NanoTrust-Dossiers

Titandioxid wird seit den 1960er-Jahren in Europa als Lebensmittelzusatzstoff (E 171) eingesetzt. Lange Zeit ging man davon aus, dassdieses wasserunlösliche Material aufgrund seiner geringen Absorption keine negativen gesundheitlichen Effekte verursacht. In den letzten Jahren zeigten aber Untersuchungen an Tieren Hinweise auf ein dosisabhängiges toxisches Potenzial bei oraler Aufnahme, vor allem Schädigungen der Leber und der Nieren, Entzündungsreaktionen, Veränderungen an der Milz und am Herz. Ebenso wurde eine Akkumulation in Organen festgestellt und einzelne Arbeiten zeigten auch eine Auswirkung auf die Darmflora sowie das Immunsystem. Eine Studie liefert auch Hinweise auf ein mögliches krebsförderndes Potenzial. Die europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bewertet den Stoff als unbedenklich bei oraler Aufnahme. E 171 kann einen Anteil von bis zu 59 % der Partikeln in einer Größenordnung von unter 100 nm aufweisen. Die französische Behörde für Lebensmittelsicherheit (ANSES) sieht auf Basis der bislang vorliegenden Studien große Unsicherheiten hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Effekte, insbesondere durch den hohen nanopartikulären Anteil. Die französische Regierung hat deshalb ein Verbot von E 171 ab 1.1.2020 für ein Jahr beschlossen. Verbraucherschutzorganisationen verlangen eine Ausweitung des Verbots auf die gesamte EU. Die Industrie betont, dass E 171 sicher sei und befürchtet negative wirtschaftliche Folgen. Einige Süßwarenhersteller haben dennoch ihre Rezepturen bereits geändert und setzen kein E 171 mehr ein. Die Europäische Kommission ändert die Spezifikationen für E 171, sodass dieses zukünftig nur mehr maximal einen Anteil von 50 % an Nanopartikeln enthalten darf.

Dieses NanoTrust Dossier beschäftigt sich mit bio-inspirierten und biomimetischen Nanomaterialien. Zuallererst erfolgt eine Begriffsklärung, in der zwischen bio­inspirierter bzw. biomimetischer Nanotechnologie und Bionanotechnologie unterschieden wird. Anschlie­ßend werden die Grundlagen bio­inspirierter und biomimetischer Nanomaterialien präsentiert. Es folgt eine systematische Einteilung von Synthesemethoden bio­inspirierter und biomimetischer Nanomaterialien. Diese Einteilung ist nach der Methode der Herstellung der Materialien angeordnet, nicht nach Funktionalität. Dies soll eine schlüssigere Korrelation mit Sicherheitsaspekten, die in vielen Fällen erst erstellt werden muss, ermöglichen. Eine Anordnung nach Materialeigenschaften oder auch Materialzusammensetzungen ist in Folge der großen Vielfalt nicht sinnvoll. Au­ßerdem spielen neben der Chemie auch physikalische Parameter wie Größe, Struktur und Oberflächenbeschaffenheit bei der Bewertung eine wesentliche Rolle. Zusammenfassend ist zu sagen, dass bio-inspirierte und biomimetische Nanomaterialien, sofern die Materialentwicklung von einer entsprechenden sicherheits­ und nachhaltigkeitsorientierten Technikfolgenabschätzung begleitet ist, wichtige Grundstoffe als sogenannte funktionale Advanced Materials in Forschung, Entwicklung und Industrie darstellen.

In der Europäischen Union (EU) ist das Chemikalienrecht weitgehend harmonisiert. Jedoch werden Nanomaterialien, obwohl sie bereits seit Jahrzehnten in Gebrauch sind, in der Gesetzgebung häufig nicht speziell geregelt. Informationen darüber, wie, wo, und in welchen Mengen sie auf dem EU-Markt verwendet werden, sind rar. Da sich kein EU-weites Nanoregister in Planung befindet, haben viele Mitgliedstaaten national verbindliche Register eingeführt. Frankreich machte 2013 mit dem ersten nationalen Nanoregister den Anfang. Vier weitere Länder der Europäischen Union und des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR) sind dem Beispiel gefolgt. Alle der nationalen Nanoregister legen starken Wert auf die Vermeidung von Risiken für die menschliche Gesundheit und für die Umwelt, unterscheiden sich jedoch in Bezug auf die eingeforderten Informationen oder den Zeitpunkt der Registrierung.

