Technisch hergestellte Nanomaterialien werden beabsichtigt und unbeabsichtigt in die Umwelt freigesetzt, was ein mögliches Risiko für Ökosysteme darstellt. So lassen sich beim gezielten Einsatz von Nanomaterialien als Sanierungsmittel schädlichen Chemikalien aus Boden und Grundwasser effektiv entfernen. Andererseits werden Nanomaterialien unbeabsichtigt durch die Entsorgung von Nanomaterial-haltigen Produkten oder Kläranlagen in die Umwelt freigesetzt. Konzentration, Größe, Form und Reaktivität der Nanomaterialen sowie die Aufnahme durch Umweltorganismen können das mögliche Risiko für ein Ökosystem beeinflussen. Für eine verlässliche Abschätzung dieses Risikos müssen daher die Art und Menge der Nanomaterialien in der Umwelt möglichst genau nachgewiesen werden (vgl. Querschnittstext – Risikobewertung von Nanomaterialien).
Anforderungen an die Nachweismethoden
Zum einen müssen die Nanomaterialen in verschiedenen Umgebungen wie Süßwasserseen, Flüssen, Böden und Abwässern sowie in Wasserorganismen detektiert und quantifiziert werden können. Weiterhin sollen die analytische Methoden zuverlässig Auskunft geben über die Zusammensetzung, Größe, Anzahl, Konzentration und Reaktivität der Nanopartikel. Allerdings sind die derzeit etablierten Methoden zur Partikelanalyse aus verschiedenen Gründen nicht direkt auf Partikel in Nanogröße übertragbar. Zum Beispiel erfassen einige Methoden nur sehr reine Materialien in hohen Konzentrationen. In realen Umweltproben sind jedoch Mischungen mehrerer unterschiedlicher Partikeltypen zu erwarten, die typischerweise in sehr geringen Konzentrationen im Bereich von wenigen Nanogramm pro Liter vorliegen. Das entspricht einer „Erbse“, oder noch weniger, in einem olympischen Schwimmbecken.
Eine weitere Herausforderung ist das Unterscheiden zwischen der hohen Menge an verschiedenen, natürlich vorkommenden Partikeln und den technisch hergestellten Nanomaterialien in Umweltproben. In vielen Fällen binden die natürlichen Hintergrundpartikel an die gesuchten Nanomaterialien und maskieren diese, was eine eindeutige und zweifelsfreie Identifizierung erschwert. Übertragen auf das Beispiel des Schwimmbeckens bedeutet das, dass nicht nur „grüne Erbsen“ nachgewiesen werden, sondern auch viele andere, ganz ähnliche Teilchen wie „gehackte Kräuter“, „Oliven“, „grüne Bohnen“ (gleiche Farbe, unterschiedliche Form) oder „grüne Äpfel“ (gleiche Farbe, andere Größe). Die Analysetechnik muss genügend Informationen über das Nanomaterial liefern, um zwischen „grünen Erbsen“ und den anderen, im Schwimmbad vorhandenen Partikeln unterscheiden zu können.
Über Verfahren wie z.B. die Elektronenmikroskopie lassen sich synthetisch hergestellte Nanomaterialien gut von den begleitenden natürlichen Teilchen abgrenzen, sie erlauben aber keine Bestimmung der Teilchenanzahl in einem spezifischen Probenvolumen. Andere Analysemethoden liefern Informationen über die Partikelanzahl in der Probe, haben jedoch ihre Unzulänglichkeiten bei der Unterscheidung zwischen den technisch hergestellten Nanomaterialien und den natürlichen Hintergrundpartikeln.
Weiterentwicklung der Analysemethoden
Aktuell stehen für eine zuverlässige Analyse von Nanomaterialien in Umweltproben sowie in Umweltorganismen noch keine gebrauchsfertigen Methoden zur Verfügung, neue Konzepte und Instrumente befinden sich in der Entwicklung.
Neben den Methoden zum Nachweis anorganischer Nanomaterialien (z. B. Silber, Titandioxid) müssen auch Analysemethoden für die Bestimmung organischer und kohlenstoffhaltiger Nanomaterialien wie Fullerene in komplexen Umweltproben (z.B. Oberflächenwasser, Abwasser) entwickelt werden, da die Anwendungen für diese Materialien zunehmen.
Ein Ansatz beschäftigt sich mit dem Einsatz von spezifischen Markern, die wie eindeutige Fingerabdrücke eines Nanomaterials zu verstehen sind. Dazu zählt beispielsweise eine einzigartige Zusammensetzung, die sich aus spezifischen Verunreinigungen der natürlichen Partikel, den Elementverhältnissen oder Isotopen-Signaturen ergibt. Für eine Erkennung solcher Fingerabdrücke ist allerdings zusätzlicher Aufwand bei der Entwicklung von Instrumenten und Methoden erforderlich. Auch bei den Probevorbereitungstechniken wie der Isolierung von Nanomaterialien aus festen Umweltproben (z.B. Schlamm) oder der Abtrennung von störenden natürlichen Verbindungen ist noch viel Entwicklungsarbeit erforderlich.
Zusammenfassend ist daher für den Nachweis von Nanomaterialen in Umweltproben eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Selektivität erforderlich. Allerdings ist es derzeit nicht möglich, beide Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, da keine der zur Verfügung stehenden analytischen Methoden alle Herausforderungen erfüllt. Daher müssen derzeit zwei oder mehrere analytischen Techniken kombiniert werden, um die benötigten Informationen über Konzentration und Art der Nanomaterialien in einer Umweltprobe zu sammeln. Weitere wichtige Faktoren für die Auswahl geeigneter Analysemethoden sind Geschwindigkeit, Zeit- sowie Kostenaufwand für die Analysen.
Literatur
- von der Kammer, F et al. (2012), Environ Toxicol Chem, 31 (1):32-49.
- Laborda, F et al. (2016), Anal Chim Acta, 904: 10-32.
- Hagendorfer, H et al. (2012), Anal Chem 84(6): 2678-2685.
