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Die Teilziele

1. Identifikation von Zusammenhängen zwischen spezifischen Nanomaterialeigenschaften und deren Verhalten und Wirkung
   
2. Untersuchung des Verbleibs, der Exposition und der Wirkung von Silber in Verbrauchsprodukten
   
3. Gefährdungs- und Risikoabschätzung für Silbernanomaterialien

sollen durch folgende Aufgaben erreicht werden:

1.1     Herstellung und chemische Charakterisierung von Ag-NP

Diese Aufgabe umfasst eine kontrollierte Synthese von silberbasierten Referenzmaterialien zur Untersuchung grundlegender Mechanismen. Es kommen zwei grundsätzlich verschiedene Arten von silberbasierten NM zum Einsatz, die in den heutigen Anwendungen zu finden sind: Silber auf einer Metalloxid-Trägermatrix (Ag/TiO₂-NP) und reine Silbernanopartikel (Ag-NP). Die Charakterisierung erfolgt sowohl hinsichtlich struktureller Gesichtspunkte an pulverisiertem Ag-NP als auch hinsichtlich der kolloidalen Stabilität von Ag-NP in wässrigen Lösungen.

Das Verhalten von silberbasierten NP wird wesentlich durch ihre Oberflächenmodifikation beeinflusst (lipophob, lipoophil). Um Eigenschaften der Ag-NP nach Modifikation ihrer Oberfläche durch funktionelle Gruppen zu untersuchen, werden z. B. Ag-NP mit fluoreszierender Hülle hergestellt, damit deren Aufnahme durch Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie beobachtet werden kann.

Durch eine begleitende Analytik wird die gleichbleibende Qualität der Partikelsuspensionen sichergestellt.

1.2     Verhalten und Wirkung von Ag-NP mit spezifischen Eigenschaften

Voraussetzung für die Untersuchungen zu Verhalten und Wirkung von Ag-NP mit spezifischen Eigenschaften ist die Erarbeitung einer Standard-Prozedur zur Herstellung von definierten Applikationslösungen für alle Projektpartner, deren Schwerpunkt die gleichzeitige Dispergierung und Stabilisierung der Ag-NP in unterschiedlichen wässrigen Phasen bildet. Dadurch wird gewährleistet, dass die Probenvorbereitung (Ansatz, Dispergierung, Verdünnung, Probenentnahme) bei allen Projektpartnern unter standardisierten und damit vergleichbaren Bedingungen erfolgt.

In der Begleitanalytik während der gesamten Projektlaufzeit stehen folgende Aspekte im Mittelpunkt der analytischen Fragestellungen:

• die Charakterisierung der NP in den Testmedien, bevor diese mit den biologischen Testsystemen in Kontakt kommen
• die Charakterisierung der NP aus den verschiedenen Testmatrizes, nachdem die NP mit biologischen Systemen in Kontakt waren
• die Entwicklung von geeigneten Methoden, um NP in komplexen Umweltmedien (z.B. Klärschlamm, Waschabwasser, Boden) nachweisen und charakterisieren zu können

Diese Aspekte haben zentrale Bedeutung, da nur eine genaue Analytik der einzelnen untersuchten NP eine Interpretation der Ergebnisse zu Wirkungsuntersuchungen mit Screening-Tests und ihr Verhalten in Poren- und Waschwasser sowie die Erfassung ihrer Wirkung auf terrestrische und aquatische Systeme erlaubt.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Teilaufgabe ist es, grundlegende Mechanismen der Wirkungen von Ag-NP auf subzellulärer und zellulärer Ebene zu erarbeiten. Zum Einsatz kommen dabei in vitro -Testsysteme auf unterschiedlichen biochemischen bzw. biologischen Organisationsebenen sowie fluoreszenzmarkierte NP, um diese an den biologischen Matrices lokalisieren zu können. Letztlich sollen Aussagen dazu erarbeitet werden, auf welchen (Kombinationen von) biologischen Merkmalen (morphologisch, physiologisch, biochemisch) besonders hohe bzw. niedrige Sensitivitäten gegenüber Ag-NP beruhen.

Ein weiteres Ziel ist es, grundsätzliche Aussagen zum Verhalten von AG-NP im Bodenporenwasser sowie im Waschwasser in Abhängigkeit ihrer spezifischen Eigenschaften zu treffen, um grundlegende Informationen zum Sorptions- und Agglomerationsverhalten von Nanomaterialien in Abhängigkeit vom umgebenden Medium und von den Materialeigenschaften zu erhalten.

2.1     Simulation nutzungsrelevanter Szenarien: Verbleib/Verteilung von Ag-NP

Ziel dieser Teilaufgabe ist es, durch die Charakterisierung bestehender Ag-NP-haltiger Produkte essentielle Unterschiede zwischen den Produkten zu ermitteln, um dadurch die Einflüsse der Herkunft der Ag-NP, der verwendeten Textilhilfsmittel, des textilen Grundmaterials sowie gebrauchsspezifische Einflüsse zu bestimmen und so eine Basis der für weitere Untersuchungen relevanten Textilien zu schaffen.

