Umweltrisiken

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Eisenoxide (Rost) gehören zu den natürlich vorkommenden Nanopartikeln. Bild:wikipedia.org.

Nanopartikel kommen natürlicherweise in der Umwelt vor, zum Beispiel als Rost (Eisenoxide) oder Kohlenstoffpartikel (Russ). Zudem bilden sich Nanopartikel in technischen Prozessen, so bei Auto- oder Industrieabgasen und werden als vom Menschen verursachte Nanopartikel in grossen Mengen in die Umwelt freigesetzt.

Seit einigen Jahren gelangen auch synthetische Nanopartikel mit neuen Eigenschaften in die Umwelt. Die Vielfalt und Mengen der Nanomaterialien nehmen laufend zu, denn der erhoffte Nutzen bewirkt einen drastischen Anstieg in der Produktion und den Anwendungen. Die Freisetzung dieser synthetischen Nanomaterialien können Gefahren für die Umwelt darstellen. Will man das Umweltrisiko von Nanopartikeln bewerten, so muss neben deren Gefährdungspotential (Toxizität) auch das Ausmass der Umwelt-Exposition (Ausgesetztsein) bekannt sein.

Die Exposition der Umwelt entsteht durch die Freisetzung von synthetischen Nanomaterialien während des Produktionsprozesses, der Nutzung oder der Entsorgung. Es kommen eine Reihe an Expositionspfaden in Betracht, beispielsweise beim Einsatz in der Landwirtschaft oder im Bauwesen, durch Auswaschprozesse (Textilien), Prozesse in Abwasserkläranlagen und Kehrichtverbrennungsanlagen, durch Abfälle oder Störfälle.

Abschätzungen zum Ausmass der Umweltexposition sind schwierig, da heute noch Lücken bei Erfassung der Anwesenheit und der Konzentrationen von Nanopartikeln bestehen. Erschwert wird die Expositionseinschätzung zudem durch die sehr unterschiedlichen Prozesse, welche Nanomaterialien in der Umwelt durchlaufen.

Nicht nur das Wissen zur Umweltexposition von Nanomaterialien, sondern auch das heutige Wissen über Umweltrisiken ist beschränkt. Die Risikoforschung ist mit einer Reihe von Problemen konfrontiert. Eine Vielzahl verschiedener Nanomaterialien wirkt mit unterschiedlichsten Eigenschaften auf die Umwelt ein. Im Prinzip muss jedes Nanomaterial einzeln beurteilt werden. Zudem gibt es zahlreiche Umweltfaktoren, die das Risiko eines Nanomaterials in der Umwelt mitbestimmen.

Für eine gesicherte Risikobewertung von Nanomaterialien reichen die heute vorliegenden Daten in der Regel nicht aus. Wissenslücken gibt es auch hinsichtlich der Folgen von Langzeitexpositionen, insbesondere auch bei einer kontinuierlichen Exposition gegenüber geringen Nanopartikelkonzentrationen.

 

Laufende Entwicklungen

Dezember 2018

Zhang et al. äussern sich in einem Reviewartikel zu Effekten und potentielle Mechanismen für die Transformation (Umwandlung) von Metall-Nanopartikeln in der Umwelt und zu der Toxizität der veränderten Nanopartikel für Organismen. Die Autoren betonen, dass für die Transformationsprodukte Wissenslücken über deren Umwelteinwirkungen bestehen. Sie vertreten die Hypothese, dass die Umwandlung ursprünglicher Nanopartikel deren Toxizität beeinflussen können.

Juni 2017

Wilson (2018) stellt sich die Frage, ob der Einsatz von Nanopartikeln eher Umweltprobleme erzeugen oder zu ökologischen Problembehebung führen wird. Die Lücke zwischen rascher Entwicklung der Nanotechnologie und der Fähigkeit von Wissenschaftlern, die Einwirkungen auf die Umwelt zu verstehen, werde der entscheidende Faktor sein, ob sich die Nano-Industrie nachhaltig entwickelt.

Dezember 2017

Chen et al. (2017) befassen sich mit der Auswirkung von Nanomaterialien auf die Biodiversität. Nanomaterialien können laut den Autoren eine Reproduktions- und Entwicklungstoxizität auf Pflanzen und Tiere bewirken. Auch können Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften in der Umwelt verursacht werden. All diese nachteiligen Effekte auf die Biodiversität und die Umwelt würden von der Empfindlichkeit der Organismen und der Dauer der Exposition abhängen. Es brauche mehr Anstrengungen, um die Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Biodiversität zu erforschen.

