Im Rahmen der Gewässerqualität spielen seit einigen Jahren zunehmend der Nachweis und die Risikobewertung von Nanomaterialien eine Rolle. Der steigende Einsatz insbesondere von Silber- (AgNP), Titandioxid- (TiO2) und kohlenstoffbasierten Partikeln in unzähligen Verbraucherprodukten kann zu umweltrelevanten Konzentrationen dieser Materialien führen (Abb. 1). Dabei ist eine analytische Bestimmung der Umweltkonzentration von Nanopartikeln mit den bisher verfügbaren Methoden nur sehr begrenzt möglich [1].
Modellierte Konzentrationen bestätigen dennoch das potentielle Risiko einer Exposition von Umweltorganismen mit Nanomaterialien bzw. die kombinatorische Wirkung in Verbindung mit anderen Schadstoffen. Die modellierte Umweltkonzentration (predicted environmental concentration, PEC) von Silbernanopartikeln für Oberflächengewässer in Europa liegt beispielsweise im Bereich von 0.51-0.94 ng/L [2].

Abb. 1: Schematische Darstellung der Freisetzung von Nanomaterialien aus Verbraucherprodukten und deren Verbleib in der Umwelt

Welche Wirkungen haben Nanopartikel möglicherweise auf Organismen im Gewässer? Werden sie überhaupt aufgenommen? Diesen Fragen kann man mit Standardtests für die Chemikalientestung nachgehen, wie dem Zebrafischembryotest und dem Daphnientest. Allerdings sind Anpassungen der Testsysteme erforderlich, um zu starke Adsorption oder Sedimentation der Nanopartikel zu vermeiden.
Betrachtet man die Toxizität von Nanomaterialien exemplarisch am Beispiel von Silbernanopartikeln, so treten bereits bei sehr geringen Konzentrationen toxische Effekte bei Umweltorganismen auf (EC50 (Daphnie)=0.0034 mg/l, EC50 (Fischembryo)=0.080 mg/l) (Abb. 2). Die toxische Wirkung von Silbernanomaterialien ist zum Teil auf die Freisetzung der entsprechenden Metallionen von der Partikeloberfläche zurückzuführen. Andere Nanopartikel sind dagegen weitgehend unlöslich, und es ist anzunehmen, dass diese von einem Organismus erst aufgenommen werden müssen, bevor sie unter Umständen eine schädliche Wirkung entfalten können.

<br />Abb. 2: Übersicht zur Testung von Umweltorganismen. Die LA-ICP-MS Ergebnisse zeigen die Verteilung der Nanomaterialien im Organismus. Mit Hilfe von Dosis-Wirkungskurven können EC50-Werte ermittelt werden.

Der Nachweis von Nanopartikeln stellt neue Herausforderungen an die Analytik. Beispielsweise eignet sich die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) für die elementspezifische Quantifizierung [3]. Gekoppelt mit der Laserablation (LA-ICP-MS) setzen wir diese Technik ein, um Nanopartikel in Geweben und Organen sichtbar zu machen und damit quantitative Aussagen über die Aufnahme von metallischen Nanomaterialien zu treffen. So sind diese zusätzlichen bildgebenden Verfahren wichtig, um die Partikel in Umweltorganismen zu lokalisieren und weitere Informationen zum Verbleib der Materialien zu gewinnen. Die Visualisierung der AgNP-Akkumulation ist beispielhaft für Daphnia magna und den Zebrafischembryo in Abb. 2 gezeigt.
Die Aufnahme von Nanomaterialien ist dabei immer partikelspezifisch und in Bezug auf den Modellorganismus zu betrachten. Bei der Exposition mit Silbernanopartikeln zeigen sich unterschiedliche Anreicherungsmuster für Wasserflöhe und Fischembryonen aufgrund der abweichenden Entwicklungsstufen dieser Organismen. Wasserflöhe, mit Daphnia magna als stellvertretende Spezies, können Nahrung und damit auch Nanopartikel aktiv über einen Filterapparat aufnehmen. Damit gelangen die Materialien direkt in den Verdauungstrakt der Tiere und führen zur Akkumulation der Partikel in diesen Geweben. Im Gegensatz dazu sind Fischembryonen aufgrund ihres frühen Entwicklungsstadiums noch nicht in der Lage, Substanzen aus dem umgebenden Medium aktiv aufzunehmen. Zudem stellt die Eihülle (Chorion) eine biologische Barriere dar, die den Embryo vor Schadstoffen schützen kann [4]. So zeigt sich nicht nur eine konzentrations-, sondern auch eine zeitabhängige Anreicherung der Silberpartikel an der Eihülle. Diese Akkumulation ist auf Adsorptionsprozesse zurückzuführen und kann schließlich sogar zu einer Sättigung der Eihülle mit Partikeln führen, was sich durch Erreichen einer Maximalkonzentration zeigt (Abb. 3).

Abb. 3: Kinetische Untersuchung zum Aufnahmeverhalten von Silbernanopartikeln im Zebrafischembryo. Es wurden 3 Kompartimente unabhängig voneinander untersucht: die Eihülle (Chorion), der Embryo und der komplette Organismus.

Die Kombination zwischen visueller Darstellung der quantitativen Partikelaufnahme und den Ergebnissen aus toxikologischen Studien ermöglicht es am Ende, Schlussfolgerungen über mögliche Prozesse im Organismus zu ziehen. Die LA-ICP-MS bietet zwar die Möglichkeit der räumlichen Auflösung, allerdings kann zwischen partikulären und gelösten Elementen nicht unterschieden werden. Um dies zu erreichen, sind noch weitere Verbesserungen der analytischen Methoden erforderlich.

Literatur

[1]     http://www.aktuelle-wochenschau.de/main-navi/aktuelle-wochenschau-2014/kw27-nutzen-und-risiko-der-nanotechnologie.html

[2]    Sun, T. Y., F. Gottschalk, K. Hungerbühler and B. Nowack (2014). Comprehensive probabilistic modelling of environmental emissions of engineered nanomaterials. Environ Pollut 185: 69-76.

[3]     Böhme, S., H.-J. Stärk, T. Meißner, A. Springer, T. Reemtsma, D. Kühnel, et al. (2014). Quantification of Al2O3 nanoparticles in human cell lines applying inductively coupled plasma mass spectrometry (neb-ICP-MS, LA-ICP-MS) and flow cytometry-based methods. J Nanopart Res 16(9): 1-15.

[4]    Osborne, O. J., B. D. Johnston, J. Moger, M. Balousha, J. R. Lead, T. Kudoh, et al. (2013). Effects of particle size and coating on nanoscale Ag and TiO2 exposure in zebrafish (Danio rerio) embryos. Nanotoxicology 7(8): 1315-1324.