Nutzen und Risiko der Nanotechnologie – Was wir wissen und was wir lernen müssen.

In der Wasserchemie wird seit mehr als drei Jahrzehnten intensiv an Prozessen in der aquatischen Umwelt geforscht, die ihren Ursprung in Bereichen der Nanoskala haben. Techniken und Methoden wurden entwickelt, um natürliche Partikel und Kolloide im Größenbereich ab 1 bis hin zu mehreren µm zu analysieren und charakterisieren sowie ihr Verhalten in der Umwelt und in relevanten Prozessen zu untersuchen. Ein Beispiel hierfür ist der kolloidgebundene Schadstofftransport. Die Berücksichtigung des µm-Bereiches ist bei aquatischen Kolloiden notwendig, da sie zu Aggregation neigen und µm-Partikel aus Nanopartikeln zusammengesetzt sein können. Die allgemeine Position der Wissenschaft ist, dass zwar ein erheblicher Fortschritt zu verzeichnen ist, die Methoden zur Analyse der Partikel jedoch weiterhin unzureichend sind und das Wissen über das Verhalten dieser natürlichen und technischen Nanopartikel bisher lückenhaft bleibt. Trotzdem können die verfügbaren Erkenntnisse eine grundlegende Basis liefern, um das Verhalten von industriellen Nanopartikeln (engineered nanoparticles: ENPs) zumindest abzuschätzen und Methoden zu entwickeln, die helfen können, das Verhalten in der Umwelt quantitativ vorherzusagen.

Nanotechnologisch erzeugte Produkte erscheinen vielfach völlig neuartig. Dies bedeutet auch, dass die Bewertung ihrer Wirkungen auf den Menschen und die Umwelt völlig neue Denkweisen und Verfahren benötigt. Das rein stoffbezogene Denken (eine bestimmte chemische Verbindung ist toxisch, unabhängig von ihrer Erscheinungsform) ist bei der Bewertung nanotechnologischer Produkte – und hier vor allem der freien Partikel –  sicher nicht ausreichend. Es ist jedoch durchaus möglich, aus vorhandenem Wissen im Bereich der nanoskaligen Partikel auf das Verhalten der neuartigen zu schließen. Es ist unstrittig, dass industrielle Nanopartikel in die aquatische Umwelt emittiert werden können, sei es über direkten Eintrag, über Abwasser, Unfälle oder atmosphärische Deposition. Es besteht Übereinkunft darin, dass (1) existierende Methoden nicht ausreichen, um alle Eigenschaften eines natürlichen Systems exakt zu ermitteln, ohne das System dabei nachhaltig zu stören und dass (2) meist mehrere Methoden parallel zur Analyse eingesetzt werden müssen.

Als Chancen, die sich aus der Nanotechnologie für die Umwelt und den Umweltschutz ergeben, können umweltfreundlichere Produkte oder Produktionsverfahren gesehen werden, verbesserte Messtechniken oder auch verbesserte Verfahren zur Wasser-, Abwasser- und Abgasreinigung. In Bezug auf ENPs erhofft man sich z.B. von nanopartikulären elementarem Eisen eine effektivere und kostengünstigere Sanierung von kontaminierten Standorten. Diese Nanopartikel werden derzeit bereits in Feldversuchen eingesetzt und gehören somit zu den wenigen, die bereits im kg-Maßstab bewusst in die Umwelt eingebracht werden. Nanopestizide für den Einsatz in der Landwirtschaft sind in der Entwicklung.

Bisher wurde ein potenzielles Risiko durch ENPs für den Menschen hauptsächlich mit möglichen Emissionen an Arbeitsstätten und Forschungslabors assoziiert. Die zunehmende Verwendung von ENPs in alltäglichen Produkten rückt derzeit das Risiko für den Konsumenten ins Blickfeld und dies wird in der Öffentlichkeit zunehmend diskutiert. Es muss davon ausgegangen werden, dass ENPs, die z.B. in Kosmetika, Reinigungsmitteln und Arzneimitteln zum Einsatz kommen, primär in die aquatische Umwelt emittiert werden (Abb.1), auch wenn gezeigt werden konnte, dass die Rückhaltung in Kläranlagen für die untersuchten Nanopartikel nicht schlechter sind als für andere hydrophobe Schadstoffe (>90%).

Abb. 1: Ti-haltige Nanopartikel wie sie derzeit in Badegewässern (hier: Alte Donau, Wien) gefunden werden können. Die Konzentrationen im Gewässer sind allerdings sehr gering und können nur mit erheblichem analytischen Aufwand gemessen werden. Hinzu kommt die Schwierigkeit die technischen Partikel von den natürlichen zu unterscheiden (Gondikas et al. 2014)

