Project

nanoGRAVUR

nanoGRAVUR – Nanostrukturierte Materialien – Gruppierung hinsichtlich Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutz und Risikominimierung

Die Nanotechnologie eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Industriebereichen (u.a. chemische Industrie, Elektrotechnik, Medizintechnik). Die Herausforderung liegt dabei in der optimalen Nutzung der Potenziale dieser z.T. neuen Technologien und zugleich in einem verantwortungsvollen Umgang.

Schema zur Ableitung von Kriterienkatalogen (K) für die verschiedenen Schutzgüter ausgehend von den risikobestimmenden Faktoren Nanomaterialeigenschaften (N), Freisetzung/Exposition (E) und Gefährdungspotential (H und Ö).

Bei der Vielfalt existierender synthetischer Nanomaterialien, die mitunter seit Jahrzehnten in allgegenwertigen Produkten eingesetzt werden und die zudem auch in zahlreichen Modifikationen (Unterschiede in der Größe, Form, chemischer Zusammensetzung und Oberflächenfunktionalisierung) existieren können, ist der Aufwand zur Untersuchung von Effekten und Verhalten im Rahmen regulatorischer Anforderungen enorm. Bei der Variabilität der möglichen Wirkungen ist es zudem unmöglich, das potentielle Risiko für jedes Nanomaterial im Einzelfall zu prüfen.

Aufgrund dieses komplexen Bildes des heutigen Wissensstandes über die Gefährdung der Schutzgüter durch Nanomaterialien ist es ein zentrales Ziel von nanoGRAVUR, Kriterienkataloge für eine Gruppierung der Nanomaterialien in Hinblick auf Exposition-, Gefährdungs- und Risikopotenziale zu entwickeln. Der Ansatz von Gruppierungen, der bisher nur in speziellen Fällen (u.a. Fasern) verwendet wird, kann u.a. in Bereichen wie der Arbeitsplatzsicherheit, Produktkennzeichnung und Regulierung verwendet werden, wo zurzeit noch auf der Basis von Einzelfallstudien gehandelt werden muss.

Projekt-Webseite: www.iuta.de/nanogravur/

DENANA

DENANA –Designkriterien fürNachhaltigeNanomaterialien

Ziel von DENANA war, unter anderem, die Ableitung von Designkriterien und die Prüfung der Nutzbarkeit der in DENANA generierten Daten für die Gefährdungs- und Risikoabschätzung von Nanomaterialen. Die Nanomaterialien Siliziumdioxid, (SiO₂), Cerdioxid (CeO₂) und Silber (Ag) wurden aufgrund ihrer Marktrelevanz durch ihren Einsatz in Schmierstoffen, Abgaskatalysatoren, Medizinprodukten oder Poliermitteln und einer potentiellen Umweltexposition ausgewählt. Zur Differenzierung des Potentials der Nanomaterialeigenschaften, entscheidend Einfluss auf ein bestimmtes Umweltverhalten oder eine Umweltwirkung zu nehmen und somit als mögliche Designkriterien zu fungieren, wurden verschiedene Variationen dieser Nanomaterialien hergestellt und in unterschiedlichsten Verhaltens- und Effektuntersuchungen berücksichtigt.

In DENANA wurden Europium- und Palladium-dotierte CeO₂-NM und funktionalisierte SiO₂-NM hergestellt und umfassend hinsichtlich ihres toxischen Potentials in Wasser und Boden untersucht. Die Entwicklungsarbeiten an den SiO₂-NM dienten dabei ihrem Einsatz zur Optimierung von Schmierstoffen. Neben der ökotoxikologischen Wirkung von Nanomaterialen wurden Fragen zum Verhalten der Nanomaterialen in Böden und Sedimenten, insbesondere Mobilität und Transport, betrachtet.

Aussagen zur Relevanz der geprüften Unterschiede in den physikalisch-chemischen Eigenschaften der untersuchten Nanomaterialen im Hinblick auf die ökotoxikologische Wirkung konnten in DENANA nur eingeschränkt getroffen werden, da deutliche Effekte bzw. deutliche Unterschiede von Effekten und Verhalten zwischen den verschiedenen Nanomaterialen in den Untersuchungen ausblieben. Dies erschwerte konkrete Aussagen zu einzelnen physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihrer Relevanz als Designkriterien für eine umweltverträgliche nanotechnologische Anwendung.

