Carbon Black

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Mascara © brunobarillari / fotolia.com

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Carbon Black oder Industrieruß ist ein wirtschaftlich bedeutendes Material. Es wird in Verbrennungsprozessen hergestellt und besteht aus fast reinem Kohlenstoff. Seit knapp einem Jahrhundert wird es systematisch produziert – für eine Vielzahl von Anwendungen und Produkten: als Bestandteil von Toner, Autoreifen, Wimperntusche, zur Lederfärbung u.v.m.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Weil Industrieruß vielen Produkten beigemischt wird, ist ein Kontakt mit diesem Material auf verschiedenen Wegen möglich: über das Einatmen von Partikeln (z.B. aus Stäuben von Laserdruckern) oder über die Haut (z.B. durch Kosmetika oder Textilfarben). Der Magen-Darmtrakt ist deutlich weniger davon betroffen. Die hohe Produktionsmenge dieses Materials, das häufig in seiner Nanoform vorliegt, legt nahe, dass Menschen an ihrem Arbeitsplatz bei der Herstellung der Substanz in Kontakt damit kommen können. Dazu gibt es eine Reihe von Untersuchungen, in denen sowohl die Mengen in der Luft am Arbeitsplatz als auch deren medizinische Auswirkungen erfasst wurden.
In der Umwelt stellt eher der Kohlenstoff-Feinstaub aus Verbrennungsprozessen (Heizungen, Verkehr) ein Problem dar als der gezielt hergestellte Industrieruß.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Bei der Wirkung des Industrierußes auf Mensch, Tier und Umwelt sind eine Reihe von Aspekten zu berücksichtigen: zum einen bestehen viele umweltrelevante Feinpartikel (Abgase aus Industrie und Verkehr, Tabakrauch u.v.m.) ebenfalls überwiegend aus unstrukturiertem Kohlenstoff. Jedoch sind diese Partikel häufig mit weiteren Chemikalien belastet. Industrieruß hingegen ist sehr rein und enthält nur wenige Verunreinigungen. Dennoch gibt es Hinweise auf schädliche Wirkungen in der Lunge, wenn man größere Mengen über längere Zeit einatmet. Auch in der Umwelt dürften Organismen von diesem Material nur geschädigt werden, wenn sie es in sehr großen Mengen erhalten, die als unrealistisch hoch angesehen werden.

Fazit

Wir haben häufig Kontakt zu Kohlenstoffpartikeln. Dabei haben Untersuchungen ergeben, dass der reine Industrieruß die geringste biologische Wirkung besitzt – verglichen mit den umweltrelevanten Verbrennungspartikeln.

Nebenbei

Tätowierfarben können ebenfalls Industrieruß als schwarzes Pigment enthalten.

Eigenschaften und Anwendungen

Industrieruß (engl. Carbon Black, CB) ist gezielt hergestellter elementarer Kohlenstoff in der Form kolloidaler Partikel, verursacht bzw. produziert durch unvollständige Verbrennungsprozesse oder thermische Zersetzung von gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen unter kontrollierten Bedingungen. Es fällt als schwarzes, feines, stark staubendes Pulver an. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als undefiniertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht. Carbon Black besteht zu mehr als 96% aus amorphem Kohlenstoff und geringen Mengen an Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel. Die meisten dieser Elemente sind an der Oberfläche konzentriert. Der Sauerstoffgehalt von nachträglich oxidiertem Carbon Black kann bis zu 15% betragen.

Da Industrieruß maßgeschneidert auf den jeweiligen Anwendungszweck produziert werden kann, besitzt es eine hohe Anwendungsvielfalt. Die Art des Herstellverfahrens und die Variation der Prozessparameter ist hierbei entscheidend. Carbon Black besteht aus ketten- oder traubenartigen Aggregaten, die aus kleinsten, meist kugelförmigen Teilchen während des Herstellprozesses zusammengewachsen sind. Diese Aggregate lagern sich noch im Reaktor zu großen Agglomeraten zusammen. Rußtypen mit hoher spezifischer Oberfläche und weitverzweigten Aggregaten sind besonders leitfähig. Diese Leitfähigkeitsruße setzt man z. B. zur antistatischen Ausrüstung in Kunststoffanwendungen ein. Für viele Anwendungen wird auch eine gezielte Nachbehandlung des Rußes durchgeführt. In hochfarbtiefen Lacken werden zum Beispiel Carbon Black-Typen eingesetzt, die durch nachträgliche Oxidation gezielt veredelt wurden.

