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Nanotechnik für Mensch und Umwelt - Chancen fördern und Risiken mindern

Umweltbundesamt informiert zu umweltrelevanten Aspekten Nanotechnik gewinnt bei der Entwicklung neuer Produkte und Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Nanotechnisch optimierte Kunststoffe können etwa das Gewicht bei Autos oder Flugzeugen senken und somit helfen, Treibstoff zu sparen. Neue, nanotechnisch optimierte Lampen - so genannte Licht emittierende Dioden (LED) - haben eine hohe Lebensdauer, wandeln den elektrischen Strom effizienter in Licht um und sparen somit Energie. Dies sind nur zwei Beispiele aus einer rasch wachsenden Zahl von Produkten, die auf den Markt kommen und sich vermutlich positiv auf Umwelt und Wirtschaft auswirken. Der zunehmende Einsatz synthetischer Nanomaterialien in Produkten führt jedoch auch zu einem vermehrten Eintrag dieser Materialien in die Umweltmedien Boden, Wasser und Luft. Die Wirkungen der Nanomaterialien in der Umwelt und mögliche gesundheitliche Risiken für den Menschen sind derzeit noch unzureichend erforscht. Das Umweltbundesamt (UBA) fasst in einem Hintergrundpapier relevante Aspekte über Umweltentlastungspotentiale zusammen, benennt Risiken für Mensch und Umwelt und formuliert Handlungsempfehlungen. Bei der Nanotechnik handelt es sich um die gezielte Herstellung und Anwendung von Prozessen und Nanomaterialien, die aus abgrenzbaren strukturellen Bestandteilen in der Größenordnung von 100 Nanometer (1 nm = 10 -9 m) oder weniger in mindestens einer Dimension bestehen, also mehr als 1.000-mal kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaares. In diesem Größenbereich ändern sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien. Dies kann in vielfältiger Weise zur Entwicklung neuartiger Produkte und Anwendungen genutzt werden. Die Nanotechnik beeinflusst bereits heute die Industrie in vielen Bereichen, etwa die Automobilindustrie, den Maschinenbau, die Chemische und die Lebensmittelindustrie sowie die Bio- und die Umwelttechnik. Allein in Deutschland arbeiten heute über 800 Unternehmen im Bereich Nanotechnik. Die Nanotechnik bietet erhebliche Potentiale für ökologische Produktinnovationen, aber auch Risiken für die Umwelt und die Gesundheit. Hier bestehen noch gravierende Wissenslücken. Daraus ergibt sich ein umfangreicher Bedarf an Forschung und Regulierung. Dafür ist eine transparente und von Industrie, Forschung und Behörden anerkannte Bewertung nanotechnischer Verfahren und Produkte hinsichtlich ihrer Chancen und Risken für Umwelt und Gesundheit notwendig. Die Hersteller sind gefragt, aussagekräftige Daten zur Wirkung und zur ⁠ Exposition ⁠ ihrer Produkte bereitzustellen sowie die Umweltentlastungspotentiale zu dokumentieren. Das ⁠ UBA ⁠ empfiehlt: Die Verwendung von Produkten, die Nanomaterialien enthalten und frei setzen können, sollte - so lange ihre Wirkung auf Mensch und Umwelt weitgehend unbekannt ist - möglichst vermieden werden. Aus Sicht des Umweltbundesamtes ist es erforderlich, rechtliche Rahmenbedingungen für den sicheren Umgang mit Nanomaterialien zu schaffen. Ein wesentlicher Schritt hierzu ist ein Meldesystem für Nanomaterialien in Form eines Produktregisters. Die Diskussion um Chancen und Risiken hat sowohl in Fachkreisen als auch in der Öffentlichkeit in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Die Bundesregierung hat frühzeitig mit der Einsetzung einer NanoKommission reagiert. Die Fachleute des UBA beteiligen sich in der NanoKommission sowie in weiteren nationalen und internationalen Arbeitskreisen, insbesondere innerhalb der ⁠ OECD ⁠ an der Entwicklung von Empfehlungen zum verantwortungsvollen Umgang mit Nanomaterialien. Das UBA trägt aktiv dazu bei, über umweltrelevante Aspekte der Nanotechnik zu informieren, Wissensdefizite auszufüllen und den weiteren Handlungsbedarf zu ermitteln. Das Amt fördert umweltrelevante Innovationen, die durch den Einsatz der Nanotechnik möglich sind und ermittelt Umweltentlastungspotentiale. Voraussetzung ist allerdings, dass potentielle Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit bewertbar und vermeidbar sind. Ausführliche Informationen enthält das Hintergrundpapier „Nanotechnik für Mensch und Umwelt - Chancen fördern und Risiken mindern”.

