Siliziumdioxid

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Siliziumdioxid bildet den Großteil des Sandes am Strand und ist in seiner kristallinen Form als Bergkristall bekannt. Technisch hergestellt wird aber meist eine andere Form, die amorphe (also nicht-kristalline) Kieselsäure. Diese wird einer ganzen Reihe von Produkten zugesetzt, z.B. Lacken und Farben. Aber auch in Lebensmitteln und in Nahrungsergänzungsmitteln wird Siliziumdioxid in dieser Form verwendet und in Drogerien oder Apotheken verkauft.

Heilerde © dima pics / Fotolia.com

Heilerde © dima pics / Fotolia.com

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Der menschliche Körper benötigt eine gewisse Menge an Silizium, das zu den Ultra-Spurenelementen gehört. Daher ist eine Aufnahme über die Nahrung wichtig. Als Bestandteil verschiedener Lebensmittel (als E551, amorphe Kieselsäure), aber auch z.B. als Bestandteil der Heilerde gelangt es über den Magen-Darmtrakt in unseren Körper. Eine Aufnahme über die Haut durch Kontakt mit Lacken, Farben und Klebern ist praktisch ausgeschlossen.
Die kristalline Form, auch als Quarz bekannt, kann beim Abbau von Erzen, Kohle und anderen Mineralien als Staub freigesetzt und von den Arbeitenden eingeatmet werden. Da die in der Umwelt vorhandenen Mengen natürlicherweise sehr groß sind, ist es kaum möglich, zwischen dem Kontakt mit natürlichem oder industriellem Siliziumdioxid zu unterscheiden.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

In seiner Nanoform liegt das Siliziumdioxid nahezu ausschließlich als unstrukturierte (amorphe) Kieselsäure vor. Diese hat in allen bisherigen Tests vom Tierversuch bis zu Umweltuntersuchungen keine nennenswerten negativen Eigenschaften gezeigt. Für unseren Körper ist Silizium ein notwendiges Spurenelement und Siliziumdioxid ist in der amorphen Form unkritisch. Dagegen ist die kristalline Variante vor allem beim Einatmen mit besonderer Vorsicht zu betrachten: Wer dem Stoff dauerhaft ausgesetzt ist, z.B. an einem belasteten Arbeitsplatz unter Tage, trägt ein hohes Risiko für chronische Lungenerkrankungen (Silikose) und andere krankhafte Veränderungen der Lunge.

Fazit

Menschen können im Alltag überall mit Siliziumdioxid in Kontakt kommen: vom Meeressand über Nahrungsmittel bis hin zu Lacken und Farben. In vielen Produkten ist amorphe Kieselsäure auch in ihrer Nanoform enthalten. Sie hat aber keine negativen biologischen Effekte – im Gegensatz zur kristallinen Form, welche zu kritischen Lungenschäden führen kann.

 

Nebenbei
  • Siliziumdioxid ist in vielen Nahrungsmittelergänzungsstoffen enthalten.
  • Einige Pflanzen und Tiere lagern Siliziumdioxid ein, um sich härter zu machen.
  • Ohne Silizium gäbe es keine Solarzellen auf dem Dach oder keine Computerchips

Eigenschaften und Anwendungen

Siliziumdioxid (SiO2) ist die häufigste Verbindung des Siliziums und ein Hauptbestandteil der Erdkruste. Es ist ein sehr harter, gegen chemische Angriffe und Verwitterung beständiger Stoff. In Wasser und Säuren sind die kristalline wie auch die amorphe Form des SiO2 nahezu unlöslich. Sehr feinteiliges amorphes SiO2 setzt sich jedoch in wässrigen Suspensionen langsam zu Kieselsäure (SiO2 x n H2O) um. Bei 25 °C und einem neutralen pH-Wert lösen sich so etwa 0,12g SiO2 pro Liter Wasser (120 ppm) [6,7]. Die Lösungsgeschwindigkeit von amorphen SiO2 ist ca. 10-mal höher als die von Quarz. Insbesondere amorphes SiO2 kann von wässrigen Alkalien gelöst werden. Gegen Säuren ist SiO2 sehr beständig. Es wird lediglich von Flusssäure angegriffen.