November 2017

Adam and Nowack (2017) von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA gehen in ihrem Artikel in der Fachzeitschrift Nano der Frage nach, wie sich im Lebenszyklus von Nanomaterialien insbesondere als feste Nano-Abfälle einordnen lassen. Dazu wurden aktuell verfügbare Daten zu den Massenflüssen von Nano-Silber (Ag), Nano-Zink (Zn) und Nano-Titandioxid (TiO2) sowie von Kohlenstoffnanoröhrchen in der Umwelt herangezogen. Die Autoren erarbeiteten sich eine länderspezifische Wahrscheinlichkeitsbeurteilung von Nanomaterialflüssen in Deponien, Verbrennungsanlagen und Recycling in Europa. Ein Resultat zeigte, dass feste Abfälle, die Nano-Ag, Nano-TiO2 und Nano-ZnO enthalten, meistens in Sortierungs- und Recyclinganlagen gelangen, während fester Abfall mit Carbon Nanotubes am häufigsten direkt deponiert wird. Solche Resultate können nützlich sein, die Hotspots der Freisetzung von Nanopartikeln während dem Abfallmanagement aufzuzeigen. Allerdings brauche es dazu noch Wissen über das Verhalten der Nanomaterialien während den Abfallbehandlungsprozessen, um Materialflüsse in die Umwelt beurteilen zu können.

Oktober 2017

In den Weltmeeren schwimmen Millionen von Tonnen an Plastikmüll, darunter Plastikflaschen, Verpackungsmaterial, Fischernetze und zahlreiche weitere Kunststoffabfälle vom Einwegrasierer bis zu Flip-Flops. Laut dem NanoInformationsPortal treiben durchschnittlich 13’000 Plastikmüllpartikel auf jedem Quadratkilometer Meeresoberfläche. Durch Verwitterungsprozesse zerfällt der Plastik in Nano-Plastik-Teilchen mit einer Grösse zwischen 1 und 100 Nanometern. Bei den nanoskaligen Teilchen besteht ganz besonderer Bedarf, die Risiken der Nano-Plastik-Partikeln auf Organismen im Meer bis hin zum menschlichen Verdauungstrakt zu bewerten. Mattsson et al. (2017) publizierten kürzlich eine Studie über Gehirnschäden und Verhaltensstörungen bei Fischen, welche Nano-Plastik-Partikeln ausgesetzt sind. In ihrer Schlussfolgerung schliessen sie nicht aus, dass die Nano-Plastik-Teilchen weiter bis zum Menschen als Konsument transferiert werden.

September 2017

Die Nano-Ökotoxikologie ist eine aufkommende Wissenschaft mit dem Ziel, die Umwelteffekte von Nanomaterialien in der Umwelt einzuschätzen. Unter den heute produzierten und bereits kommerziell angewendeten Nanomaterialien haben Kohlenstoff-Nanomaterialien (wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen oder Fullerene) besondere Aufmerksamkeit wegen ihrem Umweltverhalten erlangt. Mottier et al. (2017) publizierten deshalb einen Übersichtsartikel zu den Umwelteinwirkung von synthetischen Kohlenstoff-Nanopartikeln und bemerken dazu, dass es sich bei diesen Nanomaterialien um aufkommende Umweltverunreinigungen handelt. Gleichzeitig sei das Potential der Umwelteinwirkungen nach wie vor schlecht verstanden. Die Zusammensetzung der verschiedenen Kohlenstoff-Nanomaterialien würden es schwierig machen, die Teilchen zu detektieren und in biologischen Systemen zu quantifizieren. Zwar seien die vorhergesagten Konzentrationen in der Umwelt klein, aber es könne in Organismen zu einer Bioakkumulation kommen. Spezielle Aufmerksamkeit müsse den Konsumprodukten gegeben werden. Doch eine solide Einschätzung der Risiken sei eine grosse Herausforderung.

Juli 2017

Goswami et al. (2017) beurteilten in einem Reviewartikel die Eigenheiten, das Verhalten und Effekte von synthetischen Nanopartikeln auf die Umwelt. Sie stellen fest, dass die zunehmende Verwendung von Nanopartikeln dazu führt, dass diese auch zunehmend in der Natur präsent sind. Richtlinien zur Risikobeurteilung der Exposition der Umwelt, dem Alterungsprozess der Nanomaterialien oder der Charakteristika der Langzeit-Akkumulation in der Umwelt seien allerdings noch nicht hinreichend entwickelt. Sie kommen zum Schluss, dass viele Umweltfaktoren das Schicksal der Nanopartikel beeinflussen, indem beispielsweise die Beschaffenheit und Chemie der Umwelt eine Rolle spielen würde, was auch die Transformation der Nanopartikel, deren Transport und Mobilität in Ökosystemen beeinflussen würde. Umwandlungsprozesse der Nanomaterialien könnten die Lebensfähigkeit, das Wachstum oder die Morphologie von Organismen in der Umwelt reduzieren, den oxidativen Stress (Ausbildung reaktiver Sauerstoffverbindungen) erhöhen und damit die DNA in lebenden Organismen beschädigen.