Summary of the results of the Sponsorship Programme for nanoscale titanium dioxide of the OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials

The Sponsorship Programme is the central testing programme of the ⁠ OECD ⁠ Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) launched in 2007. It was called into being to create the conditions for a coordinated approach between the member countries with regard to the safety of manufactured nanomaterials. The WPMN brings together 30 member countries of the OECD and the EU Commission. Some non-member countries are also represented, as are organisations from industry and from standardisation and environmental associations. The idea behind the OECD Sponsorship Programme was to collate data on selected and precisely described manufactured nanomaterials. The intention was thereby to obtain information on their physicochemical properties, behaviour and effects on humans and the environment, and to demonstrate the relationships between them. In this process Germany joined forces with France as joint “Lead Sponsors” for nTiO2. This report summarizes the results of the Sponsorship Programme on ecotoxicology and environmental behavior of nanoscale titanium dioxide of the OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN). Veröffentlicht in Texte | 69/2016.

Integrative test strategy for the environmental assessment of nanomaterials

Currently there are no testing and assessment strategies for environmental fate and effects taking the specific properties and behaviour of engineered nanomaterials into account. Therefore, the project objective was to develop a strategy for the investigation of ecotoxicity and environmental fate that allows the consideration of nano-specific effects within the environmental risk assessment of nanomaterials. For the development of the test strategy, both the results of "classic" assessment as well as those of recognized non-standardized endpoints were taken into account. For this analysis environmental fate and effects were addressed separately. Furthermore, the discussions of national and international level,  e.g. the conclusions of the expert meeting on Ecotoxicology and Environmental fate of the ⁠ OECD ⁠ Working Party on Manufactured Nanomaterials were taken into account. The test strategy considers various levels of test complexity as they are to be used in a tiered risk assessment scheme on the basis of a full life-cycle assessment. For the environmental risk assessment approach, the use of mathematical models and trigger values to either stop the procedure or proceed to the next tier is included. The presented test strategy features an overarching approach to test and assess fate and effects of NM while considering the specific challenges when investigating the potential environmental impact of NM. Veröffentlicht in Texte | 16/2015.

Analysis of studies and research projects regarding the detection of nanomaterials in different environmental compartments and deduction of need for action regarding method development

Detection of manufactured nanomaterials (NM) still features enormous challenges for environmental exposure assessment and management of NM. The expert opinion presents a comprehensive survey on existing experimental approaches to detect NM in the environment and analyses to what extent these approaches could be utilized and advanced to be used routinely for data collection to assess and manage environmental exposure. Recommendations for actions on a short and long term basis are deduced for the establishment of standardized protocols for sampling, sample preparation and analysis which can now be used to prioritize further action in improving measurement techniques of NM in the environment. Veröffentlicht in Texte | 133/2019.

