NanoTrust Dossiers

Nano-Titandioxid (nano-TiO2) ist das meist hergestellte Nanomaterial und bereits in vielen Produkten vorhanden, sowohl in regulärer als auch in nanoskalige Größe. Deshalb ist es auch das am besten untersuchte Nanopartikel. Viele in-vivo- wie auch in-vitro-Studien wurden durchgeführt, um mögliche Gefährdungspotenziale zu prüfen, wenngleich die epidemiologischen Studien keine TiO2-spezifischen Effekte aufwiesen. Zurzeit gibt es allerdings keine nano-TiO2-spezifischen epidemiologische Studien und auch keine Daten über eine mögliche Exposition. Dennoch haben unterschiedliche internationale Gremien das Material als „möglicherweise krebserregend für den Menschen“ auf Grund von Tierversuchen eingestuft und auf Risiken hingewiesen. Spezifische Regulierung für nano-TiO2 gibt es zurzeit keine und deshalb gelten die (Ultra-)Feinstaubregelungen.

Der Grundbestandteil des Titandioxids (TiO2) ist das Element Titan, das zu den zehn häufigsten Metallen der Erdkruste zählt. TiO2 kommt in der Natur in drei unterschiedlichen Kristallstrukturen vor, wobei alle Formen unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen, die unterschiedlich genutzt werden. Daher ist auch TiO2 ein weit verbreiteter Produktbestandteil von Farben und Lacken, Kosmetika, Textilien, Papier, Kunststoffen und auch in Lebensmitteln für die Verbesserung der Textur. In Sonnenschutzmitteln wird nano-TiO2 etwa seit dem Jahr 1990 als sogenannter physikalischer UV-Filter eingesetzt. Die photokatalytische Wirkung von nano-TiO2 wird ebenfalls vielfältig verwendet. Das hohe Oxidationsvermögen von nano-TiO2-Beschichtungen soll z. B. selbstreinigende Oberflächen ermöglichen, da sie organische Verschmutzungen abbauen und somit auch Bakterien abtöten. Zukünftig sollen die photochromische und elektrochromische Eigenschaften (reversible Farbveränderung durch Licht oder Spannung) mehr genutzt werden und auch die Verwendung von nano-TiO2 im Bereich der alternativen Energieerzeugung wird erforscht.

In the construction industry and in architecture, nanotechnology and nanomaterials provide new opportunities. “Nano-products” for construction purposes are currently found in four main sectors: cement-bound construction materials, noise reduction and thermal insulation or temperature regulation, surface coatings to improve the functionalities of various materials, and fire protection. At the present time, nanomaterials – and therefore “nano-products” – remain considerably more expensive than conventional alternatives due to the required production technology, and the technical performance of many products remains to be demonstrated. Both industry workers as well as end users can come into contact with nanomaterials when using a “nano-construction material” and need to be protected from potential health hazards. Information on which nanomaterial is found in which form and concentration in a product is often unavailable, particularly to end users. Once a nanomaterial is solidly embedded in a matrix, for example in concrete or in insulation material, then the probability of exposure is very low or non-existent according to current knowledge, as long as the product is not destructively worked or processed. When workers spray a nano-surface layer or mix mortar at a construction site, for example, they are subject to a potential health hazard by inhaling the dust or tiny droplets of liquid (aerosols). As “nano-construction products” currently play a subordinate role on the market, the current environmental threat due to nanomaterials appears to be low. Nonetheless, virtually no data are available on exposure, so that no comprehensive risk assessment can currently be undertaken for any nanomaterial.

