Aluminium ist das häufigste Metall in der Erdkruste. Ale weiches und sehr leichtes Metall ist es einfach verformbar und wird u.a. für Leichtbau und Verpackung eingesetzt. Aluminiumoxid ist hart und temperaturbeständig. Man verwendet es z.B. als Schleifmittel, Knochenersatz, für Schmelztiegel und Uhrengläser. In der chemischen Industrie wird es als Trägermaterial für Katalysatoren eingesetzt. Aluminiumoxid ist ein bewährtes Mittel bei Sodbrennen, da es hilft, die Magensäure ins Gleichgewicht zu bringen.
Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?
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Aluminium kommt natürlicherweise in kleinen Mengen in vielen Lebensmitteln vor. Zusätzlich kann es aus Verpackungen, Dosen, Folien oder Kochgeschirr in Lebensmittel übergehen – besonders bei sauren oder salzigen Speisen wie Tomatensoße, Obst, Sauerkraut oder Marinaden. Auch in manchen Antitranspirantien und Arzneimitteln wie Magensäurebindern kommt Aluminium vor.
Beim Schleifen, Schweißen, Fräsen oder in der Aluminiumproduktion kann Aluminium-Staub entstehen und eingeatmet werden.
Als Schleifmittel (z.B. in Schleifpapier, dort meist als Korund bezeichnet) kann Aluminiumoxid stauben und dabei eingeatmet werden. Deshalb sollte man eine Atemschutzmaske tragen und/oder eine Absaugvorrichtung einsetzen.
Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?
Über die intakte Haut bei Kontakt mit Gegenständen, Verpackungen oder Schmuck wird Aluminium normalerweise nicht aufgenommen. Der tolerierbaren wöchentliche Aufnahmewert (TWI) wurde auf 1 mg/kg Körpergewicht festgelegt.
Aluminiumoxide gehören zu den ungefährlicheren Substanzen. Nur in großen Mengen wirken sie giftig.
Fazit:
Aluminium hat im menschlichen Körper keine natürliche Aufgabe. Im Alltag kommt der menschliche Körper nur mit geringen Mengen an Aluminiumoxid-(Nano)partikeln in Kontakt; dadurch besteht keine Gefährdung der Gesundheit.
Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall. An der Luft bildet sich an der Oberfläche eine dünne, schützende Aluminiumoxidschicht, die das Metall korrosionsbeständig macht. Aluminium leitet Wärme und elektrischen Strom hervorragend und lässt sich dünn zu Alufolie auswalzen. Da reines Aluminium weich ist, wird es für technische Anwendungen meist mit anderen Elementen zu hochfesten Aluminiumlegierungen kombiniert.
Anwendungsgebiete sind Leichtbau von Flugzeugen, Zügen und Autos zur Treibstoffeinsparung, der Einsatz in der Verpackungsindustrie (Getränkedosen, Konserven etc.), Fensterrahmen, Fassadenelemente und Türen und es wird für oberirdische Hochspannungsleitungen genutzt. Legierungen können in Gießereianwendungen oder als Metallpulver zur additiven Fertigung (3D-Druck) von metallischen Bauteilen eingesetzt werden. In der Nahrungsmittelindustrie wird Aluminium als Lebensmittelfarbe mit dem Namen E 173 bezeichnet. Es dient zur Dekoration von Backwaren und als Überzug von Süßwaren.
Verbindungen des Aluminiums (Al) mit Sauerstoff (O) bezeichnet man als Aluminiumoxide, Verbindungen mit OH-Gruppen als Hydroxide. Aluminiumoxide (Al2O3) treten in verschiedenen Modifikationen auf, eines der bekanntesten und bedeutendsten ist alpha-Al2O3 (Korund). Daneben existieren eine Reihe weiterer Aluminiumoxide unterschiedlicher Struktur, die sogenannten Übergangstonerden. Korund weist eine Dichte von 3,98g/cm³, eine hohe Härte, einen Schmelzpunkt von 2053 °C sowie einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 1012Ohm·m (bei 20°C) auf. Es ist chemisch sehr stabil und in Wasser, Säuren und Laugen nahezu unlöslich, während sich z. B. die Übergangstonerde gamma-Al2O3 in starken Säuren und Basen löst. Gamma-Aluminiumoxid findet auf Grund seiner hohen Oberflächenaktivität als Adsorbenz und Katalysatormaterial Anwendung.
Neben den Oxiden des Aluminiums, kommen auch noch verschiedene Hydroxide vor. So gibt es die Aluminiumhydroxide [Al(OH)3] Bayerit und Gibbsit sowie die sogenannten Aluminiumoxihydroxide [AlO(OH)] Böhmit und Diaspor. Gibbsit, Böhmit und Diaspor sind Bestandteil des technisch wichtigsten Aluminiumminerals Bauxit.
Korund wird auf Grund seiner hohen Härte als Lagerstein in Uhren sowie als Schleif- und Poliermittel von Edelsteinen, Metallen und Si-Wafern verwendet. Mit Bindemitteln, insbesondere anderen Oxiden gemischt, wird Korundpulver zu Tiegeln, Schalen, Schutzrohren, elektrischen Isolatoren, Gelenkersatz (künstliches Hüft- oder Kniegelenk), Dentalkeramik, Brennerrohren, Katalysatorträgern, Verschleißschutz, Panzerungen, Ofenauskleidungen sowie Werkzeugen für die Umformung und Zerspanung von Metallen verarbeitet.
Korund ist zwar hart und spröde, weist aber eine geringe Zähigigkeit auf. Zur Steigerung der Zähigkeit setzt man dem weißen Korund für verschiedene Anwendungen teilstabilisiertes Zirkoniumoxid bzw. Titancarbid („Schwarze Keramik“) zu. Die geringe elektrische Leitfähigkeit und hohe Durchschlagfestigkeit von Aluminiumoxid nutzt man bei der Herstellung von Isolatoren und Zündkerzen.