Zusammenstellung der Ergebnisse des Sponsorship Programms zu nanoskaligem Titandioxid der OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials

Das Sponsorship Programm ist das zentrale Testprogramm der 2007 gegründeten ⁠ OECD ⁠ Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN). Diese wurde ins Leben gerufen, um einen zwischen den Mitgliedsstaaten koordinierten Ansatz zu Sicherheitsfragen (z.B. die Anwendbarkeit von OECD Prüfrichtlinien) für technisch hergestellte Nanomaterialien zu ermöglichen. An der WPMN sind neben 30 OECD-Mitgliedsstaaten auch die Europäische Kommission, BIAC und verschiedene andere Nichtregierungsorganisationen beteiligt. Die Idee des OECD Sponsorship Programms war es, Daten zu ausgewählten und präzise beschriebenen, technisch hergestellten Nanomaterialien zusammen zu tragen. Auf diese Weise erhielt man Informationen zu physikalisch-chemischen Eigenschaften und Verhalten und Effekten auf Mensch und Umwelt. Deutschland war in diesem Prozess zusammen mit Frankreich hauptverantwortlich für die Datenerhebung zu nanoskaligem Titandioxid. Dieser Bericht stellt die Ergebnisse des Sponsorship Programms zur Ökotoxikologie und zum Umweltverhalten von nanoskaligem Titandioxid der OECD WPMN zusammen. Veröffentlicht in Texte | 45/2016.

Untersuchung möglicher Umweltauswirkungen bei der Entsorgung nanomaterialhaltiger Abfälle in Abfallbehandlungsanlagen

Derzeit befindet sich eine Vielzahl von Produkten auf dem Markt, die so genannte synthetische Nanomaterialien enthalten. In den kommenden Jahren ist mit einem weiteren Anstieg zu rechnen, wodurch auch vermehrt Abfälle mit einem erhöhten Anteil an Nanomaterialien anfallen werden. Allerdings ist der Kenntnisstand über den Verbleib von nanomaterialhaltigen Abfällen in der Entsorgungsphase gering. Dies wurde zum Anlass genommen, um innerhalb des Projektes die Emissionspfade bei der thermischen Abfallbehandlung eingehend zu untersuchen. Veröffentlicht in Texte | 37/2016.

Development of a method to determine the bioaccumulation of manufactured nanomaterials in filtering organisms (Bivalvia)

Next to properties like persistence and ecotoxicity, the determination of chemical substances to bioaccumulate in organisms is essential to understand potential harmful interactions with the environment. Existing methods to determine bioaccumulation are mainly addressing soluble organic chemicals. If these methods are also applicable to investigate bioaccumulation of nanomaterials remains an open issue. Once released to surface waters, nanomaterials tend to agglomerate and sediment in dependence of their individual properties and the properties of the surrounding media. Thus, it has to be anticipated, that benthic and filtering organisms are most likely exposed by nanomaterials. Therefore, the ability of nanomaterials to bioaccumulate in these organisms is important in view of a comprehensive evaluation of potential environmental risks. In this project a method was developed which allows to investigate the bioaccumulation of nanomaterials in freshwater mussels. A new test system was established and necessary adaptions regarding inter alia test performance and analytics of nanomaterials in biota and aquatic media were carried out. The new method was examined using selected nanomaterials of different chemical nature and collected data were critically discussed in view of their regulatory applicability. Veröffentlicht in Texte | 18/2020.

Development of a method to determine the bioaccumulation of manufactured nanomaterials in filtering organisms (Bivalvia)