Nanotechnologie und Nanomaterialien bieten auch im Bereich der Bauwirtschaft und der Architektur neue Möglichkeiten. „Nano-Produkte“ für das Bauwesen finden sich derzeit vor allem in vier Bereichen: zementgebundene Baustoffe, Lärm- und Wärmedämmung bzw. Temperaturregelung, Oberflächenbeschichtungen zur Verbesserung der Funktionalitäten diverser Materialien sowie Brandschutz. Zurzeit sind Nanomaterialien – und folglich „Nano-Produkte“ – aufgrund der erforderlichen Produktionstechnologie noch erheblich teurer als die konventionellen Alternativen und die technische Leistung vieler Produkte muss erst noch nachgewiesen werden. Sowohl ArbeitnehmerInnen wie auch EndanwenderInnen können bei der Verwendung eines „Nano-Bauproduktes“ mit Nanomaterialien in Kontakt kommen und sind vor möglichen gesundheitlichen Gefährdungen zu schützen. Vor allem den EndanwenderInnen fehlt aber oft die Information, welches Nanomaterial sich in welcher Form und Konzentration in einem Produkt befindet. Ist ein Nanomaterial fest in eine Matrix eingebunden, etwa in Beton oder in einem Isoliermaterial, ist die Wahrscheinlichkeit einer Exposition mit dem Nanomaterial nach derzeitigem Kenntnisstand sehr gering oder überhaupt nicht gegeben, soferne das Produkt nicht zerstörend bearbeitet wird. Wird etwa eine Nanobeschichtung aufgesprüht oder Mörtel auf einer Baustelle angerührt, bestehen für ArbeiterInnen mögliche Gesundheitsgefährdungen durch das Einatmen von Staub oder kleinsten Flüssigkeitströpfchen (Aerosole). Da derzeit „Nano-Bauprodukte“ am Markt noch eine untergeordnete Rolle spielen erscheint eine aktuelle Umweltgefährdung durch Nanomaterialien gering. Es existieren allerdings kaum Daten zur Exposition, daher kann derzeit für kein Nanomaterial eine umfassende Risikobewertung vorgenommen werden.

The funds for research on nanotechnologies (NMP – nanotechnology and nanosciences, new materials and new production processes), a funding priority established in 2002 by the EU Commission, were increased in the current 7th Framework Program. The expenditures for research on the environmental and health impacts of nanoparticles have shown a particularly large jump. Beyond increasing the budget for additional research projects, the funding structure was also improved. The Commission is pursuing two main goals. The first is to create synergies and help avoid redundancies on the national level by more strongly interlinking the scientific institutions. The second is to intensify the information exchange between the respective institutions by establishing international networks and communication platforms. EU institutions such as the Joint Research Centre are also substantially involved in these networks. One such network is the NanoSafety Cluster, which to date has encompassed more than thirty EHS projects (five of them still from the 6thFramework Programme). In the past, the research focus was mostly on the potential health impacts of synthetic nanomaterials; increasingly, efforts are being made to study the potential impacts on the environment and the protection of employees that produce and process nano-components. Finally, the funding of research proposals that deal with the necessary implementation of regulatory approaches (laboratory analytics, detection methodologies, development and adaptation of measuring instruments) was intensified.

Kennzeichnung ist ein zentrales Steuerungsinstrument in der Risikoregulierung. In der Regel werden damit unterschiedliche Ziele verfolgt: Einerseits sollen Kennzeichnungen den VerbraucherInnen mündige Kaufentscheidungen ermöglichen und sie vor irreführender Information schützen; andererseits sollen sie innovative Produktentwicklung ermöglichen und fördern. KonsumentInnen werden damit in das Risikomanagement verschiedener Produktgruppen mit einbezogen. Die Kennzeichnung nanomaterialhaltiger Produkte war von Anfang an Bestandteil des Nanoregulierungsdiskurses sowohl auf nationaler als auch auf EU-Ebene. Während die Mitgliedstaaten auf nationale Alleingänge bislang verzichteten, finden nanospezifische Kennzeichnungspflichten zunehmend Eingang in das EU-Recht, vorerst in den Bereichen Kosmetika, Lebensmittel und Biozidprodukte. Darüber hinausgehende internationale Initiativen zur freiwilligen Kennzeichnung konnten sich bislang nicht am Markt durchsetzen.