Kunststoffen werden unterschiedliche Additive zugesetzt, um entweder die Verarbeitbarkeit zu verbessern, die Produkteigenschaften zu verändern oder um sie gegen Wärme, UV bzw. Lichteinflüsse zu schützen. Bei einem Polymer-Nanokomposit weisen die Additive zumindest in einer Dimension eine Größenordnung von unter 100 nm auf und können plättchen-, faser- oder partikelförmig sein. Sie dienen vor allem der Verbesserung der Zugfestigkeit, der Wärmeformbeständigkeit, des Brandschutzes, der optischen und elektrischen Eigenschaften sowie der Barriereeigenschaften des Kunststoffs. Zu den Nano-Additiven zählen Schichtsilikate wie Montmorillonit, kohlenstoffbasierte Additive (z. B. Carbon Black, Carbon Nanotubes, Graphen), nanoskalige Metalloxide (z.B. SiO2, TiO2, Al2O3), Metalle (z. B. Nanosilber, -gold, -kupfer) oder organische Additive wie Nanocellulose oder LigninNanopartikel. Neben der Ressourceneinsparung und der Gewichtsreduktion haben NanoAdditive auch das Potenzial schädliche Substanzen, wie z.B. umweltproblematische halogenierte Flammschutzmittel, zu ersetzen.
Polymer-Nanokomposite finden weltweit bereits in Verpackungsmaterialien, der Automobilindustrie und dem Transportwesen, der Luftund Raumfahrt sowie in der Energietechnologie, aber auch in Sportartikeln, Anwendung.
Unternehmensbefragungen in der österreichischen Automobil- und Elektronikindustrie haben jedoch gezeigt, dass Nano-Additive derzeit in diesen Branchen noch eine untergeordnete Rolle spielen. Die Gründe sind vor allem Probleme mit der Dispergierbarkeit, die Herstellung in größerem Maßstab, ein zu hohes Preisniveau und ein ungewisser Einfluss auf Mensch und Umwelt. In Hinblick auf Freisetzung, Exposition und Umweltverhalten bestehen noch erhebliche Wissenslücken und Forschungsbedarf.

Eine Reihe von Konzepten befasst sich mit sicherheitsrelevanten Fragestellungen bezüglich innovativer Materialien und Produkte. Das Safe-by-Design (SbD)-Konzept ist eines davon und hat zum Ziel, diese Sicherheitsfragen schon zu Beginn und während der gesamten Produktentwicklungsphase zu berücksichtigen. Durch die nanospezifischen SbD­-Konzepte sollen die herrschenden Unsicherheiten über die potenziellen Risiken für Umwelt und menschliche Gesundheit schon früh im Innovationsprozess von neuen Nanomaterialien und -produkten adressiert werden. Die Grundannahme des SbD-Konzeptes besagt, dass Risiken durch den Einsatz von möglichst sicheren Materialien, Produkten, Werkzeugen und Techniken reduziert werden können. Augenmerk wird dabei besonders auf die Produktentwicklungsphase gelegt, in welcher bei der Auswahl dieser Faktoren noch steuernd eingegriffen werden kann. Die frühe Integration von Sicherheit in den Innovationsprozess gilt im Sinne des Vorsorgeprinzips generell als erstrebenswert.