Synthetische Korundkristalle werden aus Korundschmelzen gezüchtet und weisen hohe Härte, Transparenz und Kratzfestigkeit auf. Die Edelsteine Saphir und Rubin stellen Korund mit geringen Zusätzen von Eisen/Titan bzw. Chrom dar und werden, synthetisch hergestellt, z. B. in Lasern eingesetzt. Saphir findet z. B. als kratzfestes Uhrenglas Verwendung. Sinterkorund kann durch geringe Zusätze an Fremdstoffen ein breites Farbspektrum annehmen.
Böhmit und andere Aluminiumoxide dienen in der Erdöl- und chemischen Industrie wegen Ihrer thermischen Beständigkeit als Katalysatorträger und Adsorbentien. Nanoskaliges Aluminiumoxid kann, zu porösen Strukturen versintert und auf einem gröber strukturierten Träger aufgebracht, auch zur Nanofiltration eingesetzt werden.
Aluminiumhydroxid [Al(OH)3] dient in Pulverform als Flammschutzmittel sowie als Füllstoff in Teppichbelägen, Gummi, Kunst- und Schaumstoffen. Weiterhin wird es in Zahnputzmitteln und Kosmetika eingesetzt.
Im Allgemeinen dienen Aluminiumoxide und -hydroxide in der Farb- und Kunststoffindustrie als Verdickungs- und Füllmittel und werden auch zum Herabsetzen der Klebrigkeit und Erhöhen der Kratzfestigkeit eingesetzt. Auch die Farbbrillanz von Lacken kann positiv beeinflusst werden.
Alumimiumoxid ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Aluminiumoxid nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.
Weitere Anwendungsbereiche finden sich in:
Keramiken: hier auch oftmals hohe Abriebfestigkeit und Feuerfestigkeit
Additiven für die Papierherstellung: Nicht-Haftung des Papiers in Hochgeschwindigkeitsprozessen an den Transportrollen
Künstlichen Edelsteinen wie Saphiren oder Yttrium-Aluminium Granat (z.B. Einsatz in Hochenergielasern)
Leuchtstoffen und Phosphoren: Aluminiumoxide als Trägermaterialien
Chemische Industrie und Katalyse: als stabile und poröse Gerüststruktur für Katalysatoren
Vorkommen und Herstellung
Blauer Saphir. @ byjeng-stock.adobe.com
Aluminiumoxid wird großtechnisch aus dem Mineral Bauxit hergestellt. Die weltweiten Bauxitvorkommen werden auf ca. 30 Mrd. Tonnen geschätzt, die jährliche Weltfördermenge beläuft sich auf ca. 400 Millionen Tonnen (Stand 2023). Australien und Guinea zählen zu den Ländern mit den größten Bauxitvorkommen und den höchsten Fördermengen weltweit.
Der Saphir ist die schönste, aber auch seltenste Form des Aluminiumoxids und als Edelstein bekannt.
Die Herstellung von Aluminiumoxid erfolgt nach dem Bayer-Verfahren, bei dem Bauxit zerkleinert, getrocknet und mit konzentrierter Natronlauge gelöst wird. Die Verunreinigungen Eisen, Silizium und Titan werden im sogenannten Rotschlamm abgetrennt. Aus der Lösung wird Aluminiumhydroxid ausgefällt, das bei 1200-1300°C zu Al2O3 gebrannt wird. Zur Gewinnung von Aluminium wird das Aluminiumoxid in der sog. Schmelzflusselektrolyse zu flüssigem Aluminium reduziert. die größten Primäraluminiumproduzenten sind China, Russland, Kanada und Indien. Wichtig ist außerdem das Recycling von Aluminium, wobei nach der Abtrennung von anderen Metallen und thermischer Vorbehandlung zur Entfernung von Beschichtungen, Lacken und anderen Materialien das saubere Aluminium in großen Schmelzöfen bei etwa 660 °C bis 800 °C verflüssigt, in Barrengegossen und in Walzwerken weiter verarbeitet wird.
Wefers, K and Misra, C (1987). Oxides and Hydroxides of Aluminum, Alcoa Technical Paper No. 19, Alcoa Laboratories, Pittsburgh, PA, 1987.
Petzold, A and Ulbricht, J (1991). Aluminiumoxid: Rohstoff, Werkstoff, Werkstoffkomponente, Dt. Verl. Für Grundstoffind., Leipzig, 1991. ISBN 9783342005322.
Der Ausgangsstoff für die Aluminiumherstellung ist das Mineral Bauxit. Dieses wird im Bayer-Verfahren zunächst zu Aluminiumoxid, und im Hall-Héroult-Prozess zu Aluminium umgesetzt.
Ca. 90 % der weltweiten Bauxitvorkommen liegen in Äquatornähe. Die größten Bauxit-Fördermengen entfallen auf Guinea, Australien und China. Bauxit liegt nahe unter der Erdoberfläche, daher erfolgt die Förderung im Tagebau. Im Jahr 2025 waren China und Europa die größten Hersteller von Primäraluminium.
Man spricht von primärem, durch Förderung von Bauxit gewonnenem und sekundärem, recycelten Aluminium.
Ressourcenverbrauch bei Aufbereitung
Die Herstellung von Aluminiumoxid und Aluminium ist sehr energieintensiv, da hohe Temperaturen (950 – 1300 °C) eingesetzt werden. Zusätzlich werden große Mengen Wasser und Chemikalien benötigt. Der Abbau erfolgt großflächig im Tagebau und führt zu erheblichen Eingriffen in Landschaften und Ökosysteme.
Sicherheit
Beim Abbau und der Herstellung von Aluminium ist die Vermeidung von explosiven Stäuben die wichtigste Arbeitsschutzmaßnahme. Dennoch treten durch Bauxitstaub in Abbaugebieten bei der lokalen Bevölkerung chronische Atemwegserkrankungen vermehrt auf.