Juni 2017

Tolaymat et al. (2017) berichten über eine Analyse der Umweltemissionen von metallischen und Metalloxid-Nanomaterialien. Sie stellen fest, dass die heute publizierte Literatur über Emissionen von metallischen und Metalloxid-Nanomaterialien begrenzt ist. Zudem sei die Charakteristik der emittierten Nanomaterialien mangelhaft, da die physikalischen und chemischen Eigenschaften selten gemessen wurden. Es gäbe Evidenz, dass emittierte Nanopartikel in die Luft einen breiten Konzentrationsbereich überstreichen, sowohl unter als auch über den erlaubten Expositionslimiten von Menschen, die damit arbeiten. Die Konzentrationen der Nanopartikel in Wassersystemen müssten im toxischen bis zu sehr toxischen Bereich für eine Vielfalt an biologischen Arten betrachtet werden. Schliesslich könnte man wegen Wissenslücken nicht viel in der Literatur erfahren, was für realistische Szenarien der Veränderung der Nanomaterialien in der natürlichen Umwelt und in biologischen Systemen ablaufen.

Februar 2017

McGillicuddy et al. (2017) befassten sich mit Silber Nanopartikeln in der Umwelt und erörterten die Quellen der Partikel, deren Detektion und Ökotoxizität. Grund für die Studie sei die Tatsache, dass Silber Nanopartikel in zahlreichen Konsumprodukten wie Textilien, medizinischen Produkten, Haushaltsgeräten, Lebensmittelbehältern, Kosmetika, Farben oder nano-funktionalisiertem Plastik enthalten seien. Es sei wichtig, die Umweltexposition gegenüber Silber Nanopartikeln durch deren Produktion, Gebrauch und Entsorgung zu untersuchen. So sei es wahrscheinlich, dass Silber Nanopartikel während ihrem Lebenszyklus in die Umwelt gelangen. Doch das Schicksal der Silber Nanopartikel in der Umwelt und namentlich in Gewässern sei von vielen Faktoren beeinflusst. Weiter sei die Detektion der Silber Nanopartikel in Gewässern schwierig. Die Autoren folgern, dass ein standardisierter Ansatz für Toxizitätstests bei Silber Nanomaterialien nötig sei, um deren Toxizität umfassend zu beurteilen.

Januar 2017

Benavides et al. (2016) halten fest, dass die weltweit zunehmende Verwendung von Nanopartikeln gewisse Bedenken über deren Einwirkung auf die Umwelt hervorrufen. Sie studierten deshalb die Toxizität von Metalloxid-Nanopartikeln: Untersucht wurden einzelne und kombinierte Effekte von Aluminiumoxid- und Zinkoxid-Nanopartikeln auf den Goldfisch. Dazu wurden die Goldfische unterschiedlichen Konzentrationen von Nanopartikeln während Perioden von 7, 14 und 21 Tagen ausgesetzt. Am Ende der Expositionszeit wurden verschiedene Parameter in den Fischen untersucht und festgestellt, dass sich die Werte veränderten. Histologische Beobachtungen der biologischen Gewebe zeigten, dass die Metalloxid-Nanopartikel sowohl die Leber wie auch die Kiemen beeinflussten. Dies zeigte sich in Form einer Hyperplasie (Vergrösserung eines Gewebes oder Organs) oder einer Degeneration der Leber.

November 2016

Titandioxid-Nanopartikel sind ein aufkommender Stressor für die Umwelt, da sie zunehmend in Ökosysteme freigesetzt werden. Simonin et al. (2016) kommen in einer Studie zum Schluss, dass Titandioxid-Nanopartikel die mikrobielle Funktion in Böden stark beeinflussen. Ein landwirtschaftlicher Boden wurde 90 Tage gegenüber Titandioxid-Nanopartikeln exponiert (1 und 500 Milligramm pro Kilogramm trockenem Boden) und die Reaktion auf die mikrobielle Gemeinschaft untersucht. Beobachtet wurde der Stickstoff-Kreislauf. Es wurden starke negative Einwirkungen auf nitrifizierende Enzymaktivitäten (Nitrifikation: Bakterielle Oxidation von Ammoniak bzw. Ammonium-Ionen zu Nitrat zwecks Energiegewinnung für das Wachstum) und auf das Vorkommen von Ammoniak-oxidierende Mikroorganismen beobachtet. Die Resultate seien ein weiterer Anlass zu ergründen, wie aufkommenden Nano-Schadstoffe die Bodengesundheit beeinflussen.