Oftmals gibt es Erklärungsbedarf bei der genauen Bildung der bereits beschriebenen Aggregate und deren Größe. Oftmals wird das Endprodukt des Rußes mit einer Größe kleiner 0,1 Mikrometer im aerodynamischen Durchmesser beschrieben. In der Tat sind der Ausgangspunkt für die Herstellung kleine kugelförmige Teilchen (sogenannte Primärpartikel oder Nodule) mit einer Größe zwischen 15-300 nm. Diese Partikel verschmelzen in Partikelaggregate, mit einem aerodynamischen Durchmesser von 85-500 nm. Durch starke elektrische Kräfte bleiben diese Aggregate fest verbunden und bilden gar mit anderen Aggregaten große Agglomerate. All dies geschieht noch während des Herstellungsprozesses, so dass sämtliches Carbon Black im Handel aus Agglomeraten der Größenordnung 1-100 µm besteht, da diese - einmal gebildet - nicht mehr auseinander brechen.

Die Abbildung zeigt die Sequenz der Struktur-Entwicklung von Carbon Black in den unterschiedlichen Stadien. Um eine einfache Handhabung zu gewährleisten und das Auftreten von Stäuben zu vermeiden, geht man dazu über Carbon Black in Pellets auszuliefern, die eine Größe von 0,1 bis 1 Millimeter aufweisen. Somit sind die ultrafeinen Primärpartikel nur innerhalb des Herstellungsofens zu finden.

 

Schematische Darstellung der Struktur-Entwicklung von Industrieruß. © International Carbon Black Association (ICBA).

Schematische Darstellung der Struktur-Entwicklung von Industrieruß. © International Carbon Black Association (ICBA).

Carbon Black wird zu über 90 % als Füllstoff in der Gummiindustrie, hauptsächlich für Fahrzeugreifen und technische Gummiartikel wie Fördergurte, Schläuche und Dichtungsprofile verwendet. Außerdem wird er als Schwarz-Pigment für Druckfarben, Tuschen, Lacke sowie zur Einfärbung und zum UV-Schutz von Kunststoffen genutzt. Ferner dient Carbon Black als Schwarzpigment in Spezialitäten wie Maskara, Graberde, Dekorpapier und Fasern. Als Leitfähigkeitsruß wird er in der Elektroindustrie zur Herstellung von Elektroden und Kohlebürsten verwendet.

 

Schema einer Brennkammer (Furnace-Prozess). © Evonik Industries AG.

Schema einer Brennkammer (Furnace-Prozess). © Evonik Industries AG.

 

Industrieruß ist nicht selbstentzündlich. Als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Industrieruß entzündlich (Staubexplosion). Das Verhalten bei einer Staubexplosion ist vergleichbar mit dem anderer, kohlenstoffbasierter Materialien.

 

Herstellung

Derzeit zählt Industrieruß zu den 50 weltweit am meisten produzierten Chemikalien (8,1 mio t/a). Über 90 Prozent davon werden in der Gummiindustrie verarbeitet. Bereits vor über 3.500 Jahren wurden in China sog. „lamp blacks“ produziert, die Vorfahren heutiger Industrieruße [4].

Seit Mitte der 1970er wird der Großteil der jährlichen Carbon Black-Produktion durch den Furnace-Prozess (engl. furnace = Verbrennungsofen) hergestellt (ca. 98 %). Bei diesem Verfahren wird in einer Brennkammer ein Heißgas von 1200 bis 1800 °C durch Erdgas- oder Ölverbrennung erzeugt. In das heiße Gas werden dann aromatenreiche Kohlen- und Erdöl-stämmige Ruß-Öle eingedüst. Durch unvollkommene Verbrennung und thermische Spaltung (Pyrolyse) des Rohstoffs wird neben Wasserstoff und anderen gasförmigen Verbindungen Carbon Black gebildet. Nach genau festgelegter Reaktionszeit wird das Prozessgasgemisch durch Wassereindüsung schlagartig abgekühlt (engl. quenching) und so die Reaktion gestoppt. Das Produkt wird anschließend in Schlauchfiltern vom Prozessgas abgetrennt. Die Furnace-Reaktoren werden durchgehend im Schichtbetrieb betrieben. Weitere Methoden zur Herstellung von Carbon Black sind das Gas-Black- bzw. Channel-Black-, das Lamp-Black- und das Thermal-Black-Verfahren.

