Umweltrisiken von NanomaterialienWarrelmann.pdfE/Z-Isomerism Rotational freedom Steric hindrance no rotational freedom Tautomerism Bond types Functional groups pKa-Value Transformation

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Umweltrisiken von NanomaterialienStand der Risikoforschung im Raum Bremen

Jürgen Warrelmann & Marianne MatzkeZentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien

Übersicht

UFT-Konzept

Herausforderung Nanotechnologie

Strategien der Gefährdungsabschätzung

Übertragbarkeit auf Nanopartikel

Nano-Projekte am UFT

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UFT UFTZentrum für Umweltforschungund nachhaltige Technologien

• Nachhaltiges Chemikaliendesign• Risikobewertung• Selektive Trenn- und Reaktionstechnik• „Safe Soils“• Innovative Wasseraufbereitungsverfahren

Forschungsgebiete

Technische Mitarbeiter

ChemikerBiologen

IngenieureGeologen

Sozialwissenschaftler

9 Abteilungen

~ 160 Mitarbeiter

Interdisziplinärer Forschungsansatz

UFT-Konzept

Forschungsschwerpunkt

Umweltverträgliche Nanomaterialien

http://www.nanotechproject.org

Woodrow Wilson Datenbank registriert kommerziellerhältlich Produkte, die Nanomaterialien/partikel/Technologie enthalten

bereits über 1000 Produkte registriert, Zahl steigt täglich

davon stammt der Hauptanteil aus den USA

HerausforderungNanotechnologie

6

Que

lle: h

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w.n

anot

echp

roje

ct.o

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Anstieg von 54 Produkten im Jahr 2005 auf 1015 im Jahr 2009

7

Hauptanteil in der Kategorie Gesundheit und Fitness!!!!

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8

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Eigenschaftenvon Nanopartikeln

Warum ist die Nanotechnologie so erfolgreich ?

sehr hohes Oberflächen- / Volumenverhältnis

hohes Risiko (?)

Konsequenzen

hohe Reaktivität – hohe Effizienz

Zwei Seiten derselben Medaille !

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Exposition

Gef

ährd

ungs

pote

nzia

l(h

azar

d)= Risiko (risk)

Was ist Risiko ?

Risikobewertung

Im UFT untersuchte „Chemikalienklassen“

TBT

IrgarolSn

• Antifouling Biozide

• Moschus-Verbindungen

• Vulkanisierungsbeschleuniger

• Ionische Flüssigkeiten

OH

N

N

N

S

N NHH

SN

O

H

H

CH3

Isothiazolone

Moschus-Verbindungen

MBTN N+

BF4-

Ionische Flüssigkeiten

Gefährdungsabschätzungvon Chemikalien

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Ziel: Nachhaltige Chemikalien

Toxicophore

Technicophore

Ecotoxicophore

Akzeptable Kosten-NutzenRechnung

Geringes Gefährdungs-Potenzial für Mensch und

Umwelt

ChemischeStruktur

N+

Technische Anforderungen

CH3

CH3

PF6

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Strategie zur Gefährdungs-abschätzung

T-SAR geleitete Analyse der chem. Strukturen

1. Stufe

Screeningin einer flexiblen ökotox.

Testbatterie2. StufeAnalytik+

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Der T-SAR Ansatz

N

N

NN

N HH

OOO

P

O

O

OH

Na+

Molecular Interaction Potential(MIP)

H-DonorH-Acceptor

Charge transfer

Dipole moment

Hydrophobic potential

Negative Charge

Positive Charge

ReactivityStereochemistry

Configuration

Conformation

Hybridisation

Chiral centersChiral axes

Chiral planesE/Z-Isomerism

Rotational freedomSteric hindrance

no rotational freedom

Tautomerism

Bond typesFunctional groups

pKa-Value

Transformation of functional groupsMetabolism

Thinkingin terms of

Structure Activity Relationships

Interactions

Stereo-chemistry Reactivity

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1.Stufe: T-SAR

N

N

NN

N HH

OOO

P

O

O

OH

Identifizierung von Toxicophoren

Vorhersage von Wirkmechanismen

Auswahlder Testsysteme

Hypothesendie „richtigen“ Fragen

PopulationenPopulationen

OrganismenOrganismen

Organe, GewebeOrgane, Gewebe

Zellen, DNA, Enzyme, Membranen

Zellen, DNA, Enzyme, Membranen

ÖkosystemeÖkosysteme

SCHLECHT standardisierbar

GUT standardisierbar

HOHE ökologische Relevanz

LANGE ZEITRÄUMEchronische Effekte

NIEDRIGE ökologische Relevanz

KURZE ZEITRÄUMEakute Effekte

Auswahl Testsysteme

HOHE Relevanzfür molekulare Betrachtungen

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2.Stufe: flexible ökotox. Testbatterie

Molekulare Testsysteme

Acetylcholinesterase

NN COO

NH3 O

O

H

HSH

OOC-

+

-

NN COO

NH3 O

O

H

HOOC

NN COO

NH3 O

O

H

H

OOC

S

S

-

+

-

-

+

-

GSH GSSG

Glutathionreduktase

Glutathionzyklus

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Zelluläre und organismische Tests

Säuger ZelllinienAquatische und Bodenbakterien Limnische Grünalgen

verschiedeneterrestr.Pflanzen

Lemna minor

Folsomia candidaEnchytraeus crypticusMesokosmen„AquaHab“

Bioabbaubarkeits-tests


20

Mechanismender toxischen Wirkung

VerschiedeneUmweltmatrizes

Verschiedene Levelbiol. Komplexität

Screeningder Basistoxizität


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Übertragbarkeit

N

N

NN

N HH

OOO

P

O

O

OH

Na+


H-DonorH-Acceptor

Charge transfer

Dipole moment


Negative Charge

Positive Charge


Configuration

Conformation

Hybridisation





Tautomerism


pKa-Value


Nano-partikel

Partikelgröße

Partikelform

Liganden / Coating

Metallkern

N

N

NN

N HH

OOO

P

O

O

OH

Na+


H-DonorH-Acceptor

Charge transfer

Dipole moment


Negative Charge

Positive Charge


Configuration

Conformation

Hybridisation





Tautomerism


pKa-Value


Nano-partikel

Wie wirken sich Agglomerate bzw.Aggregate von NP aus ?