Nanomaterialien können die Eigenschaften von Lebensmittelkontaktmaterialien verbes­sern. Insbesondere für Lebensmittelverpa­ckungen aus Kunststoff sind derartige Inno­vationen von großem Interesse. Sie zielen da­rauf ab, die Lagerungsfähigkeit von Lebens­mitteln zu erhöhen und damit die Frische so­wie Qualität zu gewährleisten. Auch die tech­nischen Eigenschaften, wie Härte, Abriebbe­ständigkeit oder Verarbeitbarkeit von Materi­alien sollen verbessert werden. Lebensmittelkontaktmaterialien unterliegen zum Schutz der VerbraucherInnen in der EU einer Reihe von Vorschriften. Nanomaterialien müssen zu­gelassen werden und werden von der Euro­päischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) einer Sicherheitsbewertung unterzo­gen. Bei den in der EU zugelassenen Nano­materialien werden Spezifikationen und Beschränkungen für eine Verwendung festgelegt, um eine Exposition der VerbraucherInnen zu verhindern oder so gering wie möglich zu hal­ten und damit ein gesundheitliches Risiko auszuschließen. In Recycling-­ bzw. Abfallbehand­lungsanlagen kann es zu erhöhter Ultra-­ bzw. Feinstaubbelastung von ArbeitnehmerInnen kommen, wodurch auch unbeabsichtigt Nano­materialien freigesetzt werden können. Bis­lang gibt es jedoch keine verlässlichen Nach­weise, dass das Recycling von Nanomaterial-haltigen Polymeren zu einer erhöhten Exposi­tion von ArbeitnehmerInnen führt. Hinsichtlich der Umweltschutzaspekte ist bis dato wenig über das spezifische Verhalten von Nanoma­terialien und -kompositen während Abfallbehandlungsprozessen bekannt. Auch wären umfassende Untersuchungen zur Rezyklier­barkeit von Nanokompositen im Sinne einer nachhaltigen Nanotechnologie notwendig.

Spätestens seit den Konflikten um die Gen­technologie in den 1990er-Jahren ist Risikokommunikation ein fixer Bestandteil der Technologieregulierung geworden: Ob Behörden, Wissenschaft und Forschung, Wirtschaft und Industrie, Interessensvertretungen und Bür­gerInnen: Ihre Ansichten und Bedürfnisse sol­len berücksichtigt und in Regulierungskontext eingebunden werden. Dabei gestaltet sich Ri­sikokommunikation je nach Funktion und Ziel­setzung unterschiedlich. Voraussetzungen da­für, dass Risikokommunikation gelingen kann, sind Faktoren wie Zeitpunkt, beteiligte Akteu­re, AdressatInnen sowie angemessene Aufbereitung der Information und Transparenz des Prozesses. Diese Prozesse müssen auch im zeitlichen Verlauf regelmäßig evaluiert und angepasst werden.
Im deutschsprachigen Raum ist Risikokom­munikation ein Teil der Nano­-Regulierungs­politik und in den Nationalen Aktionsplänen festgelegt; Umsetzungsberichte evaluieren diese Strategien. Dieses Dossier gibt Einblick in Grundlagen der Risikokommunikation, be­vor es beispielhaft auf Kommunikationskon­zepte und ­Leitfäden aus der Schweiz, Deutsch­land und Österreich eingeht.

Titandioxid-Nanopartikel werden für eine Verwendung als UV-Filter in Kosmetika oberflächenmodifiziert, um die photokatalytische Aktivität zu vermindern und eine bessere Dispergierbarkeit zu gewährleisten. Auch nanopartikuläres Zinkoxid und Siliziumdioxid finden oberflächenmodifiziert in Kosmetika Verwendung. Verschiedene Nanomaterialien sind für eine Verwendung in Lebensmittelkontaktmaterialien, etwa für Kunststoffverpackungen, zugelassen. Um die gleichmäßige Dispergierbarkeit und die gute Anbindung an die Polymermatrix zu ermöglichen, werden die Nanopartikel durch eine Oberflächenmodifikation funktionalisiert. Das toxische Potenzial eines Nanomaterials wird durch dessen Oberfläche entscheidend beeinflusst. Durch die Wahl einer geeigneten Substanz zur Oberflächenmodifikation kann das toxische Potenzial eines chemischen Stoffes reduziert werden. Doch oft widersprechen sich die Ergebnisse von Studien, ob Oberflächenmodifikationen die Toxizität eines Nanomaterials verringern oder sogar erhöhen können. Wenngleich Nanopartikel aus zwei oder mehreren Materialien zusammengesetzt sein können, finden in den derzeitigen Regelungen betreffend Kennzeichnungspflichten und Sicherheitsbewertungen von Nanomaterialien in der EU Substanzen, die zur Oberflächenmodifikation von Nanopartikeln eingesetzt werden, keine explizite Berücksichtigung.