Hohe Temperaturen und geschmolzene Metalle bergen Unfallgefahren.
Emissionen
Durch den großen Energieverbrauch bei der Bauxit-Verarbeitung kommt es zu hohen Treibhausgas-Emissionen.
Bei der Aluminiumgewinnung fällt sogenannter hochgradig ätzender und giftiger Rotschlamm an, ein Gemisch u.a. aus Eisenverbindungen, Natronlauge und Schwermetallen. Pro Tonne hergestelltes Aluminium fallen zwischen 1,6 und 3,5 Tonnen Rotschlamm an, der schwer recycelbar ist. Daher wird der Schlamm oft in künstlichen Becken oder Deponien gelagert.
Die Freisetzung von Rotschlamm hat in der Vergangenheit bereits zu schweren Umweltkatastrophen geführt.
Soziale Aspekte
Die Landnutzung ist hoch, da die Bauxitvorkommen nahe der Erdoberfläche liegen und der Abbau im Tagebau erfolgt. Die Tagebaue machen Umsiedlungen notwendig und zerstören häufig die Lebensgrundlagen in Fischerei und Landwirtschaft. Das führt oft zu Konflikten mit der lokalen Bevölkerung.
Die Bauxitförderung führt häufig zu Wasserverschmutzung und Absenkung des Grundwasserspiegels.
Um umweltfreundliche und sozial verträgliche Herstellungsmethoden sicherzustellen, wird es in der EU immer wichtiger, genau auf die Herkunft und den Transport in der Lieferkette zu achten. Das deutsche Lieferkettensorgfaltspflichtengesetz schreibt für Unternehmen mit mehr als 1000 Mitarbeitenden die Dokumentation oder Zertifizierung von Sozialstandards und Arbeitsschutz vor.
Entsorgung und Recycling
Aluminium wird als das Metall mit der höchsten Recyclingfähigkeit angesehen. Es lässt nahezu verlustfrei und unendlich oft wiederverwerten. Das ist jedoch nur beim Recycling von sortenreinen Legierungen möglich. Aluminiumoxide werden häufig nicht gezielt recycelt, aber z. B. als Schleifmittel oder Keramik genutzt.
Rund 75 % des jemals produzierten Aluminiums ist heute noch im Umlauf.
Das Recycling von Aluminium ist deutlich weniger energieintensiv als die Primärherstellung, und benötigt nur ca. 5 % der Energie.
Wie lässt sich das Material nachhaltiger gestalten?
Der Einsatz von erneuerbaren Energien bei der Gewinnung und Verarbeitung könnte den Treibhausgas-Ausstoß deutlich senken.
Die sozialen Auswirkungen der Bauxitförderung können durch eine faire Beteiligung der lokalen Bevölkerung an Planungen und an der Wertschöpfung reduziert werden. Die Umweltauswirkungen bei der Aufbereitung können durch strenge Umweltstandards, fortschrittliche Filter- und Rückhaltetechnik, sowie durch eine Kreislaufwirtschaft mit stark erhöhtem Recycling verringert werden.
Verbesserte Trennverfahren für die verschiedenen Aluminiumlegierungen aus Altschrotten können zu einer besseren Qualität der recycelten Legierungen beitragen und sogenanntes Downcycling vermeiden. Das verringert auch den Einsatz von Primäraluminium, denn derzeit wird den Schrotten bis zu 50 % Primäraluminium zugesetzt, um die Qualitätsanforderungen erfüllen zu können. (Factsheet Alu UBA 2019).
Aluminium kommt in Form von Aluminium-Ionen als natürlicher Bestandteil in Trinkwasser und anderen Lebensmitteln, insbesondere in Früchten und Gemüse, vor. Aluminiumoxid-Partikel agglomerieren stark, bilden also größere "Partikelhaufen". Sie sind in dieser Form für Zellen wenig toxisch.
Allgemeine Gefährdung
Zusätzliche Belastungsquellen können aluminiumhaltige Bedarfsgegenstände für Lebensmittel wie Kochutensilien, Dosen, Folien oder Tuben sein, aus denen das Leichtmetall in gelöster, ionischer Form auf die Speisen übergeht. Aluminiumverbindungen können außerdem in Medikamenten zur Neutralisation der Magensäure, so genannten Antacida, und in kosmetischen Mitteln enthalten sein. In Deo-Rollern werden sie beispielsweise wegen seiner schweißhemmenden Wirkung eingesetzt.
Im Vergleich zur Aufnahme über Lebensmittel oder Antacida ist die Aufnahme von Aluminium über Lebensmittelbedarfsgegenstände und kosmetische Mittel gering. Sie liegt deutlich unter der Aufnahmemenge, die aufgrund einer aktualisierten Bewertung der Welternährungs- und der Weltgesundheitsorganisation (JECFA, 2006) als gesundheitlich unbedenklich gilt.
Arbeitsmedizinische Untersuchungen zur Belastung und Beanspruchung in der aluminiumpulverherstellenden Industrie haben gezeigt, dass feinstes Aluminiumpulver unter ungünstigen arbeitshygienischen Bedingungen Lungenfibrosen verursachen kann. Diese auch als Aluminiumstaublunge bezeichnete Erkrankung kann seit 1943 in Deutschland als Berufskrankheit (Aluminose) anerkannt und entschädigt werden.
Die Senatskommission der Deutschen Forschungsgemeinschaft legte einen zulässigen Grenzwert für die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) von Aluminiumoxiden von 1,5 mg/m3 fest. Arbeiter in der aluminiumpulververarbeitenden Industrie oder Schweißer in der Automobilindustrie müssen daher geeigneten Atemschutz tragen.
