisher hauptsächlich Studien mit Bakterien durchgeführt, wobei verschiedene Oberflächenmodifikationen des Graphens verglichen wurden. Graphene treten plättchenförmig oder als Filme mit Ausdehnungen im Mikrometer-Bereich auf. Die Ergebnisse sind dabei zum Teil sehr widersprüchlich, Graphen wird sowohl eine hemmende als auch eine wachstumsfördernde Wirkung zugeschrieben.

 

Bei Graphen handelt es sich insofern um ein besonderes Nanomaterial, als dass nur eine Dimension (von 3 insgesamt) nanoskalig ist, d.h. es handelt sich um Nano-Blätter oder Nano-Filme. In den biologischen Tests werden Graphen-Flocken eingesetzt.

 

PantoffeltierchenDie verschiedenen Oberflächenmodifikationen des Graphens weisen eine unterschiedlich starke antibakterielle Wirkung auf, wobei kleinere Plättchen deutlich toxischer als größere Graphen Plättchen sind. Außerdem reagieren verschiedene Bakterienarten unterschiedlich empfindlich auf die Graphen Plättchen [1,2,3,4]. Wahrscheinlich schädigen die scharfkantigen Graphen Blätter die Zellmembran der Bakterien durch den direkten Kontakt und können auch oxidativen Stress auslösen. Bei Leuchtbakterien vermindert Graphen die Leuchtkraft, die ein Maß für die Lebensfähigkeit der Bakterien ist [5]. Bakterien in Abwasserschlämmen zeigen nach Exposition mit Graphen eine verminderte Lebensfähigkeit, wodurch sie in ihrer Funktion, Abwässer zu reinigen, gehemmt werden [6]. Im Gegensatz dazu wurde auch verbessertes Wachstum von Bakterien in Gegenwart von Graphen Nanomaterial beschrieben [7]. Das Material wurde hier vor der experimentellen Prüfung aufwändig gereinigt, so dass möglicherweise die toxischen Effekte in anderen Studien auf Verunreinigungen aus der Graphen-Herstellung zurückzuführen sein könnten. Einige Bakterienarten sind auch in der Lage, Sauerstoff von funktionellen Gruppen auf modifizierten Graphen-Oberflächen für ihren Stoffwechsel zu nutzen, und die Oberfläche somit zu verändern [8].

Algen

Ähnlich wie bei Bakterien verursacht das scharfkantige Graphen bei Grünalgen eine Zerstörung der Zellwand, was zu irreversiblen Schäden führt [5].

 

WasserflWasserflohöhe nehmen Graphen Nanomaterialien durch Filtration des umgebenden Wassers aktiv auf, wodurch es in den Darm der Tiere gelangt. Das Graphen wird wieder ausgeschieden und verursacht keine Toxizität [9]. Auf Artemien (Salzwasserkrebse) wirkt Graphen ebenfalls nicht toxisch. Sie nehmen es jedoch wie Wasserflöhe in den Darm auf, und es treten Anzeichen für oxidativen Stress auf [5].

 

WurmDer Fadenwurm C. elegans nimmt Grahpen Flocken in den Darm auf und auch in frisch abgelegten Eiern des Wurms war Graphen nachweisbar [4]. Jedoch war keinerlei Toxizität bezogen auf Sterblichkeit, Fortpflanzung und Erbgutveränderungen feststellbar. Wurden die Würmer jedoch dauerhaft Graphen ausgesetzt, traten verlangsamte Bewegungen und eine verminderte Eiablage auf. Diese Beobachtungen wurden auf oxidativen Stress zurückgeführt [10].

 

MuschelSeepocken sind sesshafte Organismen, d.h. verändern im ausgewachsenen Zustand ihren Standort nicht. Ihre Larven sind jedoch frei beweglich und siedeln sich zu gegebener Zeit auf einem Untergrund an, wo sie sesshaft werden. Graphen verhindert bei Seepockenlarven die Anheftung an den Untergrund. Außerdem wird das Schwimmverhalten verlangsamt und die Sterblichkeit steigt an [11].

 

FischEine Studie untersuchte auch den Einfluss von unterschiedlich modifizierten Graphenen auf die Entwicklung von Zebrabärblingen [12]. Es traten bei einigen mit Graphen exponierten Embryonen Fehlbildungen auf, jedoch in geringer, nicht signifikanter Anzahl. Die Überlebensrate war nicht beeinflusst. Eine weitere Studie zeigte ähnliche Auswirkungen von Graphenen auf Zebrabärblingsembryonen. Es wurde keine erhöhte Sterblichkeit festgestellt, jedoch eine Beeinträchtigung der Herzschlags-, sowie der Schlupfrate sowie eine geringere Länge der geschlüpften Embryonen [13].

 Blume

Graphen hatte eine hemmende Wirkung auf das Wachstum von Tomaten-, Kohl- und Spinat-Keimlingen, nicht jedoch für junge Salatpflanzen [14]. Eine Exposition der Pflanzen mit Graphen löste oxidativen Stress aus.

 

 

Zusammenfassend sind Graphen Nanomaterialien für Bakterien in den meisten verfügbaren Studien toxisch, wohingegen nur eine Studie den gegenteiligen Effekt beschrieb. Auf tierische Organismen wirken Graphen Nanomaterialien nicht toxisch. Ausnahme hier sind Seepocken, deren Larven durch Graphen beeinträchtigt werden. Gab es eine Auswirkung von Graphen auf einen Organismus, so war dies zumeist bedingt durch die Entstehung von oxidativem Stress.

 

Literatur arrow down

  1. Liu, S et al. (2011), ACS Nano, 5(9): 6971-6980.
  2. Akhavan, O et al. (2010), ACS Nano, 4(10): 5731-5736.
  3. Hu, W et al. (2010), ACS Nano, 4(7): 4317-4323.
  4. Zanni, E et al. (2012), Nano Lett, 12(6): 2740-2744.
  5. Pretti C et al. (2014), Ecotox Environ Saf 101: 138-145.
  6. Ahmed F & Rodrigues DF (2013), J Hazard Mater 256-257: 33-39.
  7. Ruiz, ON et al. (2011), ACS Nano, 5(10): 8100-8107.
  8. Akhavan, O et al. (2012), Carbon, 50(5): 1853-1860.
  9. Guo X et al. (2013), Environ Sci Technol 47(21):12524-12531.
  10. Wu Q et al. (2013), Nanoscale 47(5): 6288-6296.
  11. Mesarič T et al. (2013),Chem Ecol 29(7): 643-652.
  12. Gollavelli, G et al. (2012), Biomat 33(8): 2532-2545.
  13. Liu XT et al. (2014), Biomed Environ Sci 27(9): 676-683.
  14. Begum, P et al. (2011), Carbon, 49(12): 3907-3919.

 

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