 

Typisches Prozess-Diagramm eines Furnance-Prozesses. © International Carbon Black Association (ICBA).

Typisches Prozess-Diagramm eines Furnance-Prozesses. © International Carbon Black Association (ICBA).

 

NanoCare - Datenblatt


Literatur

  1. Chemie.de (DE): Ruß (Stand letzter Zugang: Jul 2011).
  2. Evonik Industries AG (2008). What is Carbon Black?.
  3. Wikipedia (DE): Industrieruß (Stand letzter Zugang: Jul 2011).
  4. International Carbon Black Association (ICBA) (Juni 2004). Carbon Black User’s Guide - Safty, Health & Environmental Information.

Studien, die sich explizit mit der Freisetzung von nanoskaligem Carbon Black aus Produkten während des Gebrauchs befassen, liegen zurzeit nicht vor. In geringen Dosen verursacht Carbon Black keine Schäden.

Allgemeine Gefährdung

Eine epidemiologische Studie zur Exposition gegenüber Industrieruß in Carbon Black-produzierenden Fabriken in England wies bei einigen Arbeitern nach erhöhter Exposition verstärkten Husten, Auswurf und eine Abnahme der Lungenfunktion nach [1]. In Kanada und den USA offenbarte eine andere Studie einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten chronischer Bronchitis und erhöhter Carbon Black Exposition [2]. Ebenso konnte in Untersuchungen über Druckerschwärze die krebserregende Wirkung von Carbon Black durch Tintennebel nachgewiesen werden [3]. Zusätzlich erschien in 2010 eine Fallbeschreibung, die besagt, dass Kohlenstoff-Partikel aus Tonern, die inhaliert werden, gesundheitliche Auswirkungen auf die exponierten Personen haben könnten [4].

Die Internationale Agentur für Krebsforschung (engl. International Agency for Research on Cancer, IARC) hat speziell Carbon Black, welches in Tonern zum Einsatz kommt, in die Kategorie 2B eingestuft, d.h. Carbon Black ist möglicherweise für Menschen krebserregend („Carbon black is possibly carcinogenic to humans, Group 2B“) [5]. Aber die IARC sagt auch, dass die bisherigen Beweise unzureichend sind („There is inadequate evidence in humans for the carcinogenicity of carbon black“).

Eine andere Studie (aus 2001) zeigt dagegen, dass kein Zusammenhang zwischen Lungenkrebs und Carbon Black bestehen soll [6]. Es scheint der Fall zu sein, dass Stoffgemische, wie diese in Tonern verwendet werden, eher kritisch sein können, als reiner Industrieruß.

Lebenszyklus und mögliche Freisetzungspfade von nanoskaligem Carbon Black aus Produkten, hier am Beispiel für Reifen erläutert. © Kuhlbusch 2010, UBA-Studie.

Lebenszyklus und mögliche Freisetzungspfade von nanoskaligem Carbon Black aus Produkten, hier am Beispiel für Reifen erläutert. © Kuhlbusch 2010, UBA-Studie.

Kuhlbusch und Kollegen haben 2004 gezeigt, dass beim Abfüllprozess von Carbon Black hauptsächlich Carbon Black-haltige Partikel freigesetzt werden, die größer als 400 nm sind [7]. Weitere Untersuchungen der Autoren ergaben, dass während der Carbon Black Produktion im ungestörten Betriebsablauf mit keiner Freisetzung von nanoskaligem Carbon Black zu rechnen ist. Eine Freisetzung kann aber gleichwohl bei Leckagen oder Unfällen erfolgen [8].

Literatur

  1. Gardiner, K et al. (2001), Occup Environ Med, 58(8): 496-503.
  2. Harber, P et al. (2003), J Occup Environ Med, 45(2): 144-155.
  3. Casey, P et al. (1983), Ann Occup Hyg, 27(2): 127-135.
  4. Theegarten, D et al. (2010), Diagn Pathol, 5 77.
  5. International Agency for Research on Cancer (IARC) (2010). IARC Monograph on the Evaluation of carcinogenic risks to humans, No.93: Carbon Black.
  6. Sorahan, T et al. (2001), Am J Ind Med, 39(2): 158-170.
  7. Kuhlbusch, TA et al. (2004), J Occup Environ Hyg, 1(10): 660-671.
  8. Kuhlbusch, TA et al. (2006), J Occup Environ Hyg, 3(10): 558-567.
  9. Kuhlbusch, T. (Okt 2010). Emissionen von Nanopartikeln aus ausgewählten Produkten in ihrem Lebenszyklus. UBA-Studie, Umweltbundesamt, ISSN 1862-4804.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