Die Oberfläche eines Nanopartikels spielt eine entscheidende Rolle hinsichtlich des Verhaltens und der Eigenschaften eines Nanomaterials. Über die Oberflächenchemie der Nanopartikel können deren Stabilisierung, Dispergierung und Funktionalisierung bestimmt werden. Auch die Toxikologie und Biokompatibilität werden entscheidend von der Oberfläche beeinflusst. Mittels Oberflächenmodifikation lassen sich Nanopartikel je nach Anwendungsbereich und gewünschten Eigenschaften mehr oder weniger „maßschneidern“. Dabei unterscheidet man zwischen einer Oberflächenfunktionalisierung, bei der chemische Substanzen an die Oberfläche binden oder anhaften bzw. einer Modifikation durch Umhüllung eines Nanopartikels mit einer oder mehrerer anorganischer oder organischer Substanzen. Die dabei entstehenden sogenannten „Kern/Schale“­Nanopartikel gewinnen zunehmendes Interesse in den Bereichen Medizin, Diagnostik, Pharmazie, Optik, Katalyse und Elektronik. Hergestellt werden oberflächenmodifizierte Nanopartikel vor allem mittels sogenannter „Bottom­up“­Verfahren, welche die physikalisch­chemischen Grundsätze der molekularen bzw. atomaren Selbstorganisation nutzen. Dazu gehören etwa chemische Verfahren wie Pyrolyse und Hydrolyse, das Sol­Gel­Verfahren sowie die Gasphasensynthese oder die Gasphasenabscheidung.

Die green nano Designprinzipien der deutschen Nanokommission stellen einen Versuch dar, konsensbasierte Richtlinien für umweltfreundlichere und nachhaltigere Produktion zu etablieren. Dieses Vorhaben fügt sich in aktuelle Ansinnen der internationalen Forschungs- und Entwicklungspolitik (z. B. Responsible Research and Innovation, RRI) und soll helfen, gewünschte gesellschaftliche Aspekte möglichst früh in die Technologieentwicklung zu integrieren. Dieses Dossier setzt sich mit der Frage auseinander, inwiefern ein solches Konzept zu umweltfreundlichen Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologien beitragen kann und stellt Forschungsprojekte vor, die Teile der green nano Designprinzipien umsetzen. Vor dem Hintergrund technologischer und naturwissenschaftlicher Forschung und Entwicklung stellt sich im Anschluss die Frage, ob und wenn ja, inwieweit Konzepte wie die green nano Designprinzipien eine Einbindung von Umweltaspekten in der Forschung unterstützen.

Künstlich hergestellte Nanomaterialien (ENM) können potenziell während aller Abfallbehandlungsprozesse freigesetzt werden sowie in Reststoffen, Altstoffen, Sekundärrohstoffen oder Komposten akkumulieren. Zum Verbleib und Verhalten von ENM während der Abfallverwertung und -entsorgung liegen jedoch erst wenige Untersuchungen vor. In Österreich werden mehr als die Hälfte des in Haushalten anfallenden Abfalls getrennt gesammelt und als Altstoff, biogene Abfälle sowie Problemstoffe und Elektroaltgeräte weiterbehandelt. Der Rest wird entweder in Müllverbrennungsanlagen (MVA) oder in mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen (MBA) behandelt. Erste Untersuchungen in MVAs zeigen, dass sich thermisch stabile ENM (Metalloxide) überwiegend in den festen Rückständen (Schlacke, Flugasche) anreichern. In Österreich werden diese überwiegend in Reststoffdeponien abgelagert. ENM können auch während des Recyclings von Produkten wieder freigesetzt werden (etwa Quantum Dots aus LEDs von Elektroaltgeräten oder CNTs aus Verbundmaterialien). Nanosilber scheint sich beim Recycling negativ auf die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen auszuwirken. ENM können direkt als Produktionsabfälle oder als Bestandteil von „Nano-Produkten“ bzw. als Sekundärabfälle, wie ENM-haltige Klärschlamme oder Verbrennungsrückst.nde, deponiert werden. Es wird geschätzt, dass weltweit zwischen 60 bis 86 % der am häufigsten eingesetzten ENM in Deponien landen. Da die Einsatzgebiete von ENM sehr mannigfaltig sind und deren Schicksal in der Umwelt im Einzelfall sehr unterschiedlich sein kann, können noch keine verallgemeinerten Aussagen getroffen werden.