Natürliches Siliziumdioxid ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die Glasindustrie, die optische Industrie und das Bauwesen. Quarzgläser bilden die Grundlage für die Fertigung von Linsen und anderen optischen Bauelementen sowie für die Herstellung temperaturbeständiger Ausrüstungsgegenstände der chemischen Industrie. Für die Fertigung von Beton und anderen Baustoffen kommen verschiedene Formen von SiO2 zum Einsatz. Es wird zudem als Filter und Trockenmittel eingesetzt.

Nanostrukturiertes Siliziumdioxid dient neben Carbon Black in neuen Rollwiderstand-minimierten Reifen als Füllstoff. © B.Mathes, Dechema.

Nanostrukturiertes Siliziumdioxid dient neben Carbon Black in neuen Rollwiderstand-minimierten Reifen als Füllstoff. © B.Mathes, Dechema.

Synthetisches, amorphes SiO2 wird als Füllstoff in Kunststoffen, Gummi, Farben und Klebstoffen verwendet. Sie dienen als Adsorbens oder Rieselhilfsmittel. Bei Oberflächenbeschichtungen und in Lacken sollen sie hauptsächlich die Härte und Kratzfestigkeit der Oberflächen erhöhen. Zwar besitzt SiO2 eine geringere Härte als das alternativ eingesetzte Aluminiumoxid, die Transparenz von Klarlacken mit Nano-SiO2 ist jedoch deutlich besser.

Nanoskaliges Siliziumdioxid findet zudem wachsende Anwendung bei der Herstellung von Autoreifen. Wird dem Reifen neben Industrieruß (Carbon Black) auch amorphes SiO2 als Füllstoff zugemischt, verringert sich der Rollwiderstand des Reifens und der Spritverbrauch sinkt um bis zu fünf Prozent. Es profitiert nicht nur der Geldbeutel sondern auch die Umwelt, durch die verringerte Menge an ausgestoßenem CO2[5].

Amorphes Siliziumdioxid wird seit über vier Jahrzehnten als Lebensmittelzusatzstoff mit der Kennzeichnung E551 eingesetzt. Es kann bestimmten pulverförmigen Lebensmittel, wie bspw. Kochsalz, Würzmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und Trockenlebensmitteln zugesetzt werden [3], um ein Verklumpen zu verhindern. Darüber hinaus ist es als Trägerstoff von Emulgatoren, Farbstoffen und Aromen zugelassen [9]. Gemäß der EG-Öko-Verordnung[11] ist ein SiO2-Zusatz auch bei Bio-Lebensmitteln erlaubt. Der menschliche Organismus kann Siliziumdioxid weder aufnehmen noch verwerten, es wird unverändert ausgeschieden. Amorphes SiO2 ist seit nunmehr über 40 Jahren als Lebensmitteladditiv getestet und zugelassen. Struktur und Teilchenfeinheit wurden seither nicht verändert. Es gilt somit nicht als Produkt der modernen Nanotechnologie [4].

Hochdisperses (nanoskaliges), amorphes SiO2 ist auch in verschiedenen Erzeugnissen der Pharmaindustrie, wie bspw. Tabletten, Zäpfchen, Gels und Cremes, enthalten. Die Eigenschaften der zugelassenen Zusätze sind im Europäischen Arzneibuch festgeschrieben [10].

Weitere Anwendungsfelder amorpher Siliziumdioxid-Nanopartikel sind die Textilindustrie, wo sie verwandt werden, um Baumwolle wasserabweisend auszustatten und die Elektronikindustrie. Hier werden sie als Schleifmittel eingesetzt [8].

Siliziumdioxid ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Siliziumdioxid nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Aufnahme eines Naturopals. © K. Luginsland, TECHNOSEUM Mannheim.

Aufnahme eines Naturopals. © K. Luginsland, TECHNOSEUM Mannheim.