Gibt es Interferenzen von NPmit dem Testsystem ?

Wie wirken sich produktions-bedingte Verunreinigungenvon NP aus ?

Übertragbarkeit

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Endpunkte/Zielegeeignet?

Exposition muss angepasstwerden ! ! !

Übertragbarkeit

Mechanismender toxischen Wirkung

VerschiedeneUmweltmatrizes

Verschiedene Levelbiol. Komplexität

Screeningder Basistoxizität

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Analytik von Nanopartikeln

NPs insuspension

NPs insolid products

Dynamic light scattering

UV-VIS spectroscopy(only for metallic NP)

Element analytics(e.g. AAS, IC, ICP-MS)

SEM-EDXscanning electron microscopywith energy dispersive X-ray

TEM-EDXtransmission electron microscopywith energy dispersive X-ray

particle size

different metallic NP

elementconcentration

shape

identification of single particles

elementcomposition

„Analytik und Risikoabschätzungsstrategie für mikrobiozide nanotechnologische Produkte“gefördert durch die BIG / WFBLaufzeit: 01.07.07 bis 31.03.09Projektpartner: Bremer Umweltinstitut


Erarbeitung analytischer Grundlagen

Beitrag zur Gefährdungsabschätzungvon Silber-Nanopartikeln

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Quelle: http://www.nanotechproject.org

Silber

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Graduiertenkolleg „nanoToxCom“Toxische Kombinationswirkungen von synthetischen NP,gefördert durch die

Laufzeit 01.11.2008 bis 30.10.2011

fokussiert auf metallische und metalloxische Nanopartikel

8 Doktorandenstipendien aus den Bereichen: Ökologie, Chemie, Biochemie, Ingenieurswesen, Technikfolgeabschätzung….

Analyse der Chancen & Risiken verschiedener Stufen im Lebenszyklus

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„nanoToxCom“

Bodenorganismen und ökosystemareFunktionen

Neurotoxische Aktivität im Säugergehirn

Elektronen-mikroskopie

Wechselwirkung mit Modellmembranen

Verhalten und Metabolismus in Gehirnzellen

Synthese und kata-lytische Eigenschaften

Exposition in Innenräumen

Herstellung und Analytik Fitness und Gen-

expression von Pflanzen

Ökoprofile und Risiko-management

Wirkung auf Modellmembranen

Fertigprodukte

HerstellungCharakteri-sierung + Lokalisierung

Biochemische und biologische Wirkungen

Expositionsanalyse, Gefährdungsabschätzung, Ökobilanz, -profil Biologie

BiochemiePhysikalische Chemie

Analytik von Nanopartikeln

Technikfolgenabschätzung und Expositionsanalyse

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• Überprüfung ob herkömmliche Testsysteme zur Risikoerfassung ausreichend sind

• Falls nein: welche Empfehlungen müssen ausgesprochen werden?

• Welche Analytik ist zur umfassenden Charakterisierung notwendig?


OECD-Programm „Working Party on Manufactured Nanoparticles“:

Fragestellungen

UFT-Beitrag• ökotoxikologische/analytische Daten für Titandioxid- undSilber-Nanopartikel

Umweltkompetenz Nanomaterialiengefördert durch das Programm AUF (Angewandte Umweltforschung), Laufzeit 01.11.2008 bis 31.10.2011

Koordination von nanoToxCom

Öffentlichkeitsarbeit (u.a. Kontakte zu Bremer Firmen, Forschungsinstituten, WFB-Seite, Organisation von Workshops, Vernetzung der Nanoforschung)

Ansprechpartner: Jürgen Warrelmann, [email protected]


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Zusammenfassung der bisher wichtigsten Ergebnisse

• Standard (Öko)toxtests sind prinzipiell geeignet zur Erfassung von Nanopartikel-Effekten

• Standardisierung der Präparations- und Charakterisierungsprotokolle dringend notwendig zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse

• Normierung der Testergebnisse auf Partikelkonzentration/spezifische Oberfläche

• Langzeituntersuchungen sind zwingend erforderlich

UMSICHT: Abschätzung der UMweltgefährdung von SIlber-Nanomaterialien: vom CHemischen Partikel bis zumTechnischen ProduktGefördert durch das bmbf , Programm NanoNature17 Projektpartner, Koordination UFTLaufzeit: voraussichtl. 1.5. 2010 bis 30.4.2013

Nano-Projekte am UFT:Ausblick

Ziele:Zusammenhänge zwischen Eigenschaften und Wirkungen der Nanomaterialien

Verbleib, Exposition und Wirkung von Silber in Verbrauchsprodukten

Gefährdungs- und Risikoabschätzung an idealisierten Szenarien

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Fragen?Kommentare? Anregungen?

Kontaktadressen:

Prof. Jürgen Warrelmann: [email protected]. Marianne Matzke: [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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