Carbon Black kann im Prinzip über alle Eintrittspforten in unseren Organismus gelangen, d.h. über die Lunge, den Verdauungstrakt und die Haut, allerdings nur, wenn diese verletzt ist. Am häufigsten wird wohl Carbon Black über die Atemwege aufgenommen. Hier zeigte sich, dass auch in hohen Dosen eingeatmetes Carbon Black im menschlichen und tierischen Organismus keine Schäden verursacht [1]. Erst sehr hohen Dosen ausgesetzt, kann es zu Schädigungen der Lunge, im Extremfall zu Lungentumoren kommen.

In Langzeit-Untersuchungen mit Ratten, in denen die Tiere Carbon Black für 6 h/Tag, an 5 Tagen/Woche, über 13 Wochen, mit 3 und 8 Wochen Rekonvaleszenz bis zur hohen Konzentration von 1,1 mg/cm3 einatmeten, zeigten sich bei den Tieren keine schädlichen Effekte. Erst bei noch höheren Konzentrationen (> 2,5 mg/cm3) treten Zell- und Gewebe-Schädigungen bis hin zu Lungentumoren bei den Tieren auf [2].

Im Gegensatz zur Inhalation, bei der die Versuchstiere über einen bestimmten Zeitraum Partikel über die Nase einatmen, wird bei der Instillation eine Partikel-Suspension in den Rachenraum verabreicht. Mittels Instillation verabreichte, sehr hohe Dosen an nanoskaligem Carbon Black verursachen eine Zunahme an weißen Blutkörperchen, den Leukozyten [3]. Diese sind Indikatoren für eine Entzündung. Dabei können bei sehr hohen Dosierungen auch Gewebeschäden auftreten. Solch hohe Dosen an Carbon Black führen weiterhin zu einer stark beeinträchtigten Fähigkeit der Makrophagen zur Phagozytose [4]. Lungen von Mäusen, denen mittels Instillation Carbon Black verabreicht wurden (0,1 - 0,5 mg/Lunge), zeigten dagegen keine Anzeichen von Entzündung. Allerdings äußerte sich eine Ablagerung von Partikeln durch lokale schwarze Flecken im Lungengewebe [5].


Literatur

  1. Gilmour, PS et al. (2004), Toxicol Appl Pharmacol, 195(1): 35-44.
  2. Driscoll, KE et al. (1996), Toxicol Appl Pharmacol, 136(2): 372-380.
  3. Brown, DM et al. (2000), Occup Environ Med, 57(10): 685-691.
  4. Renwick, LC et al. (2004), Occup Environ Med, 61(5): 442-447.
  5. Lam, CW et al. (2004), Toxicol Sci, 77(1): 126-134.

 

Untersuchung außerhalb des Körpers – in vitro

Verschiedene Studien der letzten Jahre konnten zeigen, dass nanoskaliges Carbon Black (Primärpartikelgröße ca. 14nm) - in frühen Arbeiten auch ultrafeines Carbon Black genannt - stärker oxidativen Stress verursacht [1,13] und dosisabhängig giftiger auf Zellen wirkt als gröbere Partikel (> 100nm) [2,3]. Für verschiedene Zelltypen wurden dosisabhängige Zytotoxizität, Sekretion von Entzündungsmarkern und die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies nachgewiesen [1,4,5,6]. Pulskamp und Kollegen zeigten in ihrer Studie, dass 14 nm Carbon Black Partikel sowohl in Makrophagen aus der Ratte als auch in humanen epithelialen Lungenzellen dosisabhängig reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugen können und dass die Zellvitalität bei beiden Zelllinien ebenfalls entsprechend abnimmt [5]. Andere Studien zeigten dagegen, dass, je nach Art und Herkunft der Zellen, verschiedene Zelltypen unterschiedlich stark auf die Behandlung mit Partikeln reagieren können [2].

In einer weiteren Studie wurde die Zunahme an apoptotischen Zellen bei 20 µg Carbon Black pro cm2 Zellrasen beobachtet [3]. Diese hohe Konzentration an Carbon Black verursachte die Apoptose – den programmierten Zelltod. Dabei schrumpfen die geschädigten Zellen und ein Abbau der DNA setzt ein. Die Zelle zerstört sich selbst.