Siliziumdioxid tritt in der Natur in kristalliner und amorpher Form auf. Die häufigste kristalline Erscheinungsform ist der Quarz. Er bildet den Hauptbestandteil von Sand und ist Bestandteil zahlreicher Gesteine wie Granit oder Sandstein. Darunter sind auch Edel- und Schmucksteine, wie der Bergkristall.

Auch die nicht-kristallinen, die sogenannten amorphen Formen, sind in der Natur weit verbreitet. Sie entstehen, wenn Gesteine hohen Temperaturen ausgesetzt werden (Vulkan, Meteoriten- oder Blitzeinschlag, Geysire), können aber auch einen .biologischen Ursprung haben. Eine amorphe Form stellen die Opale dar, die wegen ihrer schillernden Farben beliebt sind.

Großtechnisch wird amorphes SiO2 in großen Mengen über Fällungsprozesse oder in der Knallgasflamme hergestellt. Letzteres wird häufig auch als pyrogenes SiO2 oder pyrogene Kieselsäure bezeichnet. Pyrogenes SiO2 fällt als Pulver an, das aus Primärteilchen von 5-50 nm besteht, die feste Aggregate einer Größe über 100 nm (150-200 nm) bilden. Die Pulver weisen eine hohe spezifische Oberfläche auf (über 50 m²/g).

 

Literatur

  1. Roempp Online (DE): Silizium (Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  2. Wikipedia (DE): Siliziumdioxid(Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  3. Zusatzstoffe-online.de:Siliziumdioxid(Stand letzter Zugang: Jun 2010).
  4. NanoTrust Dossier No.004 (Mai 2008). Nanopartikel und nanostrukturierte Materialien in der Lebensmittelindustrie, NanoTrust,Institut für Technikfolgen-Abschätzung (ITA), Wien.
  5. Hessen-Nanotech NEWS 4/2006. Nano-Produktion – Herstellung von und mit Nanotechnologie, Band 9, 01.09.2006.
  6. Amjad, Z (1998). Water soluble polymers: solution properties and applications, Kluwer Academic Publishers, New York, ISBN 0-306-45931-0.
  7. Iler, RK (1979). The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica, John Wiley Sons,ISBN 978-0471024040.
  8. Som, C et al. (Mar 2010). Nanomaterialien in Textilien: Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheits-Aspekte, Fokus: synthetische Nanopartikel. Empa und TVS Textilverband Schweiz, St. Gallen 2010.
  9. Zusatzstoff-Zulassungsverordnung (ZZulV) (1998). Verordnung über die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken.gesetze-im-internet.de (Stand letzter Zugang: Mar 2010).
  10. Europäisches Arzneibuch (Pharmacopoea Europaea) (2008), 6. Ausgabe, Grundwerk, Deutscher Apotherker Verlag Stuttgart. ISBN 978-3769253832.
  11. EG-Öko-Basisverordnung (EG) Nr. 834/2007 (28.06.2007). Ökologische/biologische Produktion und die Kennzeichnung von ökologischen/biologischen Erzeugnissen und zur Aufhebung der Verordnung (EWG) Nr. 2092/91, ABl. Nr. L 189 vom 20.07.2007, S. 1.

Der Mensch kommt ständig mit amorphem Siliziumdioxid in Kontakt, da es in vielen Nahrungsmitteln als Füllstoff und Fließhilfe enthalten ist und als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen ist. In sehr hohen Dosen löst Siliziumdioxid Entzündungsreaktionen aus, wohingegen die Behandlung mit niedrigen Dosen keine Toxizität auslöst.

 

Allgemeine Gefährdung

Als ungiftige Substanz ist es in pharmazeutischen Artikeln genauso vertreten wie in kosmetischen Produkten, wird in Lebensmittelprozessen (z. B. Bierklärung) und als Putzhilfe in Zahnpasta verwendet. Da es verklumpt, spielt die Nanoskaligkeit hier keine Rolle.