September 2016

Reddy et al. (2016) publizierten einen Reviewartikel mit der Frage, ob Nanomaterialien toxisch für Pflanzen sind. Sie stellen fest, dass die Nanotechnologie ständig expandiert und damit die unvermeidbare Interaktion zwischen Nanomaterialien und Pflanzen fördert. Aktuelle Forschung würde nicht eindeutige Resultate zur Auswirkung von Nanomaterialien auf Pflanzen liefern. Einerseits gäbe es Berichte über schädigende Wirkungen, während andererseits gewisse Untersuchungen positive Effekte auf Pflanzen hervorheben. Die Unsicherheit darüber, ob Nanomaterialien primär schädlich für Pflanzen sind, oder ob sie das Potential günstiger Effekte auf Pflanzen haben, hätte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Fragen aufgeworfen. Der Reviewartikel wolle diese Zweideutigkeit erörtern. Die Autoren kommen zum Schluss, dass der Unterschied in den Forschungsergebnissen möglicherweise mehrfachen Faktoren, wie die Eigenschaften des bestimmten Nanomaterials, der betrachteten Pflanzenart, der Bodeneigenschaften oder der bakteriellen Bodengemeinschaften zuzuschreiben sind. Zudem zeige die Literaturanalyse, dass eine Wissenslücke über Effekte der Nanomaterialien betreffend Änderungen in der Farbe, der Textur, der Form und dem Nährstoffgehalt der exponierten Pflanzen bestehe.

Juni 2016

Das deutsche Umweltbundesamt UBA hat im Juni 2016 Empfehlungen zu Nanomaterialien in der Umwelt und zum aktuellen Stand der Wissenschaft und Regulierungen zur Chemikaliensicherheit publiziert: „Nanomaterialien können im Vergleich zu konventionellen Chemikalien und Materialien veränderte oder neue Eigenschaften aufweisen. Bis heute gibt es aber – bis auf wenige Ausnahmen – keine Anpassungen von Stoffgesetzgebungen an Nanomaterialien. Dadurch können potenzielle spezifische Umweltrisiken nicht zureichend abgebildet und bewertet und geeignete Massnahmen zur Minimierung der Risiken nicht getroffen werden. Schwerpunkt der vorliegenden Veröffentlichung ist daher die Darstellung der notwendigen Weiterentwicklung der Chemikalienregulierung für Nanomaterialien mit Bezug auf die Umwelt aus Sicht des UBA.“

April 2016

Das deutsche Umweltbundesamt hat ein Datenblatt zum Einsatz von Nanomaterialien und nanoskaligen Produkten zur Abwasserbehandlung publiziert. Das Fazit lautet: „Die Abwasserbehandlung mit Nanomaterialien kann ggf. zu einer besseren Qualität des Wassers aus Abwasserbehandlungsanlagen beitragen. Jedoch befinden sich die meisten Anwendungen noch in der Entwicklung. Neben dem Nutzen der Verwendung von Nanomaterialien zur Wasser- und Abwasserbehandlung ist zu berücksichtigen, dass Nanomaterialien unbeabsichtigte Wirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit hervorrufen könnten. Sowohl ihr Verhalten und ihre Wirkung in der Umwelt und auf den Menschen, als auch eine mögliche Anreicherung in der Umwelt und im Organismus werden derzeit vielfach untersucht und können bis jetzt nicht abschliessend bewertet werden. Im Vorfeld der Nutzung von Nanomaterialien für die Behandlung von Abwasser muss auch sichergestellt werden, dass die Nanomaterialien möglichst fest in den entsprechenden Matrizes eingebunden sind und somit nicht in das aufbereitete Abwasser und damit in die Gewässer gelangen können. Eine Abwägung des Einsatzes der Nanomaterialien ist unter Berücksichtigung der ökologischen Folgen für die Umwelt notwendig. Die technische Weiterentwicklung sollte immer mit einer Risikobewertung und Erstellung einer ökobilanziellen Betrachtung einhergehen.“

März 2016

Nebst Abklärungen zu Umweltrisiken durch Nanomaterialien wird auch erörtert, inwiefern umweltfreundliche Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologien möglich sind. Ein Nano-Trust-Dossier vom Mai 2015 stellt Forschungsprojekte vor, die potentiell umweltfreundliche und nachhaltige Anwendungen für die Umwelt untersuchen.