Die Mittel des bereits 2002 von der EU-Kommission eingerichteten Förderschwerpunkts zur Erforschung der Nanotechnologien eingerichtet (NMP – Nanotechnologie und -wissen-schaften, neue Materialien und neue Produktionsprozesse) wurden im derzeit laufenden 7. Rahmenprogramm aufgestockt. Besonders stark gewachsen sind Aufwendungen für die Er-forschung von Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen von Nanopartikeln (NP). Es gab nicht nur Budgetmittel für zusätzliche Forschungsprojekte, auch die Förderstrukturen wurden ver-bessert. Die Kommission verfolgt im Wesentlichen zwei Ziele. Zum Einen soll eine stärkere Vernetzung der wissenschaftlichen Einrichtungen Synergieeffekte schaffen und Redundanzen auf nationaler Ebene vermeiden helfen. Zum Anderen soll durch die Einrichtung von interna-tionalen Foren und Kommunikationsplattformen der Wissensaustausch zwischen den befass-ten Institutionen intensiviert werden. An diesen Netzwerken sind auch EU-Einrichtungen wie das Joint Research Centre maßgeblich eingebunden. Ein solches Netzwerk stellt der Nanosa-fety-Cluster dar, in dem bisher mehr als dreissig EHS-Projekte (davon noch fünf aus dem 6. Rahmenprogramm) zusammengefasst sind. In der Vergangenheit wurden vor allem mögliche gesundheitliche Auswirkungen synthetischer Nanomaterialien erforscht; zunehmend werden auch potentielle Schädigungen der Umwelt und der Schutz der Beschäftigten bei der Herstel-lung und Verarbeitung von Nano-Komponenten untersucht. Außerdem werden auch For-schungsvorhaben, die sich mit Fragestellungen zur notwendigen Durchsetzung von Regulie-rungsansätzen beschäftigen (Laboranalytik, Nachweisverfahren, Entwicklung und Anpassung von Messgeräten) verstärkt gefördert.

There is currently no clear evidence that engineered nanoparticles (ENPs) pose a significant threat to the environment. Nonetheless, major gaps in our knowledge exist:
Environmental analytics: Suitable methods to determine nanoparticle concentrations and properties in complex environmental media such as water, soil, sediment or sewage sludge, as well as in organisms, remain to be developed.
Fate and behavior in natural environmental compartments: The special properties of artificial nanomaterials complicate predictions. The current dearth of data is a major stumbling block in comprehensively assessing the fate and behavior of nanomaterials in the environment.
Ecotoxicology: Research is concentrated primarily on controlled laboratory studies using cell cultures or model organisms. One of the major critiques here is the use of unrealistically high doses. No detailed ecotoxicological studies are available that can explain the mechanisms of uptake, distribution, metabolization and excretion of nanoparticles.
Environmental exposure: The most probable entry pathways of nanomaterials into the environment are via sewage water and wastes, but to date no quantitative exposure data are available for nanoparticles. The available studies are based exclusively on model calculations and estimates, which considerably hampers comprehensive risk assessment.
Overall, no definitive conclusions can be drawn on whether environmental damage can be expected or not.

Nanotechnology products, processes and applications have the potential to make important contributions to environmental and climate protection by helping save raw materials, energy and water as well as by reducing greenhouse gases and problematic wastes. Nanomaterials, for example, can increase the durability of materials; dirt- and water-repellant coatings are designed to help reduce cleaning efforts; novel insulating materials can improve the energy efficiency of buildings; adding nanoparticles to reduce the weight of materials can help save energy during transport. Great hopes are being placed on nano-technologically optimized products and processes that are currently under development in the energy production and storage sectors.
Emphasis is often placed on the sustainable potential of nanotechnology, but this in fact represents a poorly documented expectation. Determining a product’s actual effect on the environment – both positive and negative – requires considering the entire life cycle from the production of the base materials to disposal at the end of its useful life. Only few life cycle analyses have been conducted, but some show clearly reduced environmental impacts or energy and resource savings for certain products that use nanomaterials or nanotechnology processes. Nonetheless, not every “nano-product” is a priori environmentally friendly or sustainable, and the production of nanomaterials often requires large amounts of energy, water and environmentally problematic chemicals.