Andererseits verursacht das Einatmen von kristallinen Siliziumdioxid (Quarz, mikroskalig) Silikose, auch Staublungenkrankheit oder Quarzstaublungenerkrankung genannt. Unter einer Silikose versteht man krankhafte Veränderungen der Lunge, die durch eine lang andauernde Einatmung von Quarzstaub-Partikeln entstehen. Die Silikose gehört zu den Pneumokoniosen und ist eine entschädigungspflichtige Berufskrankheit. Daher ist geeignete Schutzausrüstung am Arbeitsplatz zu tragen, wenn man Quarzstaub ausgesetzt ist. Download-Link zum Merck Sicherheitsdatenblatt "Quarz", Stand 25.08.2006. (PDF-Dokument, 23 KB) .

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

In Studien, in denen die Laborratten verschiedenen Alters Siliziumdioxid Partikel einatmeten, konnte gezeigt werden, dass bei identischer Behandlung alte Ratten sensitiver reagieren als junge bzw. erwachsene Tiere. Dabei konnten Auswirkungen auf die Lunge und das Herz beobachtet werden [1].

Ein direkter Vergleich zwischen kristallinem und amorphem Siliziumdioxid wurde in einer weiteren Studie durchgeführt. Ratten wurden mit diesen Materialien behandelt und die Entzündungsreaktionen in der Lunge sowie weitere Effekte (z.B. Genotoxizität) analysiert. Es ist ein unbestrittenes Ergebnis, dass die kristalline Form (Quarz) eine erhebliche Entzündung auslöst, die nicht abklingt und ernsthafte Folgen hat. Das amorphe SiO2 dagegen löste in hoher Dosierung zwar eine kurzzeitige Entzündung aus, doch nach deren Abklingen traten keine weiteren Effekte auf [2]. Diese Ergebnisse werden durch weitere Studien bestätigt, die Effekte von amorphem SiO2 auf die Verunreinigungen mit kristallinen Formen zurückführen.

Wie auch bei den in vitro Studien spielt die Dosierung in vivo eine entscheidende Rolle, da es bei sehr hohen Dosen zu einem Überladungseffekt kommen kann, so dass z.B. Fibrosen ausgelöst werden [3].


Literatur

  1. Chen, Z et al. (2008), Environ Sci Technol, 42(23): 8985-8992.
  2. Johnston, CJ et al. (2000), Toxicol Sci, 56(2): 405-413.
  3. Nishimori, H et al. (2009), Eur J Pharm Biopharm, 72(3): 626-629.

 

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Siliziumdioxid (SiO2) kann entweder amorph oder kristallin vorliegen. Konsum-Produkte enthalten meist die amorphe Form. Synthetisierte Partikel sind ebenfalls meist amorph, wohingegen nanoskaliges kristallines SiO2 durch Zermahlen von grobem Quarz entsteht. Generell werden nach heutigem Wissensstand Nanopartikel aus amorphem Siliziumdioxid eher als unbedenklich eingestuft [2].

Kristalline Partikel zeigen jedoch in verschiedenen Studien deutliche Effekte, u.a. schädigen diese die DNA der Zellen. In Zellkultur zeigen verschiedene Zelltypen vor allem dann zelltoxische Reaktionen (z.B. verminderte Zellgesundheit, defekte Zellmembranen bis hin zum Zelltod), wenn sehr hohe, unrealistische Dosen an amorphen SiO2 Partikeln auf die Zellen gegeben werden. Je höher die Dosis und je kleiner die Partikel, desto stärker der Effekt.

Weitere Studien belegen, dass Siliziumdioxid in relevanter Dosis keine signifikanten Effekte zeigt und nicht toxisch ist [7,8]. Unter relevanter Dosis versteht man eine Konzentration bzw. Dosis, die unter Umständen auch im lebenden Organismus erreicht werden kann, also nicht absolut unwahrscheinlich ist. In einer anderen Studie konnten nur nach sehr hoher Gabe an Partikeln auch hier Entzündungsmarker detektiert werden. Dabei wurde beobachtet, dass die Partikel sich in Vesikeln der Zellen anreichern, aber ansonsten keine Strukturänderungen in den Zellen verursachen [8].

