NANOMOBIL : Synthetische Silber-Nanopartikel im System Boden-Grundwasser – Mobilität, Wirkungen auf die Lebensgemeinschaft und Wechselwirkung zwischen Hydro-, Pedo- und Biosphäre
Ziel des Vorhabens war die Erforschung der Wechselwirkung zwischen synthetischen Silber Nanopartikel (Ag-NP) und der Biosphäre, Pedosphäre und Hydrosphäre unter realitätsnahen Bedingungen. Im Vordergrund standen hierbei die Gefährdungs- und zukünftige Risikobewertung von Nanopartikeln sowie den darin lebenden Organismen und den damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt. Untersucht wurden das Verhalten und der Transport von Silber Nanopartikel in einfachen Testsystemen bis hin zu komplexen, natürlichen Bodenbiozönosen. Dabei wurden Silber Nanopartikel untersucht, die mit Tensiden oder einer Oberflächenbeschichtung stabilisiert sind, da diese die Auflösung, Transformation und die Ökotoxizität beeinflussen können.
RWTH Aachen University, Lehrstuhl Umweltbiologie und Chemodynamik
Akute und chronische Effekte von Silbernanopartikeln und Silbernitrat wurden auf verschiedene terrestrische und aquatische Organismen ermittelt. Silbernitrat führte bei Regenwürmern bei niedrigeren Konzentrationen zur Mortalität als Silbernanopartikel. Bei den Versuchen zeigten sich artabhängige Sensitivitäten: beide Substanzen, das ionische Silber und die Nanopartikel, führten bei Lumbricus terrestris bereits bei niedrigeren Konzentrationen zu Effekten als bei Eisenia fetida. Springschwänze, Folsomia candida, zeigten für unterschiedlich stabilisierte Silber Nanopartikel (es wurden Tensid- und Polymer-stabilisierte Partikel untersucht) bei ähnlichen Konzentrationen chronische Effekte in Form reduzierter Reproduktion. Die Collembole erwiesen sich zudem als sensitivster terrestrischer Organismus. Der aquatische Organismus Gammarus pulex zeigte bereits bei µg/L Konzentrationen signifikante Effekte in Bezug auf das Fraßverhalten.
Neben ökotoxikologischen Effekten wurde an dem Institut für Umweltforschung auch der Einfluss von Regenwürmern auf die Mobilität der beiden Silber Nanopartikel Arten in natürlichem Boden untersucht. Die Grabaktivität der Regenwürmer trug zu einer leicht verstärkten Tiefenverlagerung eines Teils der Nanomaterialien im Boden bei; allerdings wurden durch die Ausscheidungen der Würmer Silber Nanopartikel auch im oberen Teil des Bodens vermehrt zurückgehalten. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Beschichtung der Nanopartikel das Transportverhalten der Silber Nanopartikel beeinflusste. Insgesamt ist die Verlagerung in tiefere Bodenschichten aber sehr gering, der größte Teil der applizierten Silber Nanopartikel verbleibt in der obersten Bodenschicht.
RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie
Im Rahmen des Teilprojektes Hydrosphäre wurden Transport und Langzeitverhalten von Tensid-stabilisierten und Polymer-stabilisierten synthetischen Silbernanopartikeln in Aquifermaterial (Lockergesteinssedimenten) untersucht. Es wurde Silikat-dominiertes und Karbonat-dominiertes Aquifermaterial aufgrund der Bedeutung in der Trinkwasserversorgung betrachtet. Im Projekt wurden Säulenversuche auf der Laborskala durchgeführt.
Im Silikat-dominierten Aquifermaterial wurde einerseits der Einfluss hydraulischer und physiko-chemischer Faktoren auf den Transport und das Langzeitverhalten von Silber Nanopartikel untersucht. Maßgeblich beeinflussende Faktoren für den Transport waren der Gehalt an feinem Aquifersediment (mit Partikeln kleiner als 0.063 mm), die zeitlichen Abstände der Bewässerung, die Ionenstärke und die Zusammensetzung der Hintergrundlösung sowie die Methode der Stabilisierung der Nanopartikel. Zusätzlich wurden im Silikat-dominierten Aquifermaterial Studien zum Transport der Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikel im Beisein von Phosphor durchgeführt. Der Silber Nanopartikel Transport hängt dabei sowohl von der Anwesenheit bzw. Abwesenheit organischer Bodensubstanz (SOM) ab, als auch von der Art der Phosphorspezies (organisch oder anorganisch). Der pH-Wert und die Korngröße spielen zum Teil ebenso eine Rolle bei der Verlagerung. Im Karbonat-dominierten porösen Material (natürliches Aquifermaterial sowie künstliches Quarz-Kalziumkarbonat-Gemisch mit wechselndem Carbonatanteil) wurden der Einfluss des Carbonatanteils, der Stabilisierungsmethode sowie von SOM auf den Silber Nanopartikel Transport untersucht. Dabei wurden zum Teil erhebliche Unterschiede im Retentionsverhalten von Tensid- und Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikel festgestellt.
gaiac – Forschungsinstitut für Ökosystemanalyse und -bewertung e.V.