Verschiedene Autoren haben darauf hingewiesen, dass kohlenstoffhaltige Partikel oder Fasern in Zellkultur-Testsystemen Probleme bereiten können [5,7,8,9]. Aufgrund von Interferenzen der Partikel mit Farbstoffen kommt es zu falsch-positiven und damit ungültigen Ergebnissen, so dass keine Aussagen zur Toxizität von kohlenstoffhaltigen Partikeln aufgrund dieser Testsysteme gemacht werden können.

TEM-Aufnahme von Carbon Black Agglomeraten. © NanoCare Final Scientific Report

TEM-Aufnahme von Carbon Black Agglomeraten. © NanoCare Final Scientific Report

Im Projekt NanoCare wurde deshalb z.B. der MTT-Test durch den WST-Test ersetzt und mindestens ein zusätzlicher Vitalitätstest durchgeführt, um valide Ergebnisse zu erzielen.

Bei Untersuchungen mit elf verschiedenen Zelllinien unterschiedlicher Herkunft mit bis zu 10 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen zeigte keine der verwendeten Zelllinien Stresssymptome, noch verursachte Carbon Black zellschädigende Effekte. Ebenso fiel ein Test mit Zellkulturen auf Apoptose negativ aus. Wie auch in anderen Studien gezeigt, verursachte Carbon Black die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies. Durch weitere in vitro-Experimente mit menschlichen Lungenzellen wurde nachgewiesen, dass diese Zellen erst ab einer hohen Dosis von 25 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen unter Stress stehen und dass ab dieser Konzentration an Partikeln die Zellvitalität stark abnimmt.

Ergänzend zu einfachen Kultursystemen mit nur einer Zelllinie wurden im Projekt NanoCare auch komplexe sog. Kokultursysteme verwendet. Mit Hilfe solcher Systeme kann die in vivo Situation im Körper besser dargestellt werden, weil das Zusammenspiel der Zellen simuliert wird. Carbon Black-Partikel lösten in diesen Systemen geringfügige biologische Effekte aus [10].

Generell konnte gezeigt werden, dass Carbon Black zu einer starken Verklumpung neigt. Diese Agglomerate können in den Zellen nachgewiesen werden. Mittlere Dosen an Carbon Black führen zur Bildung von ROS [11], hohe Dosen können Zellen in in vitro Experimenten schädigen. Es wird auch eine gentoxische Wirkung für hohe Konzentrationen beschrieben [12], allerdings handelte sich bei dieser Studie um Toner, der keinen reinen Industrieruß mehr darstellt, sondern aus einer Reihe weiterer Komponenten besteht, z.B. Kunstharze, magnetisierbare Metalloxide, Farbstoffe und andere Hilfsstoffe.


Literatur

  1. Stone, V et al. (1998), Toxicol In Vitro, 12(6): 649-659.
  2. L'Azou, B et al. (2008), Part Fibre Toxicol, 5 22.
  3. Hussain, S et al. (2010), Part Fibre Toxicol, 7 10.
  4. Val, S et al. (2009), Inhal Toxicol, 21 Suppl 1 115-122.
  5. Pulskamp, K et al. (2007), Toxicol Lett, 168(1): 58-74.
  6. Barlow, PG et al. (2005), Part Fibre Toxicol, 2(1): 11.
  7. Monteiro-Riviere, NA et al. (2006), Carbon, 44(6): 1070-1078.
  8. Monteiro-Riviere, NA et al. (2009), Toxicol Appl Pharmacol, 234(2): 222-235.
  9. Woerle-Knirsch, JM et al. (2006), Nano Lett, 6(6): 1261-1268.
  10. NanoCare 2009, Final Scientific Report, ISBN 978-3-89746-108-6. (PDF-Dokument, 19 MB).
  11. Foucaud, L et al. (2010), Toxicol In Vitro, 24(6): 1512-1520.
  12. Gminski, R et al. (2011), Environ Mol Mutagen, 52(4): 296-309.
  13. Barlow, PG et al. (2005), Toxicol Lett, 155(3): 397-401.

Es ist schwierig zwischen einer Umwelt-Exposition mit technisch hergestelltem Ruß und Ruß aus Verbrennungsvorgängen (z.B. Autoabgase) zu unterscheiden. Letzterer enthält viele Schadstoffe, die ebenfalls bei Verbrennungsprozessen entstehen und effektiv durch die Kohlenstoffpartikel gebunden werden.