Ergänzend zu einfachen Kultursystemen mit nur einer Zelllinie, werden komplexe, sogenannte Kokultursysteme verwendet. Mit Hilfe solcher Systeme kann die in vivo Situation im Körper besser dargestellt werden, weil das Zusammenspiel der Zellen simuliert wird. In solchen Systemen konnte gezeigt werden, dass die Kokultur sensitiver auf SiO2 reagiert als die Monokulturen. Das zeigt, dass eine Kommunikation zwischen verschiedenen Zellen stattfindet, die u.U. solche Effekte verstärken kann [9,10]. Werden SiO2 Partikel in niedriger Dosierung eingesetzt, sind sie nicht toxisch. Dieser positive Effekt wird auch für in vivo Gentransfer-Studien genutzt, in denen SiO2 als Transporter verwendet wird, um Gene z.B. in Lungen von Mäusen einzuschleusen [11].


Literatur

  1. Chang, JS et al. (2007), Environ Sci Technol, 41(6): 2064-2068.
  2. Som, C et al. (Mar 2010). Nanomaterialien in Textilien: Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheits-Aspekte, Fokus: synthetische Nanopartikel. Empa und TVS Textilverband Schweiz, St. Gallen 2010.
  3. Ye, Y et al. (2010), Toxicol In Vitro, 24(3): 751-758.
  4. Yang, H et al. (2008), Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2008-06.
  5. Yang, H et al. (2009), J Biomed Nanotechnol, 5(5): 528-535.
  6. Yang, H et al. (2010), J Nanosci Nanotechnol, 10(1): 561-568.
  7. Brunner, TJ et al. (2006), Environ Sci Technol, 40(14): 4374-4381.
  8. Peters, K et al. (2004), J Mater Sci Mater Med, 15(4): 321-325.
  9. Wottrich, R et al. (2004), Int J Hyg Environ Health, 207(4): 353-361.
  10. Mueller, L et al. (2010), J R Soc Interface, 7 Suppl 1(Suppl 1): S27-40.
  11. Kumar, MNVR et al. (2004), J Nanosci Nanotechnol, 4(7): 876-881.
Sand

Siliziumdioxid kommt hautsächlich als Sand in der Natur vor © dimakp/ fotolia.com

Siliziumdioxid ist in der Natur als Hauptbestandteil der Erdkruste in verschiedenen Formen zu finden. Kristallines Siliziumdioxid ist der Hauptbestandteil von Sand. Das erschwert es immens bei einer Exposition mit Siliziumdioxid zwischen der natürlich vorkommenden und technisch hergestellten Nanoform zu unterscheiden.

 

Eine Exposition der Umwelt mit technisch hergestellten Siliziumdioxid Nanopartikeln ist aufgrund der vielen Anwendungsfelder des Materials und der Produktionsmengen sehr wahrscheinlich. Echte Messdaten existieren derzeit noch nicht, es gibt jedoch vorhergesagte Umweltkonzentrationen (PEC) für technisch hergestellte Siliziumdioxid Nanopartikel (vgl. Querschnittsthemen - Vorkommen von Nanomaterialien in der Umwelt abschätzen). Ausgehend von den theoretischen Modellen sollten in Europa industriell hergestellte Siliziumdioxid Nanopartikel am häufigsten in Sedimenten zu finden sein und weniger in Böden, Luft und Gewässern. Die vorhergesagten Konzentrationen liegen jedoch weit unter denen, die für Umweltorganismen schädlich sein können [1].


Literatur

  1. Wang, Y et al. (2016), Environ Sci Technol, 545-546: 67-76.

Amorphes Siliziumdioxid kann über die Lunge durch Einatmen oder mit Nahrung über den Magen-Darmtrakt aufgenommen werden.

 

Aufnahme über die Lunge - Inhalation

Das Einatmen von kristallinem Siliziumdioxid verursacht Silikose, auch Staublungenkrankheit oder Quarzstaublungenerkrankung genannt. Unter einer Silikose versteht man krankhafte Veränderungen der Lunge, die durch eine lang andauernde Einatmung von Quarzstaub-Partikeln entstehen. Einatembarer Quarzstaub wurde von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (International Agency for Research on Cancer, IARC) als krebserregend eingestuft [1]. Daher ist geeignete Schutzausrüstung am Arbeitsplatz zu tragen, wenn mit Quarzstaub hantiert wird. Download-Link zum Merck Sicherheitsdatenblatt "Quarz", Stand 25.08.2006. (PDF-Dokument, 23 KB).