As far as concerns the risks of nanotechnology, the focus of attention is on nanomaterials and in particular on free nanoparticles. Alongside the investigation of their possible toxicity, the question of the exposure of humans and the environment is an essential element of their risk assessment. Nanoparticles suspended (distributed and embedded) freely in the air are of particular relevance, since they can easily penetrate the human body via the lungs. In addition, it is extremely difficult to monitor the spread of nanoparticles in the air.
Commercially available particle counters can be used to determine the concentration of particles and droplets in the air down to a size of a few nanometres. In the light of the high background concentration of natural nanoparticles and those generated by human activity, the first priority is to distinguish between natural and synthetic nanoparticles. While an on-site concentration measurement can be carried out in a few minutes, the analysis of the nanoparticles contained in the air, that is the determination of their form and composition is only possible using complex electron microscopy procedures in the laboratory. This situation currently constitutes the main problem for determining the concentration of synthetic nanoparticles and will do so for the near future.

Carbon nanotubes (CNTs) can be inhaled and thus deposited in the lungs. Studies have shown that specific CNTs, namely those that are long (10-20 µm), thin (5-10nm), needle-shaped and non-soluble (biopersistent), can promote the formation of lung diseases and show behaviour similar to that of asbestos fibres. Short or long fibres that are not needle-shaped will not, however, induce inflammatory changes, no more than a single carbon particle would. Comprehensive life-cycle analyses regarding the potential environmental benefits arising from the use of CNTs (such as resource savings owing to more light-weight materials) are not available to date. At present, the production of CNTs still requires a high energy input, which offsets any potential environmental benefits. Their high reactivity and ability to transport other substances raises concerns about a possible ecotoxicity of CNTs. The data available are still restricted in scope, and the discussion of results is controversial. Given the lack of reliable data on exposure, an adequate assessment of health and/or environmental risks is not possible for the time being.
At present, specific regulations for CNTs or other nanomaterials exist neither in the laws governing chemicals nor in regulations for occupational health and safety. Hence, the relevant authorities recommend that the precautionary principle should be applied and measures taken to avoid exposure or keep it as low as possible.

As the basic element of life on Earth, carbon boasts a greater diversity of compounds than any other chemical element. Even elementary carbon occurs in several structural forms, including diamonds, graphite, fullerenes and carbon nanotubes (CNTs). The latter are well known and promising nanomaterials. CNTs have exceptional properties, combining high resistance, tensile strength and electrical conductivity with a very low weight. Carbon nanotubes are produced in numerous industries worldwide, with CVD (chemical vapour deposition) currently being the most relevant processing technology. CNTs are used as additives to various plastics in electronics, car manufacturing and shipbuilding or for the production of sports equipment. In the future, CNTs are expected to be used particularly in environmental and energy engineering, possible applications including enhanced batteries, solar and fuel cells, as well as in the construction industry for high-performance concrete, but also in medicine for drug delivery.

Nanomaterialien und Produkte, die solche Materialien enthalten, werden bereits vielfach eingesetzt, weil sie technologisch interessante nano-spezifische Eigenschaften besitzen wie etwa erhöhte Zugfestigkeit, verbesserte elektrische Leitfähigkeit, besondere optische Eigenschaften oder spezielle medizinisch-chemische Wirkungen. Doch dieselben Eigenschaften, die diese Substanzen technologisch interessant machen, könnten möglicherweise gesundheitliche Risiken für die Personen mit sich bringen, die mit diesen Substanzen umgehen. Denn die geringen Partikelgrößen und die erhöhte Reaktivität als Folge der besonderen Oberflächeneigenschaften sind auch für die biologische Aktivität und damit für die Toxizität dieser Materialien maßgeblich. Als Folge der zunehmenden Verbreitung kommen Beschäftigte vor allem in Forschungslabors, aber auch bei industriellen Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen immer häufiger in Kontakt mit Nanosubstanzen. Daher ist der ArbeitnehmerInnenschutz aus Sicht der Regulierung besonders wichtig. Aus der verfügbaren Literatur zur Arbeitssicherheit ergeben sich in Zusammenhang mit Nanomaterialien folgende besonders relevante Themenbereiche: Gesundheitsrisiken, Anpassung von Nachweis- und Messmethoden, tatsächliche Expositionsszenarien an Arbeitsplätzen, Definition und Erhebung bestehender Arbeitsplätze für Nanomaterialien, Empfehlungen zum ArbeitnehmerInnenschutz von Behörden und von der Industrie sowie arbeitsmedizinische Vorsorgemaßnahmen.