Ein Zusammenhang zwischen einer erhöhten Aluminiumion-Aufnahme aus Lebensmitteln inklusive Trinkwasser, Medikamenten oder kosmetischen Mitteln und einer Alzheimer-Erkrankung wurde bisher wissenschaftlich nicht belegt. Weder bei Dialyse-Patienten, noch bei Aluminium-Arbeitern – beides Personengruppen, die in großem Umfang mit Aluminium in Kontakt kommen – wurden die für Alzheimer typischen Amyloid-Ablagerungen im Gehirn überdurchschnittlich oft beobachtet .
Untersuchungen am lebenden Organismus – in vivo
Im Projekt NanoCare wurden zwei verschiedene Böhmit-Partikelarten (Primärpartikel -Größen von 10 und 40nm) mittels in vivo Studien sehr intensiv untersucht. Die Experimente, bei denen Ratten über 4 Wochen an 5 Tagen der Woche bis zu 28mg/m3 der Partikel einatmeten, zeigten, dass nur bei der höchsten Konzentration Entzündungen der Lungen durch die stark verklumpten Partikel auftraten. Außerdem wurden vermehrt vergrößerte Fresszellen und Veränderungen an den Lymphknoten beobachtet. Wurden mehr als 1mg Partikel pro Lunge von den Ratten inhaliert, führte dies zu Entzündungen in den Lungen.
Ähnliche Ergebnisse zeigten die im Projekt durchgeführten Instillationsversuche. Wurden hierbei mehr als 1,2mg Böhmitpartikel pro Lunge in die Atemwege eingeflößt, zeigten die Lungen der Versuchstiere Schädigungen. Der NO(A)EL liegt in diesen Studien bei 0,6mg .
Untersuchung außerhalb des Körpers – in vitro
Untersuchungen mit Al-, Al2O3– und AlOOH- (Böhmit)-Partikeln zeigten, dass diese Partikel zu starken Verklumpungen, also zu Agglomeraten neigen. Diese Agglomerate können in die Zellen aufgenommen werden, sind aber stets in Vesikeln, also nicht frei in den Zellen und praktisch nie im Zellkern zu finden. Untersuchungen an menschlichen Lungenzellen zeigten, dass Al2O3 geringe schädliche Effekte auf die Zellteilung und Zellvitalität hat, dass selbst bei sehr hohen Dosen keine für die Zellen schädlichen Sauerstoffradikale (ROS) auftraten.
Aluminiumoxid (Al2O3), das z.B. in orthopädischen Keramiken Verwendung findet, wurde auch auf Genotoxizität hin untersucht. Eine erbgutschädigende Wirkung trat nur in sehr geringem Ausmaße nach Zugabe sehr hoher Dosen auf. Dabei wirken Aluminiumoxid-Fasern eher genotoxisch als nano- oder mikroskalige Partikel. Aluminium Partikel sind giftiger als Aluminiumoxid-Partikel. Nur in sehr hoher Dosierung vermindertAl2O3 die Funktion der Mitochondrien (erst bei 200µg/ml Verminderung der Mitochondrien-Funktion um 15%), und führt bei einem Teil der Zellen den (programmierten) Zelltod herbei.
Im Projekt NanoCare wurde Böhmit, ein Aluminiumoxihydroxid (AlOOH) untersucht. Dabei wurde für die humane Lungenzelllinie A549 eine Schwellenkonzentration von mindestens 50µg Partikeln pro Quadratzentimeter Zellrasen bestimmt. Erst ab dieser Konzentration (LOEL) und einer Behandlung über 72h wurde beobachtet, dass die Zellen in Stress versetzt und Entzündungsmarker produziert wurden. Wurde AlOOH niedrig dosiert verwendet, konnten bei verschiedenen Zelllinien unterschiedlicher Herkunft keine Effekte ausgelöst werden. Experimente zur Mobilität von Nanopartikeln über Zellbarrieren (wie z.B. die Luft-Blut Barriere in der Lunge) legten dar, dass Böhmit nicht durch die Zellen hindurch geht. Die Barrierefunktion der Zellen wird durch die Partikel nicht beeinflusst.
Mit Hilfe des sogenannten Vektor-Models, das einige der elementaren Zelleffekte abbildet, konnten Partner des NanoCare-Projektes zeigen, dass unter allen getesteten Materialien AlOOH zu den Partikeln mit geringer Toxizität zählt. Eine Konzentration von 60-120 µg Partikeln pro 106 Fresszellen (damit sind die Zellen schon völlig überladen) führte eine Schädigung der Zellen herbei, wobei auch bei dieser hohen Dosis keine schädlichen Sauerstoffradikale (ROS) in den Zellen detektiert wurde. Eine Schädigung durch realitätsnahe Dosen an Al-Partikeln ist nicht zu erwarten .
Aluminium kommt natürlich in der Erdkruste vor (ca. 8,1 g/kg Boden) und verschiedene Aluminiumverbindungen sind Bestandteile von Böden und Gestein. Für nanoskalige Aluminiumoxide gibt es keine Messwerte für tatsächliche Umweltkonzentrationen.
Aus der Menge der in verschiedenen Konsumgütern eingesetzten Al2O3-Partikeln wurden mittels Computermodellen Konzentrationen von 0,0002g/l in Wasser bzw. 0,01g/kg im Boden vorhergesagt. Im Vergleich zum natürlichen Vorkommen von Aluminium im Boden und auch zu vorhergesagten Umwelt-Konzentrationen (PEC Wert) für Zinkoxid– oder Titandioxid–Nanopartikeln sind diese Werte sehr gering .
Die Inhalation von feinstem Aluminiumoxidstaub kann zu Entzündungen der Lunge führen. Im Gegensatz zur Lunge ist die Haut eine gute Barriere gegen Partikel. Aluminium kommt als natürlicher Bestandteil, als Aluminiumsalz, in Trinkwasser und anderen Lebensmitteln, insbesondere in Früchten und Gemüse vor.