In vivo Studien, in denen Mäusen Siliziumdioxid gespritzt wurde, zeigten, dass 70 nm amorphe SiO2 Partikel zwar die Leber belasten, aber nicht die Lunge.

Ein direkter Vergleich zwischen kristallinem und amorphem Siliziumdioxid wurde in einer weiteren Studie durchgeführt. Ratten inhalierten über drei Monate sowohl kristallines als auch amorphes SiO2. Anschließend wurden Entzündungsreaktionen in der Lunge analysiert. Dabei löste die kristalline Form eine erhebliche Entzündung löst, die nicht abklang. Das amorphe SiO2 dagegen löste in hoher Dosierung zwar eine kurzzeitige Entzündung aus, doch nach deren Abklingen traten keine weiteren Effekte auf [2].


Literatur

  1. International Agency for Research on Cancer (IARC) (1997). IARC Monograph on the Evaluation of carcinogenic risks to humans, No.68: Silica.
  2. Johnston, CJ et al. (2000), Toxicol Sci, 56(2): 405-413.

 

Aufnahme über die Haut - Dermal

In vitro Studien mit Hautzellen zeigten, dass je kleiner die Partikel und je höher die Dosierung, umso schlechter die Zellgesundheit. Ob daraus Rückschlüsse auf die Haut gezogen werden können, bleibt zum jetzigen Wissensstand noch offen, da noch nicht geklärt werden konnte, wie die Partikel mit den Zellen interagieren [1].


Literatur

  1. Yang, X et al. (2010), Part Fibre Toxicol, 7(1): 1.

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

In vitro Studien mit Magen- und Darmzellen zeigen, dass nur ultrahohe Konzentrationen an Siliziumdioxid Partikeln die Zellgesundheit isolierter Zellen schädigen [1]. Durch seine schlechte Löslichkeit wird es unverdaut wieder ausgeschieden.


Literatur

  1. Chang, JS et al. (2007), Environ Sci Technol 41(6): 2064-2068.

Siliziumdioxid (auch Kieselsäure genannt) kann in kristalliner bzw. nicht-kristalliner (amorpher) Form vorliegen. Daher sollte die Kristallstruktur bei der Wirkung auf Umweltorganismen berücksichtigt werden. Die meisten Ergebnisse liegen zu technisch hergestellten, amorphen Siliziumdioxid Nanopartikeln vor. Diese sind nur in sehr hohen und nicht umweltrelevanten Dosen schädlich für Umweltorganismen.

 

Icon PantoffeltierchenVerschiedene Größen von Siliziumdioxid Nanopartikeln zeigen eine geringe Toxizität gegenüber Bakterien und Gemeinschaften von Bodenbakterien. Aufgrund der photokatalytischen Wirkung einiger Siliziumdioxid-Nanoformen treten unter Beleuchtung stärkere Effekte auf als bei Dunkelheit. Größere Siliziumdioxid Nanopartikel werden als gänzlich untoxisch für Bakterien eingeschätzt. Einige Studien zeigen sogar einen positiven Effekt auf das Bakterien-Wachstum. Im Belebtschlamm hingegen verringerte Siliziumdioxid Nanopartikel die Aktivität der Bakterien (vgl. Querschnittsthemen Nanomaterialien in der Abwasserreinigung) [1,15-19].

Icon Alge Grünalgen können sehr kleinen Siliziumdioxid Nanopartikeln (5 nm) aufnehmen, größere Partikel hingegen können die Algen-Zellwand nicht durchdringen. Allerdings lagern sich die Nanopartikel an der Zellwand ab und verursachen ein verringertes Algenwachstum, was auf einen Beschattungseffekt zurückzuführen ist. Dieser Beschattungseffekt tritt allerdings erst bei sehr hohen und nicht umweltrelevanten Konzentrationen auf. Dieser Effekt kann durch natürlich vorkommende organische Materialien wieder aufgehoben werden, vermutlich weil die Anlagerung der Partikel an die Algenzellen verhindert wird [2-4,6].