Ruß aus den verschiedenen Quellen findet sich in allen Umweltkompartimenten, wie der Luft, Regen und Oberflächengewässern, sowie im Boden [1,2]. Daten zu Umweltkonzentrationen von technisch hergestellten Ruß-Nanopartikeln (Carbon Black) gibt es bisher nicht.


Literatur

  1. Moermond, CT et al. (2005), Environ Sci Technol, 39(9): 3101-3109.
  2. Knauer, K et al. (2007), Aquat Toxicol, 83(2): 143-148.

Prinzipiell kann Carbon Black über die Atemluft, durch Verschlucken oder über die Haut aufgenommen werden.

Aufnahme über die Lunge – Inhalation

Lunge einer Maus nach Instillation mit Carbon Black. Linke Lunge mehrheitlich mit massiven schwarzen Ablagerungen; rechte nur mit wenigen im Bereich der Eintritte resp. Austritte der großen Luftwege und Blutgefässe (Lungenhilus).© Lam et al., 2004.

Lunge einer Maus nach Instillation mit Carbon Black. Linke Lunge mehrheitlich mit massiven schwarzen Ablagerungen; rechte nur mit wenigen im Bereich der Eintritte resp. Austritte der großen Luftwege und Blutgefässe (Lungenhilus).© Lam et al., 2004.

Carbon Black kann hauptsächlich über die Atemluft aufgenommen werden. Dabei scheinen gesundheitliche Auswirkungen auch mit dem Alter des Menschen zuzunehmen [1]. Vor allem epidemiologische Studien haben gezeigt, dass hohe Konzentrationen an Carbon Black zu Husten, Auswurf, Bronchitis und sogar zu Lungenkrebs führen können [2]. Auch in vivo Studien zeigen, dass über die Atemwege verabreichte Partikel sich in der Lunge ablagern und im Lungengewebe als schwarze Flecken wahrgenommen werden können [3]. In geringen Dosen findet man zwar Carbon Black-Ablagerungen im Lungengewebe, es verursacht aber keine Schäden. In hohen Dosen aufgenommen, kann es hingegen auch zu Entzündungen, Gewebeschädigungen oder sogar zu Lungentumoren kommen [4].


Literatur

  1. Hamade, AK et al. (2010), Inhal Toxicol, 22 Suppl 2(S2): 84-94.
  2. Kuhlbusch, T. (Okt 2010). Emissionen von Nanopartikeln aus ausgewählten Produkten in ihrem Lebenszyklus. UBA-Studie, Umweltbundesamt, ISSN 1862-4804.
  3. Lam, CW et al. (2004), Toxicol Sci, 77(1): 126-134.
  4. Driscoll, KE et al. (1996), Toxicol Appl Pharmacol, 136(2): 372-380.

 

Aufnahme über die Haut – Dermal

Generell weist die Haut eine sehr gute Barrierefunktion auch für Nanopartikel auf, wie das europäische Projekt NanoDerm für Titandioxid-Partikel zeigen konnte [1]. Ein Transfer von Partikeln, auch nanoskaliger, über die Haut in die Blutgefäße oder zu Zellen des Abwehrsystems wie z.B. dendritischen Zellen (Langerhans-Zellen), die sich nahe der Oberfläche befinden, konnte nicht nachgewiesen werden.

Bei in vitro Untersuchungen mit Hautzellen von einer Konzentration von 10 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen zeigten die Zellen weder Stresssymptome, noch verursachte Carbon Black zellschädigende Effekte, ebenso fiel ein in vitro Test auf Apoptose negativ aus [2].

Allerdings kann hier auch ein Analogieschluss weiterhelfen: Tätowierfarbe, insbesondere Schwarz, enthält Kohlenstoffpartikel (Carbon Black besteht zu mehr als 96 % aus amorphem Kohlenstoff) und wird in den tiefen Hautschichten deponiert. Von dort werden nur sehr wenige dieser Partikel in die naheliegenden Lymphgefässe transportiert, die meisten bleiben an Ort und Stelle liegen, was ja auch die lebenslange Haltbarkeit der tätowierten Bilder bewirkt.


Literatur

  1. NanoDerm Schlussbericht (2007). Quality of Skin as a Barrier to ultra-fine Particles. QLK4-CT-2002-02678.
  2. NanoCare 2009, Final Scientific Report, ISBN 978-3-89746-108-6. (PDF-Dokument, 19 MB).