Das Verhalten von homogenen, unmodifizierten Nanopartikeln in Bezug auf Dispersion, Aggregation und Transport unterscheidet sich nicht grundlegend von dem der bekannten natürlichen Partikel. Es wurde gezeigt, dass hohe Ionenstärken, Anwesenheit von mehrwertigen Kationen und ein pH-Wert in der Nähe des isoelektrischen Punkts der zu betrachtenden ENPs zu Aggregation und einer geringen Mobilität führen. Oberflächenaktive Substanzen wie z.B. Huminstoffe können die Mobilität erhöhen. Im Bereich der Emissionspfade stellt sich die Frage des Transports und Verbleibs der ENPs, d.h. nach den Orten an denen sie eine spezifische Wirkung entfalten können (z.B. Abwasserbehandlung, Oberflächenwasser oder Sediment). Ebenso wichtig ist die Frage nach der Degradation durch Abbau oder Aggregation und Sedimentation. Das Umweltverhalten beeinflusst wiederum direkt die Bedeutung der unterschiedlichen Emissions- und Transportpfade. Im Bereich der Umwelteffekte existieren trotz großer Anstrengungen noch erhebliche Wissenslücken.

Die Erkenntnisse über das Umweltverhalten von natürlichen Nanopartikeln sind trotzdem nur zum Teil übertragbar. Für eine Bewertung des Risikos ist es von entscheidender Bedeutung, wie und in welcher Form ENPs emittiert und transportiert werden und letztendlich mit Mensch und Umwelt in Kontakt kommen. Ist eine bestimmte Klasse von ENPs identifiziert und Art, Menge und Ort der Emission abschätzbar, so muss mit möglichst einfachen Testmethoden ermittelt werden können, wie diese Partikel im Wasser vorliegen werden und welche Transformationen sie erfahren. Entscheidend ist, dass sich die Untersuchung der Wirkung von ENPs hauptsächlich an solchen Erscheinungsformen orientiert, die in der realen Umwelt u.U. auch tatsächlich auftreten. Es muss auch bei toxikologischen Tests darauf geachtet werden, dass der Test und die verwendeten Medien die ENPs nicht so verändern, dass die relevante Form im Test gar nicht vorliegt. Solche Test-Matrizes müssen in Zusammenarbeit mit Herstellern und Toxikologen entwickelt werden und ein Set der für die Situation relevanten Bedingungen enthalten. Abb. 2 zeigt die Aggregationsneigung von Gold-Nanopartikeln unter den lokalen wasserchemischen Bedingungen, ermittelt mit eine Matrix-Testverfahren (Liu et al. 2013).

Abb. 2: Aggregationsverhalten von oberflächenbehandelten Gold-Nanopartikeln in europäischen Gewässern. Links wurde der Einfluss von pH-Wert und Kalziumkonzentration berücksichtig (A), rechts zusätzlich der Einfluss von natürlicher organischer Substanz (Liu et al. 2013).

Eine der größten Herausforderungen bei der Klärung des Umweltverhaltens von ENPs liegt jedoch bereits in der Analytik begründet: Diese ist für den aquatischen Umweltbereich bisher praktisch nicht etabliert. Wie sollen ENPs, wenn sie einmal in die Umwelt gelangt sind, analytisch detektiert und quantifiziert werden? Eine physikalisch-chemische Analyse, wie man sie von klassischen Schadstoffen her kennt, ist hier kaum möglich, da diese substanzspezifisch arbeitet. Die Aufgabe wird darin bestehen zu analysieren, ob ENPs in einer toxikologisch relevanten Form vorliegen (z.B. Größe, Zusammensetzung, Oberflächenreaktionen). Eine Aufgabe, die sich vor dem Hintergrund der ubiquitären natürlichen Kolloide als sehr schwierig erweist (Abb. 1).

ENPs könnten neben ihren unbestrittenen innovativen Materialeigenschaften und dem großen Potenzial in der Medizin- und Umwelttechnik auch als eine neue Klasse von Schadstoffen verstanden werden. Die Nanotechnologie birgt eine große Chance für die Gesellschaft, vergleichbar sicher mit den Errungenschaften der „grünen Revolution“ in der Landwirtschaft. Aus Sicht der Autoren ist im Bereich der Nanotechnologie die Chance gegeben, flankierend zu dem technologischen Fortschritt zeitgleich das Umweltverhalten eingehend zu untersuchen und potenzielle Gefahren im Vorfeld zu identifizieren. Eine Akzeptanz der Nanotechnologie in der Gesellschaft kann nur dann erreicht werden wenn den zukünftigen Nutzern und Konsumenten ersichtlich ist, dass Risiko und Nutzen auf einer breiten und fundierten wissenschaftlichen Basis abgewogen werden können und die Methoden zur Bewertung eines potenziellen Risikos die Eigenarten der neuen Produkte berücksichtigen.

Literatur

[1] Liu, J..; v.d. Kammer, F.; Legros, S.; Boyu Z.; Hofmann, Th. (2013): Combining spatially resolved hydrochemical data with in-vitro nanoparticle stability testing: assessing environmental behavior of functionalized gold nanoparticles on a continental scale. Environment International 59: 53-62.

[2] Gondikas, A.; von der Kammer, F.; Reed, R.; Wagner, S.; Ranville, J.; Hofmann, Th. (2014): Release of TiO2 Nanoparticles from Sunscreens into Surface Waters: A One-Year Survey at the Old Danube Recreational Lake. Environmenatal Science Technology, 48, 5415–5422