Am Forschungsinstitut gaiac wurden im Rahmen des Projekts Nanomobil Langzeiteffekte von Silber Nanopartikeln auf eine natürliche Lebensgemeinschaft von Bodenorganismen untersucht. Die Experimente wurden in sogenannten terrestrischen Modellökosystemen (TME) unter Freilandbedingungen über ein Jahr durchgeführt, vergleichend mit Tensid- und Polymer-stabilisierten Silber Nanopartikeln sowie mit Silbernitrat. Verschiedene Bodenorganismen zeigten kurzfristig (nach 14 d) eine signifikante Steigerung der Aktivität (Fluchtverhalten). Nach 6 Monaten waren einige Arten der Collembolen und auch der Hornmilben sowie die zugehörigen Juvenilen im Vergleich zur Kontrolle signifikant reduziert. Dabei war die Sensitivität der Collembolen gegenüber den beiden AgNP Arten unterschiedlich und sie reagierten z.T. empfindlicher auf die Silber Nanopartikel als auf Silbernitrat. Die Gemeinschaft der Regenwürmer konnte nur am Ende des Experiments untersucht werden und war ein Jahr nach Applikation nicht durch die Silber Nanopartikel beeinträchtigt.
Forschungszentrum Jülich – Institut für Bio- und Geowissenschaften
Im Rahmen des Nanomobil-Teilprojekts „Pedosphäre“ wurden Untersuchungen an oberflächenstabilisierten Silbernanopartikeln im Boden unter dem Einfluss von umweltrelevanten Wetterbedingungen wie z.B. Trockenperioden und Regenereignissen durchgeführt. Die Transport- und Depositionsergebnisse von Laborsäulenversuchen und auf größerer Skala von Lysimeter-Studien zeigten, dass Trockenperioden nach den Regenereignissen zu einer völligen Abnahme der Silber Nanopartikel Mobilität führten. Für alle Regenereignisse war der Durchbruch von Silber Nanopartikel sehr geringfügig und fast alle Silber Nanopartikel verblieben im oberen Bodenhorizont. Starkregenereignisse und natürliche Regenbedingungen wiesen jedoch eine Silber Nanopartikel Verlagerung innerhalb des Ap-Horizontes (im durch regelmäßige Bodenbearbeitung beeinflussten Teil des Ap-Horizontes) auf, welche vermutlich auf die höhere Fließgeschwindigkeit des Porenwassers und die Mobilisierung von Silber Nanopartikel –Bodenkolloid Assoziaten zurückzuführen ist. Die Ergebnisse bekräftigen die besondere Rolle der Bodenkolloide wie z.B. Tonminerale und Eisenoxide in der Retention und Remobilisierung von Silber Nanopartikeln im Boden. Damit tragen die Ergebnisse zum förderpolitischen Ziel „Neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von synthetischen Nanomaterialien auf die Umwelt (Luft, Wasser und Boden)“ bei. Insbesondere die Erkenntnisse über die Mobilität der Silber Nanopartikel bzw. ihre Akkumulation bzw. Transformation im Umweltmedium Boden sind von großer Bedeutung.
Postnova Analytics GmbH
Die Postnova Analytics GmbH entwickelte im Rahmen des Projekts Nanomobil Methoden zur Charakterisierung von Silber Nanopartikeln in komplexen Umweltmatrizes bis in den Spurenbereich. Einsatz fand hierbei die Asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung (AF4). Durch Anreicherung der Silber Nanopartikel direkt im AF4-Trennkanal, Anwendung der „Slot-Outlet-Funktion“ zur Entfernung des Silber Nanopartikel -freien Eluentenstroms sowie der Kopplung mit der nachweisstarken induktiv-gekoppelten Plasma Massenspektrometrie (ICP-MS) konnten Nachweisgrenzen für die Silber Nanopartikel Bestimmung in flüssigen Proben im sub-µg/L (ppb) Bereich realisiert werden. Einsatz fand die AF4-ICP-MS-Kopplung schließlich bei der Untersuchung des Transportverhaltens von Silber Nanopartikel in Böden.