Immer größer werdende Mengen an synthetischen Nanomaterialien (MNMs) werden für den industriellen Einsatz produziert und können während der Produktion, dem Einsatz der Produkte, sowie bei deren Entsorgung in die Umwelt gelangen. MNM mit hohen Produktionsvolumina unterliegen einer Bioakkumulationsbewertung im Rahmen der EU REACH Verordnung, um potentielle Umweltbelastungen abschätzen zu können. Die hierbei für die Chemikalienbewertung klassischerweise verwendeten Methoden, etwa Durchflussstudien mit Fischen gemäß OECD TG 305, sind für das Testen von MNMs in aquatischen Medien jedoch nur bedingt geeignet. So neigen die meisten MNMs dazu in aquatischen System nur metastabile Suspensionen zu bilden und direkt nach dem Eintreten in das Medium oder im zeitlichen Verlauf zu sedimentieren. Eine konstante homogene Exposition im Testsystem wird somit stark erschwert. Für Corbicula fluminea, eine weit verbreitete Süßwassermuschel, wurde bereits in früheren Studien gezeigt, dass sie MNMs aus der Wasserphase durch Filtration aufnehmen kann. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Eignung von C. fluminea für Bioakkumulationsstudien mit MNMs geprüft. Hierzu wurde ein neues Durchflusssystem entwickelt, welches eine konstante und homogene Exposition von MNMs ermöglicht. Zur Überprüfung wurden synthetische Nanomaterialien gewählt, welche jeweils MNMs mit bestimmten Eigenschaften repräsentieren. Das Silbernanopartikel NM 300K (AgNP) wurde als Repräsentant der Gruppe der gut dispergierbaren und ionenfreisetzenden MNMs getestet und mit AgNO3 als nicht nanopartikuläre Form desselben Elements verglichen. NM 105, ein Titandioxid NP, wurde für die Gruppe der nicht ionenfreisetzenden MNMs getestet. Für die Gruppe der MNMs, welche auf organischen Polymeren basieren, wurde das Polystyrol NP Fluoro-MaxTM getestet, welches mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert war. Somit konnte die Aufnahme und Verteilung des NPs im Weichkörper der Muscheln u.a. mittels Fluoreszenzmikroskop untersucht werden. Für die Ag und TiO2 Behandlungen konnten nach Messung der Gewebekonzentrationen BAF bzw. BCF Werte im Konzentrationsgleichgewicht ermittelt werden. BAFss Werte von 31 und 128 für die beiden NM 300K Konzentrationen (0.624 und 6.177 'Mikrogramm'Ag/L) und 6,150 und 9,022 für die beiden NM 105 Konzentrationen (0.099 und 0.589 'Mikrogram'TiO2/L) zeigten, dass BAFss Werte für die untersuchten MNMs abhängig von der jeweiligen Expositionskonzentration sind. Für die AgNO3 Behandlung wurden ebenso konzentrationsabhängige BCFss Werte von 31 und 711 für die höhere und niedrigere Konzentrationen ermittelt. Die Kinetik der gemessenen Partikelkonzentrationen in den Muschelgeweben (sp-ICP-MS) wie auch die ermittelten Distributionsfaktoren für einzelne Kompartimente lieferten Hinweise, dass die untersuchten MNMs zwar aufgenommen, aber nicht inkorporiert wurden. Quelle: Forschungsbericht