Derzeit gibt es keine eindeutigen Hinweise darauf, dass künstliche hergestellte Nanopartikel (ENPs) eine signifikante Gefährdung für die Umwelt darstellen. Allerdings bestehen noch große Wissenslücken:
Umweltanalytik: Geeignete Methoden zur Bestimmung von Nanopartikel-Konzentrationen und Eigenschaften in komplexen Umweltmedien, wie z. B. Wasser, Boden, Sediment oder Klärschlamm, wie auch in Organismen müssen erst noch entwickelt werden.
Verbleib und Verhalten in den natürlichen Umweltkompartimenten: Die speziellen Eigenschaften von künstlichen Nanomaterialien machen Vorhersagen schwierig. Der derzeitige Mangel an Daten ist ein großes Hindernis für die realistische Gesamteinschätzung des Verbleibs und des Verhaltens von Nanomaterialien in der Umwelt.
Ökotoxikologie: Die Forschung konzentriert sich primär auf kontrollierte Laboruntersuchungen mit Zellkulturen oder Modellorganismen. Einer der Hauptkritikpunkte sind die dabei verwendeten unrealistisch hohen Dosierungen. Bislang gibt es keine ökotoxikologischen Untersuchungen, die im Detail die Mechanismen der Aufnahme, der Verteilung, der Verstoffwechslung und der Ausscheidung von Nanopartikeln erklären könnten.
Umweltexposition: Die wahrscheinlichsten Eintrittspfade von Nanomaterialien in die Umwelt sind Abwasser und Abfall, doch bislang liegen für kein Nanomaterial quantitative Expositionsdaten vor. Studien basieren ausschließlich auf Modellberechnungen und Schätzungen, was eine umfassende Risikoabschätzung erheblich erschwert.Insgesamt ist festzustellen, dass stichhaltige Aussagen, ob Umweltschäden auftreten können oder nicht, derzeit kaum möglich sind.

Derzeit gibt es keine eindeutigen Hinweise darauf, dass künstliche hergestellte Nanopartikel (ENPs) eine signifikante Gefährdung für die Umwelt darstellen. Allerdings bestehen noch große Wissenslücken:
Umweltanalytik: Geeignete Methoden zur Bestimmung von Nanopartikel-Konzentrationen und Eigenschaften in komplexen Umweltmedien, wie z. B. Wasser, Boden, Sediment oder Klärschlamm, wie auch in Organismen müssen erst noch entwickelt werden.
Verbleib und Verhalten in den natürlichen Umweltkompartimenten: Die speziellen Eigenschaften von künstlichen Nanomaterialien machen Vorhersagen schwierig. Der derzeitige Mangel an Daten ist ein großes Hindernis für die realistische Gesamteinschätzung des Verbleibs und des Verhaltens von Nanomaterialien in der Umwelt.
Ökotoxikologie: Die Forschung konzentriert sich primär auf kontrollierte Laboruntersuchungen mit Zellkulturen oder Modellorganismen. Einer der Hauptkritikpunkte sind die dabei verwendeten unrealistisch hohen Dosierungen. Bislang gibt es keine ökotoxikologischen Untersuchungen, die im Detail die Mechanismen der Aufnahme, der Verteilung, der Verstoffwechslung und der Ausscheidung von Nanopartikeln erklären könnten.
Umweltexposition: Die wahrscheinlichsten Eintrittspfade von Nanomaterialien in die Umwelt sind Abwasser und Abfall, doch bislang liegen für kein Nanomaterial quantitative Expositionsdaten vor. Studien basieren ausschließlich auf Modellberechnungen und Schätzungen, was eine umfassende Risikoabschätzung erheblich erschwert.Insgesamt ist festzustellen, dass stichhaltige Aussagen, ob Umweltschäden auftreten können oder nicht, derzeit kaum möglich sind.