Auf Grundlage der in DENANA generierten Daten sind aber qualitative Aussagen zu der Eignung der verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften als relevante Designkriterien für Anwendungen mit den drei untersuchten Nanomaterialen möglich. Es wurden folgende Parameter als unmittelbar relevant identifiziert: Kern-Material, Ionentoxizität, Löslichkeit und Zetapotential. Zur Eignung von Primärpartikelgröße und ROS-Bildungspotenzial als Designkriterien für Nanomaterialen können auf Grundlage der DENANA-Daten keine Aussagen getroffen werden. Zusätzlich sollte das Agglomerationsverhalten unter Umweltbedingungen für Anwendungsszenarien berücksichtigt werden.

Aus dem ökotoxikologischen Verhalten resultieren weitere Eigenschaften, die als kritisch für ein umweltrelevant unbedenkliches Design betrachtet werden müssen: Bei den Ag-NM ergab sich über drei Jahre unter Freilandbedingungen eine kontinuierlich negative Wirkung auf die untersuchten Bodenmikroorganismen (Ammonium-oxidierende Mikroorganismen mit Substrat induzierter Atmung). Auch eine Sulfidierung der Ag-NM führte zu keiner Detoxifizierung. Bei weiteren Klärschlammaufbringungen muss somit von einer Akkumulation des jeweiligen Stoffs und im Fall von Silber einer deutlichen Steigerung der Toxizität auf die Bodenmikroorganismen ausgegangen werden. Diese Beeinträchtigung lässt sich auch vorab in Kurzzeit-Labortests zeigen, die somit als Frühwarnindikatoren für toxische, lösliche Nanomaterialen wie Ag-NM dienen können.

Aquatische Testsysteme zeigten die entscheidende Bedeutung chronischer Testsysteme (Algenwachstum; Daphnien Reproduktion) in der Untersuchung der Nanomaterialen. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass die bei chronischen Tests beobachtete Aquatoxizität durch Agglomeration der untersuchten Nanomaterialen hervorgerufen wird, welche mechanische/physikalische Effekte wie Trübung oder Anlagerung an die Testspezies, aber auch Mangelernährung, auslöst. Eine Aufnahme der Nanomaterialen in Pflanzenwurzeln wurde für Ag-NM und CeO₂-NM nachgewiesen.

Arbeiten zum Verhalten der Nanomaterialen im Boden zeigten, dass unterschiedliche Stabilisierungsmechanismen der Ag-NM und Bodeneigenschaften zu unterschiedlicher Mobilität in Umweltmedien führen. Weiter zeigten die Ergebnisse, dass Formulierungen und Dispersionshilfen die Toxizität der Nanomaterialen beeinflussen bzw. bei nicht-toxischen SiO₂-NM sogar erst hervorrufen können.

NanoUmwelt

NanoUmwelt – Risikoanalyse synthetischer Nanomaterialien in der Umwelt: Identifizierung, Quantifizierung und Untersuchung der human- und ökotoxikologischen Effekte

Ziel des Verbundprojekts NanoUmwelt war es, den Eintrag synthetischer Nanomaterialien wie z.B. Silber, Titandioxid und Polystyrol in unterschiedlichen Umweltkompartimenten zu quantifizieren, deren Erscheinungsform zu charakterisieren und mittels neuer Technologien und aussagekräftiger Analysen fundierte Aussagen über die öko- und humantoxikologischen Wirkungen dieser Nanomaterialien zu gewinnen. Die generierten Daten sollen als Basis für eine realistische Risikoabschätzung der Nanomaterialien sowie für die Erarbeitung entsprechender Empfehlungen für neue Regulierungen zum Schutz von Menschen und Umwelt dienen.

NanoUmwelt Projektplan

Vor diesem Hintergrund befasste sich NanoUmwelt mit drei unterschiedlichen Aufgabenstellungen:

1. 1. Detektion und Quantifizierung kleinster Nanomaterial-Mengen in Umwelt- und Humanproben
   2. in vitro Untersuchung der Öko- und Humantoxizität im Niedrigdosis-Bereich
   3. standardisierten, reproduzierbaren Nanopartikel Synthese

Die wichtigsten Entwicklungen aus dem Projekt NanoUmwelt sind:

• Entwicklung eines standardisierten Probenvorbereitungsprotokolls für die Analytik synthetischer Nanomaterialien in komplexen Human- und Umweltproben wie Humanblut, Fisch und Muscheln
• Entwicklung leistungsfähiger Analysemethoden auf Basis der Transmissionselektronen-mikroskopie (TEM), Immunoassays (ABICAP) und Asymmetrischer Fluss-Feldflussfraktionierung (AF4) zur Quantifizierung und Charakterisierung synthetischer Nanomaterialien in komplexen Human- und Umweltproben bis in den Ultraspurenbereich (<µg/L)
• Etablierung neuer In vitro– und Ex vivo-Modelle zur Untersuchung humantoxikologischer Effekte von Nanomaterialien. Hierbei wurden folgende Bewertungsparameter herangezogen: Kardiotoxizität, Immunreaktion, Differenzierungspotenzial, Transport über biologische Barrieren
• Etablierung neuer Modellsysteme zur Untersuchung ökotoxikologischer Effekte von Nanomaterialien

Die wichtigsten, aus NanoUmwelt gewonnenen Erkenntnisse sind:

• Die Konzentrationen an synthetischen Nanomaterialien in den untersuchten Realproben lagen unterhalb den Bestimmungsgrenzen der in NanoUmwelt entwickelten Analysemethoden
• Eine langzeitige Exposition von Silber- (AgPure) und Polystyrol-Nanopartikeln im Boden hat signifikante Auswirkungen auf die Bodenmikrobiota und die Funktionsvielfalt der Bodenzönose (https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.04.013; https://doi.org/10.1186/s12302-018-0140-6)
• Die Aufnahme von Polystyrol-Nanopartikeln in humane Zellen konnte beobachtet werden, allerdings wird im Niedrigdosenbereich die Zellfunktionalität nicht beeinflusst
• Eine abschließende Beurteilung der Barrieregängigkeit (Darm, Plazenta) von Nanomaterialien ist mit denen im Rahmen von NanoUmwelt gewonnenen Erkenntnissen noch nicht möglich
• Modellsysteme der intestinalen Barriere oder der Plazentabarriere stellen sehr gute Modelle zur Untersuchung des Transports von Nanomaterialien in den Organismus dar. Die Wahl des Modells (2D-in vitro, 3D-in vitro oder ex vivo) ist entscheidend hinsichtlich der Studienergebnisse. Es konnte gezeigt werden, dass NP 2D-in vitro, 3D-in vitro oder ex vivo teilweise unterschiedliche Effekte auslösen. Somit ist die Wahl des geeigneten Modellsystems ein sehr entscheidender und kritischer Punkt in der Humantoxikologie

InhalT-90

InhalT-90: 90-Tage Inhalationstest mit CeO₂ bei der Ratte und anschließender Analyse von Genexpressions-profilen zur frühen Erkennung toxischer/kanzerogener Wirkungen

Die technisch vielseitig (Chemie, Medizin, Umwelt, Energie) anwendbaren synthetischen Nanopartikel haben in den letzten 10 Jahren ein enormes Interesse und Gewicht in der toxikologischen Charakterisierung und Bewertung erreicht. Hauptgrund ist, dass Nanopartikel aufgrund ihrer ‚viralen‘ Größe potentiell im Vergleich zu den mikroskaligen Pendants eine sehr große Reaktionsoberfläche und ein hohes Translokationsvermögen besitzen. Dies gilt dann, wenn sie wirklich vereinzelt und nicht als Agglomerate agieren. Da für Nanopartikel auch ein eventuelles tumorigenes Potenzial nach inhalativer Aufnahme in der Diskussion war, wurde im Rahmen des EU-Projekts NanoREG vorgeschlagen, beispielhaft eine Kanzerogenitätsstudie im Rattenmodell durchzuführen. Das Dosisschema sollte dabei ausdrücklich im Niedrigdosisbereich (0,1–3mg/m³) liegen, um Lungenüberladung auszuschließen. Diese regulatorische chronische Studie wird von der BASF SE finanziert und zurzeit mit einem Cerdioxid (CeO₂) Nanopulver durchgeführt.