Aufnahme über die Lunge – Inhalation
Eine dauerhafte Exposition mit Aluminiumoxiden kann zu Schädigungen der Lunge, einer Aluminium(oxid)staublunge (Aluminose) führen. Unter einer Aluminose versteht man die krankhafte Veränderungen der Lunge, die durch eine chronischeExposition gegenüber Aluminiumrauch bzw. Aluminiumoxidstaub (da reines Aluminium an Luft sofort oxidiert und dadurch mit einer hauchdünnen Aluminiumoxidschicht überzogen ist, handelt es sich also um Aluminiumoxid-Partikel) entstehen kann. Die Aluminose gehört zu den Pneumokoniosen und ist eine entschädigungspflichtige Berufskrankheit.
Arbeiter in der aluminiumpulververarbeitenden Industrie oder Schweißer in der Automobilindustrie müssen daher geeigneten Atemschutz tragen. Beim Ab- und Umfüllen der Pulver sollte eine Staubentwicklung vermieden werden. Für gute Belüftung/Absaugung am Arbeitsplatz ist ebenfalls zu sorgen. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) an Aluminiumoxide darf 1,5 mg/m3 (alveolengängige Fraktion) betragen .
Aufnahme über die Haut – Dermal
Aluminium(salze) werden in Deorollern wegen ihrer schweißhemmenden Wirkung eingesetzt. Al2O3, das nach der OECD Richtlinie 404 (engl. Acute Dermal Irritation/Corrosion) in Tierversuchen getestet wurde, verursachte keine Hautreizung bei den Versuchstieren. Die maximal empfohlene tägliche Aufnahmemenge von Aluminiumionen durch die Verwendung von Deorollern liegt bei 7 µg und wird als gesundheitlich unbedenklich angesehen .
Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt
Vom gemeinsamen Expertengremium für Lebensmittelzusatzstoffe der Welternährungsorganisation (FAO) und der WHO (JECFA) und dem wissenschaftlichen Lebensmittelausschuss der EU-Kommission (SCF) wurde 1989 ein vorläufiger, tolerierbarer wöchentlicher Aufnahmewert in Höhe von 7 mg/kg Körpergewicht für die Gesamtaufnahme von Aluminium(ionen) aus Lebensmitteln, einschließlich Aluminiumsalzen in Lebensmittelzusatzstoffen abgeleitet.
Erst sehr viel höhere Dosen führen zu Vergiftungen. Nach Verschlucken von Al2O3 liegt die Toxizität (LD50) bei 5 g/kg Körpergewicht (Ratte). Das heißt, ein erwachsener Mensch mit 70 kg Körpergewicht müsste also mind. 350 g Al2O3 zu sich nehmen. Ernsthafte Störungen, wie Schleimhautreizungen, treten aber schon beim Verschlucken von 4 g auf. Aluminiumoxid ist über den Magendarmtrakt nur wenig resorbierbar. Aluminiumverbindungen werden hauptsächlich über die Nieren ausgeschieden .
Die Wirkung von nano- und mikroskaligem Aluminiumoxiden wurde in einer Vielzahl von Organismen untersucht, wobei nur sehr hohe, häufig nicht umweltrelevante Konzentrationen eine toxische Wirkung aufwiesen.
So wurden die Boden-bewohnenden Modellorganismen, wie Schlammröhrenwurm, Flohkrebs, Regenwurm und Körbchenmuschel untersucht. In dieser Studie zeigte lediglich der Flohkrebs bei sehr hohen, nicht umweltrelevanten Konzentrationen von nanoskaligem Al2O3 eine Beeinträchtigung von Wachstum und Überleben. Hinsichtlich der Aufnahme von Aluminium wurden große Unterschiede sowohl zwischen Organismen als auch zwischen nano- und mikroskaligem Al2O3 beobachtet.
Für einen Fadenwurm war Al2O3 toxisch, nachgewiesen durch eine Wachstumshemmung und Einschränkung der Reproduktion. Hier wirkten Nanopartikel stärker als gröbere Partikel. Interessanterweise konnte für ein Aluminiumsalz eine noch stärkere Toxizität als für die Nanopartikel nachgewiesen werden. Eine Regenwurmart, die gegenüber Al2O3 in der Erde für 4 Wochen exponiert wurde, zeigt auch in sehr hohen, nicht in der Umwelt anzutreffenden Konzentrationen keine erhöhte Sterblichkeit. Die Würmer waren jedoch in ihrer Fortpflanzung beeinträchtigt.
Nanoskaliges Aluminiumoxid weist keine starken antimikrobiellen Eigenschaften auf. Die Stoffwechselaktivität von Bakterien wurde durch Al2O3-Partikel nicht beeinflusst. Sehr hohe Partikel-Konzentrationen, die nicht in der Umwelt zu erwarten sind, führten durch eine Interaktion mit der Bakterienoberfläche zu einer leichten Reduzierung des bakteriellen Wachstums. Im Gegensatz dazu stehen Ergebnisse, die eine starke Einschränkung des Wachstums verschiedener Bakterienarten in auch geringeren Konzentrationen zeigen. Zudem wurde auch hier ein stärkerer Effekt der Nanopartikel verglichen mit größeren Partikeln festgestellt. Nanoskaliges Al2O3 löst keine mutagenen Effekte aus.
Für einen Fadenwurm war Al2O3 toxisch, nachgewiesen durch eine Wachstumshemmung und Einschränkung der Reproduktion. Hier wirkten Nanopartikel stärker als gröbere Partikel. Interessanterweise konnte für ein Aluminiumsalz eine noch stärkere Toxizität als für die Nanopartikel nachgewiesen werden. Eine Regenwurmart, die gegenüber Al2O3 in der Erde für 4 Wochen exponiert wurde, zeigt auch in sehr hohen, nicht in der Umwelt anzutreffenden Konzentrationen keine erhöhte Sterblichkeit. Die Würmer waren jedoch in ihrer Fortpflanzung beeinträchtigt.
