Es liegen zahlreiche Studien zur Wirkung von Kupfer- (Cu) und Kupferoxid- (CuO) Nanopartikeln auf Umweltorganismen vor. Die meisten berücksichtigen die Wirkung löslicher Kupferionen und/oder vergleichen die Effekte von nanoskaligen mit den gröberer Cu/CuO-Partikel. Einige Studien berichten von einer höheren Toxizität der Nanopartikel im Vergleich zu gelöstem ionischen Kupfer. In vielen Untersuchungen konnten jedoch keine Unterschiede in den Effekten festgestellt werden. Kupfer zählt zu den bekanntermaßen ökotoxischen Stoffen, so wurden Kupferverbindungen lange Zeit in Anstrichen für Schiffsrümpfe eingesetzt, um den Bewuchs mit Algen, Muscheln und Schnecken zu unterbinden.

 

Kupfer- und Kupferoxid-Nanopartikel wurden hinsichtlich ihrer Wirkung auf unterschiedliche Organismen mit verschiedenen Lebensräumen untersucht. CuO Nanopartikel sind toxisch für Bakterien [1,2,3]. Für die Effekte verantwortlich sind jedoch Kupferionen, die sich aus den Partikeln lösen und mit der „Schutzhülle“ der Bakterien interagieren. Sie lösen oxidativen Stress aus [2]. In Gegenwart von Substanzen, welche die Kupferionen „wegfangen“ (sogenannte Chelatoren), konnten keine toxischen Effekte beobachtet werden. Erstaunlicherweise unterschieden sich jedoch die toxischen Effekte je nach Herkunft der Ionen: aus Partikeln stammende Ionen wirken anders als die aus Kupfersalzen stammende Ionen [1]. Gröbere Partikel setzten nur sehr wenige Ionen frei und waren nicht toxisch.

 

Der Einzeller Tetrahymena reagierte auf verschiedene Kupfer-Verbindungen mit einer Veränderung der Zusammensetzung seiner Fett-Bestandteile [4]. Bei vergleichbarer Toxizität setzte nano-CuO weniger Ionen frei als Kupfersalze oder gröbere Kupferpartikel, so dass hier ein zusätzlicher Effekt durch die Nano-Form angenommen wird.

Icon WurmDie Wirkung von Cu-Nanopartikeln auf bodenbewohnende Würmer wurde getestet, indem die Partikel in den Boden gemischt wurden. Je nach Wurm-Art wurden gegensätzliche Ergebnisse erzielt. Cu-Nanopartikel wirkten hemmend auf die Fortpflanzung der Würmer, jedoch war Kupfersalz in gleichen Mengen verabreicht in einer Studie toxischer als die Partikel [5] und in einer anderen Studie weniger toxisch bzw. von gleicher Toxizität [6]. Die Wirkung von Cu-Nanopartikeln und Cu-Salzen auf die Genaktivierung der Würmer führte zu sehr verschiedenen Antwort-Mustern, was zu der Vermutung führt, dass die Cu-Nanopartikel eine spezifische Wirkung hervorrufen, die mit der der Cu-Ionen nicht vergleichbar ist [7].

 

Studien an Zebrabärblinge kommen zu demselben Schluss, hier trat zusätzlich eine Schädigung der Kiemen auf [8,9]. Cu2O-Nanopartikel waren für Zebrabärblinge weniger toxisch als Kupfersalze [10]. Karpfen zeigten eine Wachstumsverzögerung nach Exposition mit nano-CuO, ebenso wurde eine Partikelaufnahme in verschiedene Organe nachgewiesen [11].

 

CuO Nanopartikel stören die Entwicklung von Krallenfrosch-Embryonen [12]. Die Hauptaufnahme-Route war das Verschlucken der Partikel. Folglich waren Schäden im Magen-Darm-Trakt zu beobachten, welche sowohl auf die partikuläre Form als auch die Ionen zurückzuführen waren. Eine elektronenmikroskopische Studie an Wasserflöhen zeigte eine Aufnahme von CuO-Partikeln (nano und mikro) in den Darm der Tiere, jedoch wurde für beide Partikel keine Aufnahme aus dem Darm in den Körper beobachtet [13]. Wasserflöhe zeigten eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Nanopartikeln verglichen mit gröberen Partikeln oder Salzen [18,13].

 

Eine bodenbewohnende Wasserschnecke nahm mehr Kupfer aus nanoCuO im Vergleich zu gröberem CuO und Kupfersalzen auf [14]. Dementsprechend hatte nano-CuO die größten Effekte auf Wachstum, Futteraufnahme und Fortpflanzung der Tiere.

 

CuO-Partikel wirkten toxisch auf Grünalgen [18]. Um das Herauslösen von Cu-Ionen zu verhindern, wurden CuO-Partikel mit einem Polymer beschichtet. Diese Partikel wiesen jedoch eine höhere Toxizität auf. Vermutlich erhöht die Beschichtung eine Partikel-Aufnahme in die Zellen [19,20]. Ähnliche Ergebnisse wurden an Blaualgen erzielt, welche in Gegenwart von organischen Materialien mehr Partikel aufnahmen [21]. Für verschiedene Wasserorganismen (Algen, Krebse, Rotiferen) waren CuO Partikel weniger toxisch als Kupfersalze, aus den in dieser Studie verwendeten Partikeln wurde kein Herauslösen von Ionen beobachtet [22].

 

Verschiedene Pflanzenarten (Rettich, Weidelgras und Wasserlinse) waren übereinstimmend in ihrem Wachstum gehemmt [15,16,17]. In Rettich und Weidelgräsern wurden zusätzlich DNA-Schädigungen beobachtet [16]. Obwohl die Kupferaufnahme in Pflanzen höher war, wenn das Kupfer als Ion vorlag, traten nach Nanopartikel-Exposition mehr Schäden im Erbgut auf. Die Wasserlinse nahm mehr Kupfer auf, wenn es in partikulärer Form vorlag [17]. Mais-Pflanzen zeigten eine durch CuO-NP ausgelöste Wachstumsverzögerung, nicht jedoch durch Cu-Salze oder gröbere Partikel. Eine Partikelaufnahme über die Wurzel und die Verteilung in der Pflanze wurde nachgewiesen [15]. Es wurden große Unterschiede in der Empfindlichkeit der einzelnen Pflanzenarten beobachtet.

 

Zusammenfassend wirkt das in bestimmten Dosen bekanntermaßen toxische Kupfer auch in der Nano-Form toxisch. Es lässt sich aus den vorhandenen Studien keine allgemeine Aussage dazu treffen, ob die Wirkung allein auf den Ionen oder der Partikel-Form beruht. Die beobachteten Effekte sind jedoch zum Teil der Wirkung der sich herauslösenden Kupferionen zuzuschreiben, und Kupfer kann prinzipiell von vielen Organismen aufgenommen werden. Zwischen den beiden Partikelarten CuO und Cu bestehen keine auffälligen Unterschiede hinsichtlich der Wirkung auf Organismen und es gibt keine Unterschiede hinsichtlich der Löslichkeit.

 

Literatur arrow down

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