Pflanze am Beispiel TiO2, CeO2, MWCNT und Quantum dots

Das Projekt "Pflanze am Beispiel TiO2, CeO2, MWCNT und Quantum dots" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Vita 34 AG durchgeführt. In den letzten Jahren beschäftigten sich eine Vielzahl von Veröffentlichungen mit der Thematik 'Nanopartikel' und deren Auswirkungen auf die Umwelt. Nanopartikel, freigesetzt aus industriellen bzw. im Haushalt genutzten Nanomaterialien, gelangen durch Anwendung, Verschleiß bzw. Abfallentsorgung in die Abwässer und Klärschlämme der Wasseraufbereitung. Ziel des Projektes ist es, den Verbleib von Nanopartikeln in Abwasserkläranlagen zu untersuchen und explizit die mögliche Aufnahme von Nanopartikeln aus Klärschlammen über den Bodenpfad in die Pflanze zu untersuchen. Vita 34 übernimmt vorwiegend die Entwicklung, Planung und Durchführung der Laborversuche mit Pflanzen. Insgesamt werden jeweils vier Pflanzenarten aus dem Bereich der Nahrungsmittel- und Nutzpflanzen untersucht. Dazu zählen Radieschen, Feldsalat, Sonnenblume und das deutsche Weidelgras. Für die Untersuchungen werden zwei Testsysteme verwendet. Im ersten Ansatz wird die Aufnahme von radiomarkierten Nanopartikel (TiO2 und CeO2) über die wässrige Phase (Leitungswasser, synthetisches und vorgeklärtes Abwasser) betrachtet. Die Radiomarkierung erlaubt es in geringen (umweltrelevanten) Konzentrationen zu arbeiten. In der Pflanze können so die Aufnahmewege und die Ort der Ablagerung besser verdeutlicht werden. Die wässrige Phase erlaubt es außerdem die Aufnahme ohne Wechselwirkung mit Bodenpartikeln abzubilden. Im zweiten Ansatz wird die Aufnahme aus natürlichen Bodenmatrizes nachgebildet. Topfversuche zeigen die Aufnahme der Nanopartikel aus dem Boden bzw. Bodenporenwasser in die Pflanze. Als Kontrolle wird der Ansatz vorerst ohne Klärschlamm untersucht. Anschließend wird Nanopartikel dotierter Klärschlamm beigefügt. In beiden Ansätzen werden ausgewählte Parameter (pH, Zeta-Potential, Leitfähigkeit, Partikelgröße, org. Gehalt, u.a.) ermittelt, um die Agglomerationseigenschaften der Nanopartikel abbilden und verstehen zu können. Die Synthese von radiomarkierten Nanopartikeln und der Nachweis in den verschiedenen Matrizes wird bei unserem Partner, dem HZDR, realisiert und unter Strahlenschutzbedingungen statt finden. Aus den Ergebnissen wird eine systematische Bewertung von möglichen Umweltgefährdungen ausgehend von Nanopartikel entlang des Wirkungspfades Klärschlamm - Boden - Pflanze erstellt. Standartarbeitsanweisungen, Richtlinien bzw. Konzepte sowohl für die landwirtschaftliche Praxis als auch Vorschläge für eine potentielle Phytosanierung werden ausgearbeitet.

Study on the emission of nanoparticles in products in the life cycle and the ecological evaluation

Das Projekt "Study on the emission of nanoparticles in products in the life cycle and the ecological evaluation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. durchgeführt. Objective of the project is the assessment of the exposure of environment and human health by synthetic nanomaterials. The project includes a life cycle analysis of relevant products, an analysis of measurement equipment, and the identification of the demand for research and development. A reference study was commissioned by the Federal Environmental Agency - FKZ 3708 61 300 - in the scope of the UFOPLAN 2008, to summarise the current knowledge and research needs in the area of emission of nanoscale particles from products in the course of their life cycle as well as their possible environmental effects (relevance). For this purpose, information about nanoscale silver, titanium dioxide, carbon black, cerium oxide used in wipes, wall paint, in tires and additives in fuel, were compiled and evaluated. Possible measurement techniques and methods, for different measurement parameters and matrices, for examining the emission and characterizing nanostructures and their behaviour in the environment were summarized in a separate section. Emission of nanoscale material from products can take place at different stages in the course of its life cycle; during production, processing, transportation, when in use or during disposal of materials and products. Release generally takes place in environmental media such as air, water or soil/sediments. Nanoscale silver and titanium dioxide is mainly released into the aquatic medium. The release of silver particles has been shown when washing tissues and textiles in particular which have been impinged with nanoscale silver. It is not clear if the particles are release in the form of ions or nanoparticles. The release of TiO2 from wall paint after rain events was seen in rain water and in near by surface waters during field measurements. Laboratory studies have shown that TiO2 particles can be released through mechanical stress.It seems on the other hand that the emission of carbon black and cerium oxide mainly takes place in air. Carbon black can stem from ink, laser printers or tires. Studies have established the release of nanoscale soot particles form tires. It could not be determined if the released particles were the original particles or particles formed from secondary processes. The primary application for nanoscale cerium oxide is in polishing agents, coating products and as catalysts in e.g. diesel fuels. Cerium oxides have also been used recently for medical purposes, e.g. tested and marketed as antioxidants. Cerium oxide emission is likely for all the listed applications. This could be proven by field measurements particularly when used in fuels. It was not examined whether the released cerium oxide from diesel fumes correspond to that which was applied. There are generally very few publications for this study that deal explicitly with the emission from the materials and products which are to be examined...

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