Nanoskaliges Aluminiumoxid weist keine starken antimikrobiellen Eigenschaften auf. Die Stoffwechselaktivität von Bakterien wurde durch Al2O3-Partikel nicht beeinflusst. Sehr hohe Partikel-Konzentrationen, die nicht in der Umwelt zu erwarten sind, führten durch eine Interaktion mit der Bakterienoberfläche zu einer leichten Reduzierung des bakteriellen Wachstums. Im Gegensatz dazu stehen Ergebnisse, die eine starke Einschränkung des Wachstums verschiedener Bakterienarten in auch geringeren Konzentrationen zeigen. Zudem wurde auch hier ein stärkerer Effekt der Nanopartikel verglichen mit größeren Partikeln festgestellt. Nanoskaliges Al2O3 löst keine mutagenen Effekte aus.
Wasserflöhe reagierten auf eine Exposition mit sehr hohen Konzentrationen von Al2O3-Nanopartikeln mit einer verringerten Beweglichkeit und erhöhten Sterblichkeit. Wie in der Abbildung zu erkennen, nehmen die Wasserflöhe die Nanopartikel aus dem Wasser in den Darm auf. Es wurde eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber nanoskaligen verglichen mit mikroskaligen Partikeln beobachtet. Für Embryonen und Larven des Zebrabärblings hingegen waren weder nano- noch mikroskalige Partikel toxisch.
Verschiedene Pflanzen wie die Kalifornische Kidneybohne und das Weidelgras zeigten in Gegenwart von nanopartikulärem Al2O3 normales Wachstum. Kidneybohnen nahmen keine Partikel aus dem Boden in die Blätter auf, während sich die Aluminiumkonzentration in den Blättern des Weidelgrases ungefähr verdoppelte. Ebenfalls keinerlei toxische Effekte durch Aluminiumoxid wurden auf Keimung, Wurzelwachstum und Blattanzahl der Ackerschmalwand (Arabidopsis) beobachtet. Mais, Karotten, Soja, Kohl und Gurke zeigten in Gegenwart von Al2O3 ein vermindertes Wurzelwachstum. Interessanterweise verschwand dieser Effekt, wenn die Partikel vorher mit Phenanthren beladen wurden. Es wird spekuliert, dass das Phenanthren bestimmte Oberflächeneigenschaften der Partikel so verändert, dass diese nicht mehr toxisch wirken. Rettich, Raps, Roggen, Salat, Mais und Gurke waren in einer anderen Studie hingegen nicht in Keimung und Wurzelwachstum beeinflusst.
Bei Algen wurde ebenfalls keine Toxizität beobachtet.
Das Risiko für Umweltorganismen durch Al2O3-Nanopartikel wird als gering eingeschätzt. Aufgrund der geringen oder nicht vorhandenen Toxizität werden häufig keine Unterschiede zwischen nano- und mikroskaligen Partikel beobachtet. Tritt jedoch ein stärkerer toxischer Effekt auf, so ist dieser für nanoskalige Partikel ausgeprägter als für mikroskalige .
Sowohl Aluminiumpartikel als auch Aluminiumoxidpartikel werden in Zellen aufgenommen. Wenn sie nicht mit Hilfsstoffen stabilisiert werden, neigen sie zum Verklumpen.
Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke
Um die Durchlässigkeit der Blut-Hirnschranke zu untersuchen, werden Tierversuche mit Mäusen und Ratten durchgeführt. In einer Studie wurden den Versuchstieren dabei sehr hohe Dosen an Aluminium-Partikeln über die Halsschlagader, in die Venen, in den Bauchraum oder direkt in die Hohlkörper des Gehirns verabreicht. Unter realitätsnahen Bedingungen können aber die in diesen Experimenten verwendeten Dosen nicht erreicht werden. Deshalb müssen die Ergebnisse mit Vorsicht interpretiert werden. Eine durch Aluminium-Nanopartikel verursachte Neurotoxizität konnte unter Verwendung von relevanten Dosen bislang nicht nachgewiesen werden .
Aufnahmeverhalten in Zellen
Auch diese Agglomerate können in die Zellen aufgenommen werden, sind aber stets in Vesikeln, nicht frei in den Zellen und praktisch nie im Zellkern zu finden. Agglomerierte Partikel können mittels Elektronenmikroskopie in den Zelleinschlüssen nachgewiesen werden. Die Vesikelmembran schützt die restlichen Zellkomponenten vor den Partikeln .
Nur wenige Studien haben sich mit dem Verhalten von technisch hergestellten Aluminium-Nanopartikeln in der Umwelt beschäftigt. Generell ist die Löslichkeit dieser Partikel als gering einzuschätzen, d.h. nur wenige Ionen gelangen aus den Partikeln in wässrige Lösung. Unter sauren Bedingungen erhöht sich allerdings die Löslichkeit, es gelangen mehr Ionen in Boden oder Wasser, welche als toxisch für die Wurzeln von Nutzpflanzen beschrieben wurden.
In Böden sind Aluminium-Partikel beweglich, bei niedrigen, sauren pH-Werten ist die Mobilität deutlich höher. In Gegenwart von natürlichem organischen Material verbleiben mehr Partikel in der Lösung; d.h. das organische Material beeinflusst die Stabilität einer Suspension aus Al2O3.
Untersuchungen zur Bindung verschiedener Chemikalien durch nanoskaliges Al2O3 ergaben, dass unterschiedliche Mengen gebunden werden und eine Toxizität dieser Chemikalien dadurch eher erniedrigt wird. Gleichzeitig kann die Bindung von organischem Material aus Boden oder Wasser an Al2O3-Partikel die Menge von gebundenem Chemikalien (z.B. Phenanthren), verglichen mit organischem Material alleine oder Partikeln alleine erhöhen. Die Auswirkungen der Chemikalienbindung durch Partikel auf Umweltorganismen sind noch nicht vollständig geklärt. Dabei ist jedoch anzumerken, dass die Bindung von organischem Material auch an natürlichen Aluminium-Partikeln erfolgt .
