Umweltrisiken von Nanomaterialien - Bremen...E/Z-Isomerism Rotational freedom Steric hindrance no...
Transcript of Umweltrisiken von Nanomaterialien - Bremen...E/Z-Isomerism Rotational freedom Steric hindrance no...
1
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
3
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
ttp://
ww
w.n
anot
echp
roje
ct.o
rg
HerausforderungNanotechnologie
Anstieg von 54 Produkten im Jahr 2005 auf 1015 im Jahr 2009
7
Hauptanteil in der Kategorie Gesundheit und Fitness!!!!
Que
lle: h
ttp://
ww
w.n
anot
echp
roje
ct.o
rg
HerausforderungNanotechnologie
8
Que
lle: h
ttp://
ww
w.n
anot
echp
roje
ct.o
rg
HerausforderungNanotechnologie
Eigenschaftenvon Nanopartikeln
Warum ist die Nanotechnologie so erfolgreich ?
sehr hohes Oberflächen- / Volumenverhältnis
hohes Risiko (?)
Konsequenzen
hohe Reaktivität – hohe Effizienz
Zwei Seiten derselben Medaille !
10
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
13
Ziel: Nachhaltige Chemikalien
Toxicophore
Technicophore
Ecotoxicophore
Akzeptable Kosten-NutzenRechnung
Geringes Gefährdungs-Potenzial für Mensch und
Umwelt
ChemischeStruktur
N+
Technische Anforderungen
CH3
CH3
PF6
14
Strategie zur Gefährdungs-abschätzung
T-SAR geleitete Analyse der chem. Strukturen
1. Stufe
Screeningin einer flexiblen ökotox.
Testbatterie2. StufeAnalytik+
15
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
16
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
18
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
19
Zelluläre und organismische Tests
Säuger ZelllinienAquatische und Bodenbakterien Limnische Grünalgen
verschiedeneterrestr.Pflanzen
Lemna minor
Folsomia candidaEnchytraeus crypticusMesokosmen„AquaHab“
Bioabbaubarkeits-tests
2.Stufe: flexible ökotox. Testbatterie
20
Mechanismender toxischen Wirkung
VerschiedeneUmweltmatrizes
Verschiedene Levelbiol. Komplexität
Screeningder Basistoxizität
2.Stufe: flexible ökotox. Testbatterie
21
Übertragbarkeit
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
Nano-partikel
Partikelgröße
Partikelform
Liganden / Coating
Metallkern
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
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
23
Endpunkte/Zielegeeignet?
Exposition muss angepasstwerden ! ! !
Übertragbarkeit
Mechanismender toxischen Wirkung
VerschiedeneUmweltmatrizes
Verschiedene Levelbiol. Komplexität
Screeningder Basistoxizität
24
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
Nano-Projekte am UFT
Erarbeitung analytischer Grundlagen
Beitrag zur Gefährdungsabschätzungvon Silber-Nanopartikeln
26
Quelle: http://www.nanotechproject.org
Silber
27
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
28
„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
29
• Überprüfung ob herkömmliche Testsysteme zur Risikoerfassung ausreichend sind
• Falls nein: welche Empfehlungen müssen ausgesprochen werden?
• Welche Analytik ist zur umfassenden Charakterisierung notwendig?
Nano-Projekte am UFT
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]
Nano-Projekte am UFT
31
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
33
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Fragen?Kommentare? Anregungen?
Kontaktadressen:
Prof. Jürgen Warrelmann: [email protected]. Marianne Matzke: [email protected]