Das Projekt UMSICHT
UMSICHT bei der Erforschung von Silbernanopartikeln im Boden

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.05.2010

Projektende: 31.01.2014

Projektstand: 31.01.2014

Projektziele BGR:
Es wurde eine grundlegende Abschätzung zur Mobilität von Silberionen und unterschiedlich stabilisierten Silbernanopartikeln in Böden vorgenommen.

Nutzen:
Information von Industrie, Politik und Verbrauchern
Datengrundlage für mögliche regulatorische Eingriffe

Zielgruppen:
Forschung, Industrie, Behörden und Verbraucher

Hintergrund:
Das Thema Nanomaterialien rückt immer stärker in den Fokus der öffentlichen Wahrnehmung. Silbernanopartikel (Ag ENP (Engineered NanoParticles)) finden – aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung - in zahlreichen Produkten (Kleidung, Hygieneartikel, Medizinprodukte) ihre Anwendung. Um Auswirkungen der Ag ENP auf die Umwelt zu untersuchen, wurde das Forschungsvorhaben UMSICHT (Abschätzung der Umweltgefährdung durch Silber-Nanomaterialien: vom Chemischen Partikel bis zum Technischen Produkt) ins Leben gerufen. UMSICHT ist ein Verbundvorhaben des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), in dem zahlreiche Partner aus Industrie, Forschung und Regulation zusammengearbeitet haben.

Material und Methoden:

Abbildung 1: Lage der Probenahmestandorte Quelle: BGR

Es wurden Silberionen (Ag⁺), sterisch stabilisierte Ag ENP (AgNM-300k, OECD Standard) und mit Citrat stabilisierte Ag ENP (AgCN30) getestet. Für die Analytik wurden verschiedene Methoden (Dynamische Lichtstreuung (DLS), Rasterelektronenmikroskopie (REM) gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), ICP-OES (englisch: Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) und ICP-MS (englisch: Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)) kombiniert, um Ag ENP in Dispersionen zu charakterisieren bzw. Ag_total Gehalte nach Aufschluss bzw. Ultrazentrifugation zu bestimmen. Es wurden 25 mitteleuropäische Ackerböden in 24-stündigen Batchversuchen untersucht (Abbildung 1). Die Remobilisierbarkeit von AgNM-300k aus zwei Ackerböden wurde mit Säulenversuchen getestet. Die Elution der beladenen Böden erfolgte jeweils nach einer Inkubationsdauer von drei und 92 Tagen.

Ergebnisse und Diskussion:
Die Batchversuche zeigen ein hohes Potential zur Retention von Ag⁺ in Oberböden (K_F = 277-12136 L kg^-1, n = 70). Dagegen ist die Batchretention von AgNM-300k für die meisten getesteten Böden niedrig (n = 19, Gruppe 1, Abbildung 2), was eine hohe Mobilität in Böden impliziert. Die Retention folgt einem linearen Modell und die Retentionskoeffizienten (Mittelwert K_{r, linear} = 3,7 L kg^-1, n = 19) sind positiv mit dem Tongehalt korreliert (r² = 0,4, n = 19). Sechs Böden zeigen sehr hohe Retentionskoeffizienten (Mittelwert K_{r, linear} = 1048 L kg^-1, Gruppe 2) für AgNM-300k, was sich durch hohe Tongehalte (> 20 %) erklären lässt. Die Einteilung der Böden in Gruppen mit hoher und niedriger Retention bleibt auch für AgCN30 bestehen. Demzufolge könnten die physikochemischen Bodeneigenschaften die Retention der Ag ENP stärker steuern als die spezifischen Eigenschaften des Coatings.

Abbildung 2: Nachweis von Silbernanopartikeln in Böden nach 24-stündigen Batchversuchen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Dynamischer Lichtstreuung Quelle: BGR

Die Säulenversuche (Abbildung 3) zeigen, dass das applizierte AgNM-300k zu einem Großteil im Boden verbleibt. Wenn die Retention auf Aggregationsprozesse zurückzuführen ist, dann sind die gebildeten Aggregate wahrscheinlich nicht nanoskalig und demzufolge weniger reaktiv (Abbildung 4). Die Ag_total Freisetzung (1 % des zugegebenen Ag_total, Wasser/ Feststoff = 1 L kg^-1) aus einer sandigen Braunerde (Tongehalt = 5 %) liegt über der Freisetzung (0,3 % des zugegebenen Ag_total, Wasser/ Feststoff = 2 L kg^-1) einer Parabraunerde (Tongehalt = 16 %). Die Batchversuche implizieren ebenfalls eine höhere Freisetzung für die Braunerde im Vergleich zur getesteten Parabraunerde.

Die Ergebnisse zur Retention von Ag ENP in Böden sind nicht eindeutig. Die Batchversuche deuten auf ein hohes Potential zur Mobilität von Ag ENP in Böden hin. Über den Ansatz der Säulenelution von Ag ENP versetzten Böden wurde jedoch ein geringes Potential zur Remobilisierung abgeleitet. Diese indifferenten Ergebnisse spiegeln den Stand der Forschung wieder. Verschiedene Autoren zeigen in Perkolationsversuchen mit Bodensäulen sowohl hohe als auch niedrige Potentiale zur Mobilität von Ag ENP in Böden. Die Testsysteme steuern möglicherweise die Implikationen zur Mobilität bzw. Retention der Ag ENP in Böden.

Ausblick:
Um bestehende Wissenslücken zu schließen, wird die Teilnahme an dem Folgeprojekt „DENANA“ (Design Kriterien für nachhaltige Nanomaterialien) angestrebt. In diesem Projekt sollen Säulenversuche unter realistischen Flussbedingungen (präferenzielle Fließwege, Austrocknung und Wiederbefeuchtung, „first flush“) mit ungestörten Bodensäulen sowie Versuche mit Freilandlysimetern durchgeführt werden.

Projekt-Homepage:

http://www.umsicht.uni-bremen.de

Projektbeiträge / Downloads:

Hoppe, M., Utermann, J., Guggenberger, G., Mikutta, R. und Duijnisveld, W.: Untersuchungen zur kolloidalen Stabilität und Retention von Silbernanopartikeln in Böden. Endbericht (Teilprojekt des BMBF-Verbundvorhabens „UMSICHT“), 2014.

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR 2007): Karte der Gruppen von Bodenausgangsgesteinen in Deutschland im Maßstab 1:5 Mio. – Datenquelle: BAG 5000 v3.0; © FISBo BGR; Hannover.

Utermann, J., Meyenburg, G., Altfelder, S., Gäbler, H.-E., Duijnisveld, W., Bahr, A. und Streck, T (2005): Entwicklung eines Verfahrens zur Quantifizierung von Stoffkonzentrationen im Sickerwasser auf der Grundlage chemischer und physikalischer Pedotransferfunktionen. Endbericht, BMBF-Forschungsvorhaben 02WP0206.

Verbundpartner/Projektbeteiligte:

Weiterführende Informationen über Nanopartikel:

http://www.nanopartikel-info.de/