Griffitt, R.J.; Luo, J.; Gao, J.; Bonzongo, J.C.; Barber, D.S. Effects of Particle Composition and Species on Toxicity of Metallic Nanomaterials in Aquatic Organisms. Environmental toxicology and chemistry / SETAC2008, 27, 1972–1978, https://doi.org/10.1897/08-002.1.
1.
Wang, H.; Wick, R.L.; Xing, B. Toxicity of Nanoparticulate and Bulk ZnO, Al2O3 and TiO2 to the Nematode Caenorhabditis Elegans. Environmental pollution2009, 157, 1171–1177, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.11.004.
1.
Bruch, J.; Rehn, S.; Rehn, B.; Borm, P.J.; Fubini, B. Variation of Biological Responses to Different Respirable Quartz Flours Determined by a Vector Model. International Journal of Hygiene and Environmental Health2004, 207, 203–216, https://doi.org/10.1078/1438-4639-00278.
1.
Tiede, K.; Hassellov, M.; Breitbarth, E.; Chaudhry, Q.; Boxall, A.B. Considerations for Environmental Fate and Ecotoxicity Testing to Support Environmental Risk Assessments for Engineered Nanoparticles. Journal of chromatography. A2009, 1216, 503–509, https://doi.org/10.1016/j.chroma.2008.09.008.
Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) Test No. 404: Acute Dermal Irritation/Corrosion, OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4, OECD Publishing, Paris. ISBN 978-92-64-24267-8. Available online: https://doi.org/10.1787/9789264242678-en.
1.
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA); Letzel, S. Arbeitsmedizinische Untersuchungen zur Belastung und Beanspruchung in der aluminiumpulverherstellenden Industrie. 1. Auflage. Bremerhaven: Wirtschaftsverlag NW Verlag für neue Wissenschaft GmbH 1994. (Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsmedizin: Sonderschrift, S 8), pp.224, ISBN: 3-89429-551-1 Available online: https://www.baua.de/DE/Angebote/Publikationen/Schriftenreihe/Sonderschriften/S8.html.
World Health Organization (WHO); Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives Food and Agriculture Organization of the United Nations Evaluation of Certain Food Additives and Contaminants : Thirty-Third Report of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives [meeting Held in Geneva from 21 to 30 March 1988]. World Health Organization Technical Report Series ; No. 776, ISBN 9241207760 Available online: https://apps.who.int/iris/handle/10665/39252 (accessed on 16 June 2012).
Velzeboer, I.; Hendriks, A.J.; Ragas, A.M.; Van de Meent, D. Aquatic Ecotoxicity Tests of Some Nanomaterials. Environmental toxicology and chemistry / SETAC2008, 27, 1942–1947, https://doi.org/10.1897/07-509.1.
1.
Hu, X.; Cook, S.; Wang, P.; Hwang, H.M. In Vitro Evaluation of Cytotoxicity of Engineered Metal Oxide Nanoparticles. The Science of the total environment2009, 407, 3070–3072, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2009.01.033.
1.
Harper, S.; Usenko, C.; Hutchison, J.E.; Maddux, B.L.S.; Tanguay, R.L. In Vivobiodistribution and Toxicity Depends on Nanomaterial Composition, Size, Surface Functionalisation and Route of Exposure. Journal of Experimental Nanoscience2008, 3, 195–206, https://doi.org/10.1080/17458080802378953.
1.
Yang, K.; Zhu, L.; Xing, B. Sorption of Phenanthrene by Nanosized Alumina Coated with Sequentially Extracted Humic Acids. Environ Sci Pollut Res2010, 17, 410–419, https://doi.org/10.1007/s11356-009-0163-z.
1.
Zhu, X.; Zhu, L.; Duan, Z.; Qi, R.; Li, Y.; Lang, Y. Comparative Toxicity of Several Metal Oxide Nanoparticle Aqueous Suspensions to Zebrafish (Danio Rerio) Early Developmental Stage. Journal of Environmental Science and Health, Part A2008, 43, 278–284, https://doi.org/10.1080/10934520701792779.
1.
Zhu, X.; Zhu, L.; Chen, Y.; Tian, S. Acute Toxicities of Six Manufactured Nanomaterial Suspensions to Daphnia Magna. J Nanopart Res2009, 11, 67–75, https://doi.org/10.1007/s11051-008-9426-8.
1.
Yang, L.; Watts, D.J. Particle Surface Characteristics May Play an Important Role in Phytotoxicity of Alumina Nanoparticles. Toxicology Letters2005, 158, 122–132, https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2005.03.003.
1.
Wagner, A.J.; Bleckmann, C.A.; Murdock, R.C.; Schrand, A.M.; Schlager, J.J.; Hussain, S.M. Cellular Interaction of Different Forms of Aluminum Nanoparticles in Rat Alveolar Macrophages. J. Phys. Chem. B2007, 111, 7353–7359, https://doi.org/10.1021/jp068938n.
1.
Stanley, J.K.; Coleman, J.G.; Weiss, C.A.; Steevens, J.A. Sediment Toxicity and Bioaccumulation of Nano and Micron-Sized Aluminum Oxide. Environmental Toxicology and Chemistry2010, 29, 422–429, https://doi.org/10.1002/etc.52.
1.
Simon-Deckers, A.; Gouget, B.; Mayne-L’hermite, M.; Herlin-Boime, N.; Reynaud, C.; Carrière, M. In Vitro Investigation of Oxide Nanoparticle and Carbon Nanotube Toxicity and Intracellular Accumulation in A549 Human Pneumocytes. Toxicology2008, 253, 137–146, https://doi.org/10.1016/j.tox.2008.09.007.
1.
Tsaousi, A.; Jones, E.; Case, C.P. The in Vitro Genotoxicity of Orthopaedic Ceramic (Al2O3) and Metal (CoCr Alloy) Particles. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis2010, 697, 1–9, https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2010.01.012.