Mittels nanotechnologischer Produkte, Verfahren und Anwendungen könnte durch Einsparungen bei Rohstoffen, Energie und Wasser sowie durch Reduktion von Treibhausgasen und problematischer Abfälle ein wesentlicher Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz geleistet werden. Nanomaterialien können etwa die Widerstandsfähigkeit von Materialien erhöhen; schmutz- und wasserabweisende Beschichtungen sollen helfen, den Reinigungsaufwand zu reduzieren, neuartige Dämmmaterialien, die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, der Zusatz von Nanopartikeln zu einem Material, eine Gewichtsreduktion und damit Energieeinsparungen beim Transport zu bewirken. Besondere Hoffnungen werden in nanotechnologisch optimierte Produkte und Verfahren zur Energiegewinnung und -speicherung gesetzt, die derzeit in Entwicklung sind.

Das nachhaltige Potenzial von Nanotechnologie wird oft betont, aber es handelt sich dabei eher um eine wenig belegte Erwartung. Um die tatsächlichen Auswirkungen eines Produktes auf die Umwelt – sowohl Entlastungseffekte als auch mögliche Gefährdungen – feststellen zu können, müsste der gesamte Lebenszyklus von der Herstellung der Ausgangsmaterialien bis zur Entsorgung am Ende der Lebensdauer betrachtet werden. Einige der wenigen bislang durchgeführten Lebenszyklus-Analysen zeigen für bestimmte Produkte durchaus verringerte Umweltwirkungen bzw. Energie- und Ressourceneinsparungen durch die Verwendung von Nanomaterialien bzw. nanotechnologischer Verfahren. Doch nicht jedes „Nano-Produkt“ ist a priori umweltfreundlich oder nachhaltig und die Herstellung von Nanomaterialien benötigt oftmals noch viel Energie, Wasser und umweltproblematische Chemikalien.

Was die Risiken der Nanotechnologie betrifft, stehen Nanomaterialien und insbesondere freie Nanopartikel im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Neben der Untersuchung ihrer möglichen Toxizität ist die Frage der Exposition von Mensch und Umwelt entscheidender Bestandteil einer Risikoabschätzung. Frei in Luft suspendierte (verteilte und eingebettete) Nanopartikel sind dabei besonders relevant, da sie leicht über die Lunge in den menschlichen Körper eindringen können. Außerdem kann die Verbreitung von Nanopartikeln in der Luft schlecht kontrolliert werden.
Mittels kommerziell erhältlichen Partikelzählern kann man die Konzentration von Partikeln und Tröpfchen in der Luft bis hinunter zu einer Größe von wenigen Nanometern bestimmen. Angesichts der hohen Hintergrundkonzentration von natürlichen und durch menschliche Ak-tivität erzeugten Nanopartikeln besteht das vordringliche Problem darin, zwischen natürlichen und synthetischen Nanopartikeln zu unterscheiden. Während die Konzentrationsmessungen vor Ort in wenigen Minuten durchgeführt werden können, ist die Analyse der in der Luft ent-haltenen Nanopartikel, die Bestimmung ihrer Form und Zusammensetzung nur mit aufwendi-gen elektronenmikroskopischen Verfahren im Labor möglich. Dieser Sachverhalt stellt derzeit und auch in naher Zukunft das Hauptproblem einer Bestimmung der Konzentration von syn-thetischen Nanopartikeln dar.