Icon Muschel

Für Blutzellen der Miesmuschel sind Siliziumdioxid Nanopartikel nicht akut toxisch. Die Zellen reagieren jedoch mit Entzündungsreaktionen und der Produktion von reaktivem Sauerstoff (ROS) [5].

Icon Wurm

Im Fadenwurm lösen Siliziumdioxid Nanopartikel die ROS-Bildung aus. Das kann zu Bewegungsstörungen führen und die Fortpflanzung der Würmer beeinträchtigen [14].

Icon FischBei einem Test für die Anwendung als „Medikamenten-Taxi“ verursachen geringe, in die Blutbahn gespritzte Mengen von Siliziumdioxid Nanopartikeln keine negativen Effekte in Embryonen des Zebrabärbling. In anderen Studien an Zebrabärblingen bewirkt nanoskaliges Siliziumdioxid jedoch Entwicklungs- und Verhaltensstörungen. In Graskarpfen verursacht nanoskaliges Siliziumdioxid eine Veränderung der Blutzusammensetzung. Verschiedene Fischzelllinien, die diverse Organe repräsentieren, reagieren deutlich sensitiver auf Siliziumdioxid Nanopartikel, wenn sie einem Gewebe wie Haut oder Kiemenentstammen, welches direkt mit der Umwelt in Kontakt tritt [8-13].

Fruchtfliegen zeigen Anzeichen von Erbgutveränderungen nach Verabreichung von nanoskaligem Siliziumdioxid. Über die Nahrung verabreichte Siliziumdioxid Nanopartikel verursachen bei Hummeln leichte Darmzellschäden und beeinträchtigten deren Fortpflanzung [7,20].

Icon BlumeBei der Ackerschmalwand verursachen über die Wurzeln verabreichte Siliziumdioxid Nanopartikel ein verringertes Wachstums und Mangel an grünem Blattfarbstoff. Das wird auf eine verringerte Nährstoffaufnahme zurückgeführt, da die Nährstoffe an die Nanopartikel binden und nicht mehr für die Pflanze zur Verfügung stehen. Bei anderen Pflanzen wie Mais, Reis, Weizen, Lupinen, Speisekürbis und Schilfrohr werden jedoch keine toxischen Effekte durch nanoskaliges Siliziumdioxid beobachtet. Teilweise wird sogar die die Keimung von Samen und das Wachstum der Keimlinge begünstigt [15,19,21-26].

Der Großteil der beobachteten Effekte von Siliziumdioxid Nanopartikeln auf Umweltorganismen wird durch sehr hohe und nicht umweltrelevante Konzentrationen ausgelöst. Daher sind nach jetzigem Wissenstand Umweltorganismen nicht durch technisch hergestellte Siliziumdioxid Nanopartikel gefährdet.


Literatur

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  7. Mommaerts, V et al. (2012), Nanotoxicology, 6(5):554-561.
  8. Sharif, F et al. (2012), Int J Nanomed, 7:1875-1890.
  9. Duan, J et al. (2013), Biomaterials, 34:5853-5862.
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  12. Krishna Priya, K et al. (2015), Ecotoxicol Environ Safe, 120:295-302.
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  21. Slomberg, DL and Schoenfisch, MH (2012), Environ Sci Technol, 46:10246´7-10254.
  22. Yang, Z et al. (2015), Int J Environ Res Public Health, 12:15100-15109.
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  26. Schaller, J et al. (2013), Sci Total Environ, 442:6-9.

Zahlreiche Studien zeigen eine Aufnahme von Siliziumdioxid Partikeln in Zellen.

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Daraus kann auch geschlossen werden, dass die Blut-Hirn-Schranke nicht überwunden wurde [1], dies ist aber auch Gegenstand weiterer Untersuchungen.