 

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

Untersuchungen zur Aufnahme von Carbon Black, die an Kälbern durchgeführt wurde, ergaben, dass Carbon Black vor allem in den Peyerschen Platten im Dünndarm aufgenommen werden können [1].

Bei Untersuchungen von Zellkulturen mit Zellen des Dickdarms und einer Konzentration von 10 µg Partikeln pro cm2 Zellrasen zeigten die Zellen weder Stresssymptome, noch verursachte Carbon Black zellschädigende Effekte, ebenso fiel ein Test mit Zellkulturen auf Apoptose negativ aus [2].


Literatur

  1. Lwin, S et al. (2009), Cell Tissue Res, 338(3): 343-354.
  2. NanoCare 2009, Final Scientific Report, ISBN 978-3-89746-108-6. (PDF-Dokument, 19 MB).
Miesmuscheln in mit Industrieruß versetztem Wasser. Die Filtrierer versuchen die Partikel durch Schleimabsonderung loszuwerden (Pfeile). © Canesi et al., 2010.

Miesmuscheln in mit Industrieruß versetztem Wasser. Die Filtrierer versuchen die Partikel durch Schleimabsonderung loszuwerden (Pfeile). © Canesi et al., 2010.

Für die Larven der Fruchtfliege ist nanoskaliges Carbon Black, das über das Futter verabreicht wird, nicht toxisch. Auch die Entwicklung und Fortpflanzungsfähigkeit von erwachsenen Fliegen wird nicht beeinflusst. Allerdings reichern sich Partikel im Körper an und sind auch bei erwachsenen Tieren noch als deutliche Schwarzfärbung im Körper sichtbar.

Werden die erwachsenen Tiere gegenüber den Pulvern exponiert, so hafteten die Partikel schnell am Äußeren der Tiere fest und ließen sich durch das natürliche Putz-Verhalten nicht entfernen. Die Partikel-Umhüllung führte zu einer Beeinträchtigung der Beweglichkeit und tötete die Tiere durch die Blockade der Atemöffnungen binnen Stunden [1]. Unter realen Umweltbedingungen ist ein solches Expositionsszenario zu großen Mengen an reinem Industrieruß jedoch sehr unwahrscheinlich. Bodenbewohnende Flohkrebse zeigten ebenfalls nach einer Exposition mit sehr hohen Dosen eine erhöhte Sterblichkeit [2].

Als mariner Modellorganismus wurde eine Braunalge, der Sägetang, ausgewählt und Effekte auf die Befruchtung, Keimung und Embryonalentwicklung in Gegenwart von nano- und mikroskaligem Industrieruß untersucht [3]. Es wurde keine Aufnahme nanoskaligen Rußes beobachtet, sehr hohe Konzentrationen verhinderten jedoch die Befruchtung und Entwicklung. Keimung und Wurzelwachstum waren hingegen unbeeinflusst.

Da sich Miesmuscheln durch das Filtrieren kleinster Teilchen aus dem Wasser ernähren, werden sie als besonders gefährdet eingeschätzt [5]. Industrieruß beeinflusste das Immunsystem sowie bestimmte Verdauungsvorgänge der Tiere sehr stark, was auf eine Aufnahme der Partikel aus dem Wasser hindeutet [4,5].

Ruß aus Abgasen, der hinsichtlich der Größe nicht genau definiert war, reduzierte die toxische Wirkung eines Unkrautbekämpfungsmittels auf eine Grünalge [6]. Dieser Effekt lässt sich mit der starken Bindung von Chemikalien an Rußpartikel erklären, die dann für die Alge nicht mehr verfügbar und somit nicht mehr giftig sind.

Zusammenfassend ist nanoskaliger, reiner Industrieruß als Material für die untersuchten Organismen nicht toxisch, schädliche Effekte lassen sich jedoch aufgrund der starken Bindung des Rußes an Oberflächen und Chemikalien finden.


Literatur

  1. Liu, XY et al. (2009), Environ Sci Technol, 43(16): 6357-6363.
  2. Kennedy, AJ et al. (2008), Environ Toxicol Chem, 27(9): 1932-1941.
  3. Nielsen, HD et al. (2008), Nanotoxicology, 2(2): 88-97.
  4. Canesi, L et al. (2008), Environ Int, 34(8): 1114-1119.
  5. Canesi, L et al. (2010), Aquat Toxicol, 100(2): 168-177.
  6. Knauer, K et al. (2007), Aquat Toxicol, 83(2): 143-148.