Das BMBF-geförderte Projekt InhalT-90 wird parallel zu diesem Langzeitprojekt der BASF ebenfalls mit Cerdioxid (CeO₂) Nanopartikeln im Rattenmodell unter gleichen Expositionsbedingungen am Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) durchgeführt. Mit neuen innovativen Ansätzen sollen frühe Indikatoren für eine später beobachtete toxische und/oder kanzerogene Wirkung identifiziert werden. Dabei werden Genexpressionsanalysen eingesetzt, durch die Rückschlüsse auf eine Veränderung der Ausprägung von Genen gezogen werden können. Ob Nanopartikel bzw. Nanostäube in bestimmten Konzentrationen die Auslöser für solche Veränderungen sein können, ist wesentlicher Bestandteil des vorliegenden Forschungsvorhabens. So könnte bereits in einem sehr frühen Stadium eine toxische Wirkung identifiziert werden. Die Identifikation von bestimmten wiederkehrenden Auswirkungen, sogenannten Biomarkern, könnte darüber hinaus auch auf andere Nanopartikel übertragen werden, so dass schnelle Screenings hinsichtlich der Toxizität von Nanopartikeln entwickelt werden könnten.

Krebsbefunde sind häufig das Ende einer langen Kette von Entwicklungen, die früh im Leben durch Schädigung von Genen oder durch langwierige Entzündungsreaktionen beginnen. Der in diesem Vorhaben gewählte Ansatz soll daher zur mechanistischen Aufklärung einer potentiellen Gentoxizität von Nanopartikeln beitragen.

Die in diesem Projekt ausgewählten Nanopartikel sind spezielle Cerdioxid Nanopartikel. Sie werden z.B. als Zusatz im Dieseltreibstoff eingesetzt, um die Verbrennung zu fördern. Wie sich diese Cerdioxid (CeO₂) Nanopartikel in der Lunge und im Körper verteilen, wird über Elementanalyse und besonders empfindliche spektroskopische Verfahren, wie z.B. Ionenstrahl-Mikroskopie (IBM) und Konfokale Raman-Mikrospektroskopie (CRM) verfolgt.

NanoSuppe

NanoSuppe – Verhalten von synthetischen Nanopartikeln im Wirkungspfad Abwasser – Klärschlamm – Pflanze am Beispiel TiO₂, CeO₂, MWCNT und Quantum dots

Im Abwasserreinigungsprozess ist der Verbleib der Nanopartikel von besonderem Interesse. Wesentliche Wissenslücken zum Verhalten von Nanopartikeln in Klärschlamm sowie deren Wirkungspfade bei weiterer Verwendung des Klärschlamms sind vorhanden. Deshalb soll in diesem Projekt der Einfluss von typischen Prozessabläufen bei der Klärung kommunaler und industrieller Abwässer auf Nanopartikel gemeinsam mit drei Kläranlagenbetreibern untersucht und relevante Stoffpfade und Prozesse identifiziert werden.

Klaeranlage (c) HZDR

Anhand einer möglichen Partikelaufnahme durch Pflanzen soll die Verteilung der Partikel aus Klärschlämmen in der Umwelt untersucht werden. Dazu wird bei verschiedenen Entwicklungsstadien der Pflanze die Nanopartikelaufnahme und entsprechende Wirkmechanismen erforscht. Zudem sollen mittels Transportstudien die Verfügbarkeit der Nanopartikel in Böden untersucht werden. Als methodische Besonderheit und wesentlicher experimenteller Vorteil werden radiomarkierte Nanopartikel in den Untersuchungen eingesetzt. Dies ermöglicht den Nachweis von Nanopartikeln unter den zu erwartenden niedrigen „realen“ Konzentrationen in hoch komplexen Umgebungen, da von der Hintergrundkonzentration unterschieden werden kann.

Der Einsatz radiomarkierter Partikel erfolgt an realen Wasser-, Boden- und Pflanzenproben ausschließlich im Labor. Die Proben durchlaufen Behandlungsschritte identisch zu denen, die sie auch im Klärwerk sowie den weiterführenden Prozessen, z.B. der Klärschlammbearbeitung und der Ausbringung desselben als Dünger erfahren würden, bis hin zur möglichen Aufnahme in die Pflanze. Damit werden Prozessuntersuchungen und die Erarbeitung von Detailkenntnissen über das Verhalten von Nanopartikeln während der unterschiedlichen Wasserreinigungsstufen bis hin zum Klärschlamm – Boden – Pflanze-System möglich.

Forderungen zum Schutz der Umwelt sollen abgeleitet und gegebenenfalls gemeinsam mit den Kläranlagenbetreibern Vorschläge für die verfahrenstechnische Optimierung der Klärprozesse erarbeitet werden. Durch die enge fachübergreifende Kooperation einer Forschungseinrichtung mit zwei Industriepartnern und drei kommunalen Betreibern bestehen gute Aussichten auf eine erfolgreiche Bearbeitung dieser komplexen Fragestellung.