Obwohl sie lediglich aus einem Kohlenstoffgerüst bestehen, gibt es bei den Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) eine Vielzahl verschiedener Strukturen: einwandige und mehrwandige Röhren, Längen und Oberflächenbeschichtung. Diese vielen Variationsmöglichkeiten erschweren den direkten Vergleich des Umweltverhaltens. Sie liegen zudem oft nicht als einzelne Röhrchen, sondern als zusammengelagerte Bündel vor. Darum können nur schwer allgemeingültige Aussagen über das Umweltverhalten dieser großen Vielfalt an CNTs getroffen werden.

 

Das Umweltverhalten der Kohlenstoff-Nanoröhrchen hängt stark von der Form und den Eigenschaften der Röhrchen ab. Sie können z.B. wasserlöslich oder wasserunlöslich sein, was ihr Verhalten in Gewässern entscheidend beeinflusst.Schematischer Überblick über die verschiedenen Struktur-Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen: einwandig (SWCNT), mehrwandig (MWCNT) und auch mögliche Oberflächen-Modifikationen. Schematischer Überblick über die verschiedenen Struktur-Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen: einwandig (SWCNT), mehrwandig (MWCNT) und auch mögliche Oberflächen-Modifikationen.

 

Unbeschichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen lösen sich kaum in Wasser und setzten sich daher schnell ab (sedimentieren). Ein verbesserte Wasserlöslichkeit und somit auch längere Verweildauer in Gewässern kann man durch Veränderung der CNT-Oberfläche erreichen, z.B. durch verschiedene Beschichtungen [3]. Gelöste organische Substanzen (z.B. Zersetzungsprodukte abgestorbener Organismen) können in Oberflächengewässern mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen stabilisieren, so dass diese nicht zum Grund des Gewässers absinken [3]. Einen gegenteiligen Effekt bewirken Kalzium-Ionen. Sie führen zu einer Zusammenballung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu größeren Bündeln, wodurch das Absinken beschleunigt wird [4].

 

Auch in Böden beeinflusst die Oberflächenbeschaffenheit der CNTs entscheidend den Verbleib. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen beispielsweise eine geringe Beweglichkeit auf, wenn ihre Wasserlöslichkeit durch eine bestimmte Beschichtung verbessert wurde. Die CNTs setzen sich dann aufgrund ihrer Faser-Form schnell ab und können sich bei einer möglichen Freisetzung im Boden kaum ausbreiten [1,2].

 

Kohlenstoff-Nanoröhrchen können ebenso wie andere bekannte Kohlenstoff-Materialien, beispielsweise Aktivkohle, sehr effektiv andere Stoffe binden und dadurch als Filter eingesetzt werden. Aufgrund dieser Eigenschaft können Kohlenstoff-Nanoröhrchen zahlreiche Umweltschadstoffe binden und anreichern [5,6,7]. Einfluss auf die Schadstoffbindung haben zum einen der Schadstoff selbst [7,8], die verfügbare freie Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhrchen [6,8] sowie der Umfang der Oberflächenmodifizierung der CNTs [9]. Ebenso kann die Bindung der Schadstoffe an die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Gegenwart von Kupfer-Ionen oder Surfactant beeinflusst werden [7,10]. Kupfer-Ionen erhöhen die Schadstoffbindung, indem sie als „Brücke" die CNTs mit dem Schadstoff verbinden. Im Gegensatz dazu besetzen die Bestandteile des Surfactants die Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhrchen, so dass kaum noch Platz für Schadstoffe bleibt. Im Vergleich zu Industrieruß werden die zu erreichenden Umwelt-Konzentrationen der CNTs als sehr gering eingeschätzt, weshalb auch nur eine geringe Schadstoffbindung durch CNTs zu erwarten ist [11].

Es gibt erste Hinweise darauf, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch bestimmte Pflanzen-Enzyme abgebaut werden können [12-14]. Reine CNTs sind vor diesen Enzymen geschützt, während Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit bestimmten Oberflächenmodifikationen (Carboxyl-Gruppen) gut abgebaut werden können.

 

Zusammengefasst ist das Verhalten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Umwelt stark abhängig von ihren Eigenschaften, wie Länge und Oberflächenbeschaffenheit. Außerdem treten die CNTs in der Umwelt mit zahlreichen anderen Stoffen in Wechselwirkung. Diese unterschiedlichen Verhaltensweisen wirken sich nachweislich auch auf die Art bzw. den Grad einer toxischen Wirkung gegenüber Umweltorganismen aus.

 

 

Literatur arrow down

  1. Jaisi, DP et al. (2009), Environ Sci Technol, 43(24): 9161-9166.
  2. Jaisi, DP et al. (2008), Environ Sci Technol, 42(22): 8317-8323.
  3. Kennedy, AJ et al. (2009), Environ Toxicol Chem, 28(9): 1930-1938.
  4. Yang, ST et al. (2011), Chemosphere, 82(4): 621-626.
  5. Yang, K et al. (2006), Environ Sci Technol, 40(6): 1855-1861.
  6. Kah, M et al. (2011), Environ Sci Technol, 45(14): 6011-6017.
  7. Yang, K et al. (2010), Environ Sci Technol, 44(2): 681-687.
  8. Apul, OG et al. (2012), Environ Toxicol Chem, 31(1): 73-78.
  9. Cho, HH et al. (2008), Environ Sci Technol, 42(8): 2899-2905.
  10. Wang, F et al. (2012), Environ Toxicol Chem, 31(1): 100-107.
  11. Koelmans, AA et al. (2009), Environ Pollut, 157(4): 1110-1116.
  12. Allen, BL et al. (2008), Nano Lett, 8(11): 3899-3903.
  13. Zhao, Y et al. (2011), J Phys Chem A, 115(34): 9536-9544.
  14. Allen, BL et al. (2009), J Am Chem Soc, 131(47): 17194-17205.
  15. Jackson, P et al. (2013), Chem Cent J, 7(1): 154.
  16. Kennedy, AJ et al. (2008), Environ Toxicol Chem, 27(9): 1932-1941.

 

 

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