Nanoskaliges Carbon Black kann in Zellen aufgenommen werden.

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Versuche mit Tieren zeigten, dass Nanopartikel verschiedener Art, die in die Luftröhre (Trachea) instilliert wurden, über die Lunge ins Blutgefässsystem gelangen können. Mit dem Blut können diese Nanopartikel durch die Blut-Hirn-Schranke in das Gehirngewebe gelangen und dort entzündliche Reaktionen auslösen. Eine Überwindung der Blut-Hirn-Schranke durch Nanopartikel konnte auch in einem Gewebemodell gezeigt werden.

Eine in vivo-Studie mit Mäusen hat gezeigt, dass in die Nase instillierte nanoskalige Carbon Black Partikel im Riechnerv Entzündungsmarker induzieren können. Die Autoren vermuten, dass die Partikel in der Riechschleimhaut im oberen Teil der Nase von Riechnervendigungen aufgenommen und ins Gehirn transportiert werden, wo die Fresszellen des Gehirns, die Mikroglia-Zellen, aktiviert werden und dann Entzündungsmarker ausschütten. In anderen Hirnbereichen, wie z.B. dem Hippocampus wurden allerdings keine Entzündungsmarker nachgewiesen [1].


Literatur

  1. Tin Tin Win, S et al. (2006), Toxicol Lett, 163(2): 153-160.

 

Aufnahmeverhalten in Zellen

Die Aufnahme von Carbon Black in Zellen kann, je nachdem ob es sich um Einzelpartikel oder Agglomerate handelt, d.h. je nach Größe, durch verschiedene Aufnahmeprozesse sowohl in aktiver als auch in passiver Form geschehen. Generell liegen dann die Nanopartikel in Vesikeln oder frei im Zytoplasma vor. Die verschiedenen Aufnahmeprozesse sind eingehend in der Literatur beschrieben [1]; sie dürften über die verschiedenartigen zellulären Effekte der Partikel neben der Partikelart und grösse auch eine Rolle spielen.

Carbon Black neigt zu starker Verklumpung. Diese Agglomerate werden von Zellen aufgenommen und können mittels Elektronenmikroskopie in Vesikeln nachgewiesen werden. Die Vesikelmembran schützt die restlichen Zellkomponenten vor den Partikeln, d.h. diese befinden sich zwar in der Zelle, dort aber immer noch abgekapselt [2]. Niedrige Dosen an Carbon Black stimulieren die Phagozytosetätigkeit von Makrophagen, sehr hohe Dosen führen dagegen zu einer stark beeinträchtigten Fähigkeit der Makrophagen zur Phagozytose [3].


Literatur

  1. Brandenberger, C et al. (2010), Small, 6(15): 1669-1678.
  2. L'Azou, B et al. (2008), Part Fibre Toxicol, 5 22.
  3. Renwick, LC et al. (2004), Occup Environ Med, 61(5): 442-447.

 

Embryo des Sägetangs mit Agglomeraten aus nanoskaligem Industrieruß (links), Ausgewachsene Sägetang (rechts). © Nielsen et al., 2008.

Embryo des Sägetangs mit Agglomeraten aus nanoskaligem Industrieruß (links), Ausgewachsene Sägetang (rechts). © Nielsen et al., 2008.

Ruß hat die Eigenschaft, viele organische Stoffe hervorragend zu binden, weswegen er in vielen technischen Anwendungen als Filtermaterial (Aktivkohle) eingesetzt wird. Während die Entfernung von Schadstoffen in technischen Prozessen gezielt erfolgt, so geschieht in der Umwelt dieser Prozess wahllos.

Eine Vielzahl verschiedenster Schadstoffe, wie Pestizide, Pharmaka oder Abgase, kann an die Rußpartikel binden und toxische Wirkungen beeinflussen [1,2]. In salzhaltigem Meerwasser bilden Rußpartikel mit 14 oder 260 nm Ausgangsgröße sehr große Agglomerate (800-1300 nm) [3].


Literatur

  1. Moermond, CT et al. (2005), Environ Sci Technol, 39(9): 3101-3109.
  2. Knauer, K et al. (2007), Aquat Toxicol, 83(2): 143-148.
  3. Nielsen, HD et al. (2008), Nanotoxicology, 2(2): 88-97.

Weitere Materialien


Zirkoniumdioxid
Zeolithe
Diamant
Bariumsulfat
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