Synthetisch hergestellte Nanomaterialien (Engineered Nanomaterials – ENM) können potentiell entlang des gesamten Lebenszyklus eines Produktes freigesetzt werden. Die Nutzung von Produkten mit suspendierten ENM, wie Sonnenschutzmittel, führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem unmittelbaren Umwelteintrag. Hingegen können fest in eine Produktmatrix integrierte ENM erst durch mechanische und/oder chemische Einwirkungen freigesetzt werden. ENM können entweder direkt oder indirekt (z. B. während der Entsorgungsphase) in die Umwelt gelangen, wo sowohl ihre Eigenschaften als auch die Umweltbedingungen ihr Aggregationsverhalten bestimmen. Witterungsexperimente mit Fassadenfarben zeigen, dass nur ein sehr geringer Anteil der enthaltenen Titandioxidnanopartikel (TiO2-NP) freigesetzt wird. Bei Farben mit Silbernanopartikeln (Ag-NP) können allerdings mit der Zeit bis zu 30 % der Partikel ausgewaschen werden. Auch aus mit Ag-NP behandelten Textilien werden bis zu 10 % des enthaltenen Silbers ausgewaschen und gelangen ins Abwasser. Bis zu 85 % der TiO2-NP und bis zu 99 % der Ag-NP werden bei der Abwasserreinigung über den Klärschlamm entfernt, wobei Ag-NP und andere Silberformen zu unlöslichem Silberchlorid und -sulfid umgewandelt werden. Gelangen ENM in Oberflächengewässer ist eine Unterscheidung zwischen natürlichen und künstlichen Nanopartikeln aufwändig. Untersuchungen mit TiO2-NP, die etwa aus Sonnenschutzmitteln in Badegewässer gelangen können, zeigen, dass diese rasch aggregieren und folglich im Sediment nachweisbar sind.

Die Berücksichtigung öffentlicher Risikowahrnehmung in Technologiekontroversen spielt spätestens seit der Diskussion um die Gentechnologie in Europa eine große Rolle. Die Risikowahrnehmung der Bevölkerung ist nicht mit Einschätzungen von ExpertInnen vergleichbar, weil sie aus einer möglichen unmittelbaren Betroffenheit der BürgerInnen resultiert und daher anderen Dynamiken folgt. Dieses Dossier erläutert einerseits Faktoren, welche die öffentliche Risikowahrnehmung beeinflussen und legt deren Relevanz für die Regulierungspolitik dar. Andererseits stellt es mehrere europäische Studien zur Bekanntheit und Risikowahrnehmung der Nanotechnologie vor. Die Ergebnisse der Studien ähneln sich: BürgerInnen wissen vergleichsweise wenig über Nanotechnologie, zugleich birgt diese aus Sicht der Befragten verhältnismäßig wenig Gefährdungspotential. Dafür gibt es mehrere Erklärungsmöglichkeiten: Neben einer generellen Technikfreundlichkeit, positiver Medienberichterstattung und der Breite der Technologie, die eine Skandalisierung schwierig macht, könnten auch ein grundsätzliches Vertrauen in mit Risiken betraute Institutionen und eine akkurate, pro-aktive Regulierungspolitik hier eine Rolle spielen.