Februar 2016

Mit der zunehmenden Produktion und dem Einsatz von synthetischen Nanomaterialien ist künftig auch mit einem vermehrten Eintrag in Boden, Wasser und Luft zu rechnen. In der Umwelt könnten Nanopartikel eine neue Klasse nicht oder schwer abbaubarer Stoffe bilden. Organismen, Böden oder Gewässer sind dann den Nanomaterialien direkt oder indirekt ausgesetzt. Während verwandte makroskalige Substanzen getestet und klassifiziert wurden, weiss man nur wenig über das Verhalten der Nanomaterialien. Die möglichen Interaktionen zwischen Nanomaterialien und Organismen sind vielfältig, weshalb das Gefährdungspotential für Organismen in der Umwelt noch weitgehend ungeklärt ist. Langzeiteffekte können heute nicht abgeschätzt werden.

Es gibt hunderte von wissenschaftlichen Studien zur Gefährdung der Umwelt durch Nanomaterialien. Illustrative Beispiele von Studien zur Gefährdung der Umwelt sind:

 

Rechtliche Grundlagen zu Umweltrisiken

Laut dem zweiten Bericht zum Aktionsplan strebt der Bundesrat eine Rechtsetzung der Nanotechnologie in bestehenden Gesetzen und Verordnungen an. Der Schweizer Gesetzgeber verfolgt das Konzept, wonach das heutige Recht im Lebensmittel-, Chemikalien-, Umwelt- und Heilmittelbereich auch für Nanomaterialien gilt und in den bestehenden Gesetzen und Verordnungen wo nötig, Ergänzungen in Bezug auf die Nanotechnologie gemacht werden.

Die gesetzlichen Massnahmen zum Schutz der Umwelt vor Nanomaterialien sind schwer zu erkennen. Mögliche Massnahmen, die oft nicht spezifisch für Nanomaterialien formuliert sind, findet man zersplittert in verschiedenen Vorschriften.

So sollen je nach Anwendung bereits bestehende Produktregelungen implizit auch für Nanomaterialien gelten. Auch die Regelung von Emissionen und Immissionen (Grenzwerte für Wasser, Luft und Boden), zur Störfallvorsorge oder zu Abfällen von Nanomaterialien soll in den bestehenden Vorschriften Platz finden. Zurzeit gibt es aber keine Grenzwerte eigens für Nanomaterialien oder nanospezifische Risikokategorien.

Im geltenden Bundesgesetz über den Umweltschutz (Umweltschutzgesetz USG) gibt es keinerlei expliziten Bezug auf Nanomaterialien. Die Freisetzungsverordnung und die Einschliessungsverordnung regeln ausschliesslich den Umgang mit Organismen. Es gibt keinen Bezug auf die Nanotechnologie.

In der Chemikalienverordnung wird der Begriff Nanomaterial definiert. Stoffe und Zubereitungen, müssen innert drei Monaten nach dem erstmaligen Inverkehrbringen der Anmeldestelle gemeldet werden. Nanomaterialien werden dabei explizit genannt. Es wird spezifisch für Nanomaterialien definiert, was der Inhalt der Meldung sein muss. Es müssen Angaben über die Zusammensetzung sowie, soweit vorhanden, die Oberflächenbeschichtung und die Oberflächenfunktionalisierung, die Teilchenform und die mittlere Korngrösse sowie, soweit vorhanden, die Anzahlgrössenverteilung, das spezifische Oberflächen-Volumen-Verhältnis und der Aggregationsstatus der Nanomaterialien angegeben werden. Die Chemikalienverordnung verpflichtet zudem die Hersteller, bei alten Stoffen und Zubereitungen mit Nanomaterialien, die Sicherheit für Mensch und Umwelt im Rahmen der Selbstkontrolle selbst zu überprüfen.

Nanomaterialien in Pflanzenschutzmitteln und Biozidprodukten, die in die Umwelt gelangen, unterliegen einem Zulassungsverfahren. Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für Pflanzenschutzmittel werden Angaben zu den enthaltenen Nanomaterialien verlangt.

Laut dem zweiten Bericht zum Aktionsplan muss bei der Beurteilung von Dossiers über Nanomaterialien, welche im Rahmen eines Anmelde- oder Zulassungsverfahrens eingereicht werden, fallweise entschieden werden, ob zusätzliche Daten oder Abklärungen für die Beurteilung der Risiken für Mensch und Umwelt nötig sind.

 

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