1.
Oberdörster, G.; Elder, A.; Rinderknecht, A. Nanoparticles and the Brain: Cause for Concern? j nanosci nanotechnol2009, 9, 4996–5007, https://doi.org/10.1166/jnn.2009.gr02.
1.
Sadiq, I.M.; Chowdhury, B.; Chandrasekaran, N.; Mukherjee, A. Antimicrobial Sensitivity of Escherichia Coli to Alumina Nanoparticles. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine2009, 5, 282–286, https://doi.org/10.1016/j.nano.2009.01.002.
1.
Ra, J.S.; Oh, S.-Y.; Lee, B.C.; Kim, S.D. The Effect of Suspended Particles Coated by Humic Acid on the Toxicity of Pharmaceuticals, Estrogens, and Phenolic Compounds. Environment International2008, 34, 184–192, https://doi.org/10.1016/j.envint.2007.08.001.
1.
Sharma, H.S.; Ali, S.F.; Hussain, S.M.; Schlager, J.J.; Sharma, A. Influence of Engineered Nanoparticles from Metals on the Blood-Brain Barrier Permeability, Cerebral Blood Flow, Brain Edema and Neurotoxicity. An Experimental Study in the Rat and Mice Using Biochemical and Morphological Approaches. j nanosci nanotechnol2009, 9, 5055–5072, https://doi.org/10.1166/jnn.2009.gr09.
1.
Pauluhn, J. Retrospective Analysis of 4-Week Inhalation Studies in Rats with Focus on Fate and Pulmonary Toxicity of Two Nanosized Aluminum Oxyhydroxides (Boehmite) and Pigment-Grade Iron Oxide (Magnetite): The Key Metric of Dose Is Particle Mass and Not Particle Surface Area. Toxicology2009, 259, 140–148, https://doi.org/10.1016/j.tox.2009.02.012.
1.
Pan, X.; Redding, J.E.; Wiley, P.A.; Wen, L.; McConnell, J.S.; Zhang, B. Mutagenicity Evaluation of Metal Oxide Nanoparticles by the Bacterial Reverse Mutation Assay. Chemosphere2010, 79, 113–116, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2009.12.056.
1.
Pauluhn, J. Pulmonary Toxicity and Fate of Agglomerated 10 and 40 Nm Aluminum Oxyhydroxides Following 4-Week Inhalation Exposure of Rats: Toxic Effects Are Determined by Agglomerated, Not Primary Particle Size. Toxicological Sciences2009, 109, 152–167, https://doi.org/10.1093/toxsci/kfp046.
1.
Lin, D.; Xing, B. Phytotoxicity of Nanoparticles: Inhibition of Seed Germination and Root Growth. Environmental Pollution2007, 150, 243–250, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2007.01.016.
1.
Monteiro-Riviere, N.A.; Oldenburg, S.J.; Inman, A.O. Interactions of Aluminum Nanoparticles with Human Epidermal Keratinocytes. J. Appl. Toxicol.2010, 30, 276–285, https://doi.org/10.1002/jat.1494.
1.
Lee, C.W.; Mahendra, S.; Zodrow, K.; Li, D.; Tsai, Y.-C.; Braam, J.; Alvarez, P.J.J. Developmental Phytotoxicity of Metal Oxide Nanoparticles to Arabidopsis Thaliana. Environ Toxicol Chem2010, 29, 669–675, https://doi.org/10.1002/etc.58.
1.
Kraus, T.; Schaller, K.H.; Angerer, J.; Letzel, S. Aluminium Dust-Induced Lung Disease in the Pyro-Powder-Producing Industry: Detection by High-Resolution Computed Tomography. Int Arch Occup Environ Health2000, 73, 61–64, https://doi.org/10.1007/pl00007939.
1.
Kim, I.-S.; Baek, M.; Choi, S.-J. Comparative Cytotoxicity of Al2O3, CeO2, TiO2 and ZnO Nanoparticles to Human Lung Cells. J. Nanosci. Nanotech.2010, 10, 3453–3458, https://doi.org/10.1166/jnn.2010.2340.
1.
Jiang, W.; Mashayekhi, H.; Xing, B. Bacterial Toxicity Comparison between Nano- and Micro-Scaled Oxide Particles. Environmental Pollution2009, 157, 1619–1625, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.12.025.
1.
JENG, H.A.; SWANSON, J. Toxicity of Metal Oxide Nanoparticles in Mammalian Cells. Journal of Environmental Science and Health, Part A2006, 41, 2699–2711, https://doi.org/10.1080/10934520600966177.
1.
Ghosh, S.; Mashayekhi, H.; Pan, B.; Bhowmik, P.; Xing, B. Colloidal Behavior of Aluminum Oxide Nanoparticles as Affected by pH and Natural Organic Matter. Langmuir2008, 24, 12385–12391, https://doi.org/10.1021/la802015f.
1.
Coleman, J.G.; Johnson, D.R.; Stanley, J.K.; Bednar, A.J.; Weiss, C.A.; Boyd, R.E.; Steevens, J.A. Assessing the Fate and Effects of Nano Aluminum Oxide in the Terrestrial Earthworm, Eisenia Fetida. Environmental Toxicology and Chemistry2010, 29, 1575–1580, https://doi.org/10.1002/etc.196.
1.
Doshi, R.; Braida, W.; Christodoulatos, C.; Wazne, M.; O’Connor, G. Nano-Aluminum: Transport through Sand Columns and Environmental Effects on Plants and Soil Communities. Environmental Research2008, 106, 296–303, https://doi.org/10.1016/j.envres.2007.04.006.
1.
Davis, J.A.; Gloor, R. Adsorption of Dissolved Organics in Lake Water by Aluminum Oxide. Effect of Molecular Weight. Environ. Sci. Technol.1981, 15, 1223–1229, https://doi.org/10.1021/es00092a012.