Literatur

  1. Nishimori, H et al. (2009), Eur J Pharm Biopharm, 72(3): 626-629.

 

Aufnahmeverhalten in Zellen

In in vitro Studien werden Quarz Partikel in das Zytoplasma der Zellen mittels Endozytose aufgenommen und von Membranen umschlossen. In Zellkompartimenten wie dem Zellkern (der die DNA enthält) wurden keine Siliziumdioxid Partikel nachgewiesen [1]. Es wurde zudem beobachtet, dass amorphe Partikel sich in den Zellen in Vesikeln, die u.a. der Verdauung von Molekülen in der Zelle dienen, anreichern, aber ansonsten keine Strukturänderungen in den Zellen verursachen [2]. Diese Partikel werden als Fremdstoffe erkannt.


Literatur

  1. Li, H et al. (2007), Mutat Res, 617(1-2): 46-57.
  2. Peters, K et al. (2004), J Mater Sci Mater Med, 15(4): 321-325.

Siliziumdioxid Nanopartikel sind in wässrigen Lösungen im Vergleich zu anderen Partikeln ungewöhnlich stabil, was Auswirkungen auf ihr Verhalten z.B. in Kläranlagen haben kann. Auch können Siliziumdioxid Nanopartikel andere, in der Umwelt bereits vorhandene (schädliche) Chemikalien binden.

 

Aufgrund ihrer negativen Oberflächenladung sind Siliziumdioxid Nanopartikel in wässrigen Lösungen ungewöhnlich stabil und neigen kaum zur Agglomeration und Sedimentation. Daher binden sie auch im Gegensatz zu vielen anderen technischen Nanopartikeln (z.B. Titandioxid, Fullerene) keine Huminsäuren, während andere natürliche organische Materialien an die Oberfläche absorbieren können. In sandigen Böden sind kleinere Siliziumdioxid Partikel weniger mobil als größere [1-3,6,8].

Kläranlage © Mariusz Szczygie / fotolia.com

Kläranlage © Mariusz Szczygie / fotolia.com

In der Kläranlage wird für die Reinigung von Nanopartikel-enthaltenden Abwässern angenommen, dass die Nanopartikel durch einen hohen Salzgehalt des Wassers schneller agglomerieren, was das Absinken der Nanopartikel und folglich deren Entfernung aus dem Wasser bewirkt. Diese Annahme trifft jedoch auf Siliziumdioxid Nanopartikel aufgrund ihrer Stabilität auch in Anwesenheit von Salz nicht zu. Daher sollte für diesen Partikeltyp (und möglicherweise weitere Partikeltypen) zur Abwasserreinigung auf Filtertechnik zurückgegriffen werden [4]. (vgl. Querschnittsthemen – Nanomaterialien in der Kläranlage)

Siliziumdioxid Nanopartikel können Chemikalien wie aromatische Kohlenwasserstoffe (Phenanthren, Naphthalin) binden. Die Stärke der Bindung hängt vom pH-Wert der Lösung ab. Ebenso kann eine Bindung zwischen Siliziumdioxid Nanopartikeln und Dichlorophen auftreten. Die Partikel können den Abbau der Chemikalien beschleunigen. Damit können Siliziumdioxid-Nanopartikel die Verfügbarkeit von Umweltschadstoffen für Organismen verringern [5,7].

Siliziumdioxid Nanopartikel haben in wässrigen Umgebungen eine geringe Agglomerations- und Sedimentationsneigung. Sie können verschiedene Chemikalien binden. Das kann einen Einfluss auf die Auswirkungen dieser Chemikalien auf Tiere und Pflanzen haben.


Literatur

  1. Yang, K et al. (2009), Langmuir, 25(6): 3571-3576.
  2. Zhang, Y et al. (2009), Water Res, 43(17): 4249-4257.
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  5. Fang, J et al. (2008), Langmuir, 24(19): 10929-10935.
  6. Xue, N et al. (2016), Environ Sci Pollut Res, 23:11835-11844.
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  8. Wang, C et al. (2012), Environ Sci Technol, 46:7151-7158.

Weitere Materialien


Wolframcarbid-Cobalt
Silber
Strontiumcarbonat
Titannitrid
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