DENANA mit Abgabe des Endberichts erfolgreich abgeschlossen

Quelle: BGR

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) untersuchte die Mobilität von Nanomaterialien in Böden und Testmedien im Verbundvorhaben „Designkriterien für nachhaltige Nanomaterialien“ (DENANA, Förder-Nr.: 03X0152D). In DENANA arbeiteten 17 Partner aus Forschung, Industrie und Behörden zusammen. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, der Berichtszeitraum endete am 31.03.2018. Im Folgenden werden die wesentlichen Ergebnisse und der sich daraus ergebende Forschungsbedarf diskutiert. Der vollständige Endbericht der BGR wird zeitnah auf der Projektseite bereitgestellt.

Welche Relevanz hat das Thema?

Aufgrund zahlreicher Anwendungsmöglichkeiten (u. a. Farben, Poliermittel, elektronische und optische Geräte, Zuschlagsstoff für Diesel) werden Cerdioxid-Nanomaterialien (CeO₂-NM) hergestellt. Über den Lebensweg der Produkte kann es zur CeO₂-NM-Freisetzung ins Abwassersystem kommen. Gleiches gilt für Silber-Nanopartikel (Ag-NP), die in Produkten des täglichen Gebrauchs (Medizinprodukte, Farben, Kleidung) zum Einsatz kommen. Über den Abwasserpfad gelangen die Partikel in Kläranlagen, wo sie größtenteils im Klärschlamm abgeschieden werden. Bei der landwirtschaftlichen Verwertung des Klärschlamms kommt es zum NM- und NP-Eintrag in Böden. Die Datengrundlage zur Mobilität der Partikel in Böden hat sich in den letzten Jahren verbessert, wobei Böden als Senke für NM gelten. Eine toxische Wirkung der Partikel auf Bodenorganismen kann momentan nicht ausgeschlossen werden. Weiterhin ist bekannt, dass NM von Kulturpflanzen aufgenommen werden können, was zur Beunruhigung hinsichtlich der menschlichen Nahrungskette geführt hat. Bisherige Implikationen zur Wirkung und zum Verbleib von NM in der Umwelt werden häufig aus vereinfachten, kurzfristigen Laborversuchen abgeleitet, weshalb ein dringender Bedarf an langfristigen, praxisnahen Freilandversuchen existiert.

Demzufolge waren langfristige Lysimeterversuche am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME), die durch die BGR fachlich und analytisch begleitet wurden, einer der zentralen Arbeitsschwerpunkte des Gesamtvorhabens DENANA.

Wichtige Ergebnisse

Trotz hoher Hintergrundwerte ist der Nachweis von CeO₂-NM in Böden möglich, wobei das Doping mit Europium (Eu) die Nachweisbarkeit teilweise verbessern kann. Vorversuche mit CeO₂-NM zeigten eine kurz- und mittelfristige Remobilisierung (Fraktion <0,45 µm) der Partikel auf niedrigem Niveau (<10 %). Die Auflösung der CeO₂-NM kann in der Bodenlösung vernachlässigt werden. Gleiches gilt für die Auflösung von Eu. Die Remobilisierbarkeit der CeO₂-NM variiert über die verschiedenen Böden. Aufgrund der niedrigen Probenzahl (n = 11) konnten keine steuernden Bodeneigenschaften identifiziert werden.
In den Lysimeterversuchen mit CeO₂-NM über drei Vegetationsperioden konnte keine vertikale Verlagerung der NM im Boden festgestellt werden. Im Vergleich zur Kontrolle war weder eine Ce-Freisetzung ins Sickerwasser noch eine Hemmung von Ammoniumoxidierenden Bakterien (AOB, Daten IME) nachweisbar. Dementsprechend ist von einer deutlichen Retention der Partikel im Boden auszugehen, wobei in zwei der drei angebauten Pflanzen (Raps, Gerste) eine Aufnahme von Ce in die Wurzel gefunden wurde. Die Ag-Lysimeterversuche zeigen ähnliche Ergebnisse, obwohl Unterschiede zwischen den Ag-NP und den CeO₂-NM (Größe, Ladung, Element, Coating) bestehen. Es konnte keine vertikale Verlagerung nachgewiesen werden. Im Sickerwasser trat hingegen eine minimal erhöhte Ag-Konzentration auf. Auch für die Ag-NP-Lysimeter war eine Ag-Aufnahme in die Wurzeln (Weizen, Raps, Roggen) nachweisbar, wobei für beide Partikel eine deutliche Wurzel-Spross-Barriere festgestellt wurde. Im Gegensatz zu den CeO₂-NM führte die Ag-NP-Applikation zur Hemmung der AOB (Daten IME). Die Lysimeterversuche mit Ag-NP und CeO₂-NM sowie die Vorversuche mit CeO₂-NM zeigen, dass Böden eine Senke für NM darstellen. Dies ist aufgrund der Pflanzenaufnahme (Ag-NP, CeO₂-NM) und der antibakteriellen Wirkung (Ag-NP) nicht mit einer vollständigen Immobilisierung der Partikel im Boden gleichzusetzen.
Im Gegensatz zu den Lysimeterversuchen implizieren Säulenversuche mit strukturierten Böden und kolloidal stabilen Ag-NP eine hohe Mobilität der Partikel. Insbesondere gesättigte Versuche führen zu hohen Ag-Durchbrüchen, was für den sandigen Cambisol auch im ungesättigten Versuch zutrifft. Demnach steuert das Versuchsdesign (Säule vs. Lysimeter) die Implikation zur Mobilität von Ag-NP in Böden. Einerseits können langfristige Lysimeterversuche die reale Umwelt besser abbilden als Säulenversuche, andererseits sind Daten aus Transportversuchen besser für die Modellierung geeignet. Deshalb haben beide Ansätze ihre Berechtigung und sollten für eine ganzheitliche Risikoabschätzung berücksichtig werden.

Wie geht es weiter?

Die Wurzelaufnahme von NM sollte weiterhin unter Feldbedingungen untersucht werden, wobei mit Blick auf den Nahrungskreislauf auch Zuckerrüben untersucht werden müssten. Dementsprechend werden die bisherigen Langzeitversuche mit Feldlysimetern in den kommenden Jahren weitergeführt. Grundsätzlich lagen die Transferraten in die Wurzel auf einem niedrigen Niveau, so dass keine genauere Charakterisierung der Ag-Spezies (Ag-NP, Silberionen (Ag+), Ag-NP-Aggregate) in der Wurzel möglich war. Entsprechend ist auch eine weitere Methodenentwicklung nötig, hierbei könnten enzymatische Aufschlüsse der Pflanzen mit anschließender Fluss-Feld-Flussfraktionierung (FFFF) in Kombination mit ICP-MS nützliche Ergebnisse liefern.