Zu den Inhalten gehört die Prüfung der antimikrobiellen Wirksamkeit ausgewählter Textilien. Durch eine produktspezifische Gebrauchssimulation wird ermittelt, inwieweit sich Ag-NP beim Abrieb aus den Fasern lösen und sich weiter in Luft, Staub verteilen, und ob sie beim Waschvorgang ausgetragen werden und über das Waschwasser in der Kläranlagen gelangen.

2.2     Charakterisierung der Exposition

Als Konsequenz folgt eine qualitative Bewertung der in Teilaufgabe 2.1. ermittelten Daten zum Verbleib von AG-NP aus Verbrauchsprodukten, vor allem Textilien. Dazu wird der erzeugte Abrieb aus Luft, Schweb- und Liegestaub untersucht, um festzustellen, in welchen Größen-Fraktionen des Staubes/Abriebs die Ag-NP zu finden sind. Dies soll durch die Entwicklung einer Kombination von analytischen Verfahren erfolgen. Ebenso erfolgt die Charakterisierung in Flüssigkeiten und Suspensionen.

Weiterhin wird das über relevante Pfade (z. B. Klärschlamm) potenziell in Böden und Sedimente eingetragene Silber (Ag⁺) und NP-bürtige Silber in seinem kurz-, mittel- und langfristigen Mobilitätsverhalten durch einen abgestuften Untersuchungsansatz grundlegend charakterisiert. Die experimentell ermittelten Kennwerte zur Charakterisierung des Mobilitätsverhaltens von Ag⁺ und Ag-NP in Böden sollen in einem einfachen Modellansatz zur generalisierten Risikoabschätzung eines Eintrages von Ag-NP in Böden Einfang finden (Modellszenarien).

2.3     Charakterisierung von biologischen Effekten

Für eine Erfassung der Wirkung von Ag-NP auf terrestrische Organismen werden verschiedene trophische Ebenen und Hauptexpositionspfade sowie die Bioakkumulation, dabei insbesondere über den Eintragspfad aus Klärschlämmen, untersucht. Es werden sowohl Standardtests eingesetzt als auch Modifikationen davon, die entweder für den Einsatz zur Testung mit NP nötig sind oder aber Effekte erfassen, die für die Abschätzung von Umweltrisiken relevant, aber nicht in Standardtests enthalten sind. Die Projektpartner stimmen sich untereinander bezüglich der ausgewählten Böden und zu variierenden Bedingungen ab, um eine möglichst breite Auswahl an Bodeneigenschaften repräsentieren zu können.

Die Wirkung von Ag-NP auf aquatische Organismen verschiedener Trophieebenen wird mit Hilfe von Standardtests nach Chemikalienprüfung, OECD Guidelines und ISO-Norm sowie einem Testverfahren entsprechend einer OECD Draft-Guideline untersucht. Soweit für die Applikation und Exposition von Ag-NP in diesen Testsystemen Modifikationen der Standardtests notwendig sind, werden diese vorgenommen. Im Verlauf der Durchführung der Tests werden Proben für die Analytik genommen. Diese Arbeiten sollen Aussagen zur Eignung der Testverfahren bzw. zu deren notwendigen Modifikationen ermöglichen. Zudem sollen die Tests Informationen zum Einfluss der Nährmedien auf die Wirkung und Akkumulation der Ag-NP liefern.

3.1     Lebenszyklusanalyse

Ziel dieser Aufgabe ist es, am Beispiel der textilen Kette, die möglichen Expositionen von Mensch und Umwelt gegenüber verschiedenen Silberspezies (Ag-NP, Silberpartikel > 100 nm, gelöste Silberionen, an verschiedene Matrizes gebundene Silberpartikel) zu ermitteln. Dazu werden die Stationen der textilen Kette wie Produktion von silberhaltigen Textilfasern und Geweben, Gebrauch dieser Gewebe (z. B. Abnutzung durch Reibung, Waschen, Tragen am Körper) und schließlich die Entsorgungs- oder Recyclingspfade untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf folgende Punkte gelegt: (1) Bewertung des Umwelteintragspfades „Verschleiß beim Produktgebrauch“ mittels Stoffflussanalysen, (2) Abschätzung des Einflusses der Verarbeitungsweise von Nanopartikeln auf die Partikelemission in der Müllverbrennungsanlage.

3.2     Gefährdungs- und Risikoabschätzung

Auf der Basis der oben dargestellten Lebenszyklusanalysen sowie der experimentell in den Teilzielen 1 und 2 bzw. über Literaturrecherche ermittelten Expositions- und Wirkdaten wird eine Gefährdungs- und Risikoabschätzung durchgeführt. Dabei wird die Vorgehensweise nach den entsprechenden Richtlinien für REACh (Guidance for the Implementation of REACh) zugrunde gelegt.

Aktuelle Entwicklungen zu Nanomaterialien in REACh (Ergebnisse der CASG Subgroup on Nanomaterials) und das Fachwissen aus den Stoffvollzügen des Partners UBA werden in diese Abschätzungen eingehen. Die Ergebnisse werden dem Erkenntnisgewinn zum regulativen Umgang mit Nanomaterialien dienen. Entwickelte methodische Ansätze sollen direkt sowohl auf europäischer (EC und ECHA), als auch auf internationaler Ebene (OECD- WPMN, -WNT, CEN und ISO) eingebracht werden.