Die Heteroaggregation ist ein entscheidender Prozess beim Verbleib von natürlichen und anthropogenen Nanopartikeln (NP) in Oberflächengewässern: Die Heteroaggregation zwischen NP und schwebenden natürlichen organischen oder mineralischen Stoffen kann den Transport und die Bioverfügbarkeit von NP erheblich beeinflussen. Um eine realistische Schätzung des Bindungskoeffizienten auf natürlichen Oberflächen zu erhalten, werden empirische Daten in der Regel durch Laborexperimente unter stark kontrollierten Bedingungen gewonnen, bei denen die Komplexität und Dynamik des Umweltmediums verloren geht. In solchen Versuchen sind die verwendeten Konzentrationen im Allgemeinen um mehrere Größenordnungen höher als die für natürliche Gewässer vorhergesagten, da die Nachweismethoden begrenzt sind. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Anwendung einer Methode zur gleichzeitigen Quantifizierung und Charakterisierung von Heteroaggregaten unter natürlichen Bedingungen und bei realistischen Konzentrationen. Unser Konzept basiert auf der Dialysebeutel-Methode, die es erlaubt, in situ ein binäres Aggregationssystem in natürlichen Gewässern zu exponieren. Diese Methode wurde schon erfolgreich eingesetzt, um die Oberflächenbeschichtung zu charakterisieren, die sich unter natürlichen Bedingungen auf den NPs bildet. Ihre Anwendbarkeit auf ein System, das zwei Arten von Partikeln enthält, wird in diesem Projekt getestet. Eine ICP-TOF-MS basierte Einzelpartikelzähltechnik wird dabei eingesetzt, um i) Partikel in realistischen Konzentrationen (ng/L) zu detektieren und zählen und ii) die elementare Zusammensetzung jeder NP zu bestimmen. Auf diese Weise können wir die Menge der unter natürlichen Bedingungen gebildeten Heteroaggregate quantifizieren und einen spezifischen Bindungskoeffizienten für jedes Heteroaggregat von Interesse (z.B. natürliche Partikel, FeOx, Tonminerialen und TiO2) berechnen. Auf diese Weise werden wir neue Informationen über den Verbleib von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern, die zum Verständnis der geochemischen Kreisläufe und des Verbleibs neu auftretender Schadstoffe beitragen werden.
Bestehende standardisierte Testmethoden zur Erfassung von Umweltwirkung & -verhalten sind für lösliche/nichtpartikuläre Stoffe entwickelt worden. Für die geeignete Risikobewertung & Regulierung von Nanomaterialien (NM) ist eine Anpassung dieser Methoden notwendig. Neben Dispersionsstabilität & Löslichkeits(-rate) ist die (abiotische) Transformation von NM in der Umwelt ein wesentlicher Endpunkt, der das Schicksal von NM in der Umwelt beeinflusst. Für die Umweltbewertung von NM spielt die Transformation eine wichtigere Rolle als die klassischen Endpunkte des biotischen Abbaus. Derzeit gibt es keine harmonisierte Methode, um die Transformation von NM in der Umwelt zu beschreiben. Mit diesem Vorhaben soll das bestehende Wissen zu Methoden, Techniken und Protokollen zur Untersuchung der (abiotischen) Transformation in ein Standardtestverfahren überführt werden. Im ersten Schritt werden dazu experimentelle Arbeiten vorgenommen, um das methodischen Vorgehen zu entwickeln & die erforderlichen analytischen Untersuchungen zu etablieren. Das so entwickelte Prüfverfahren wird an einer Auswahl von NM erprobt & ein erster Entwurf der Prüfrichtlinie wird daraus erstellt. Dieser wird im Rahmen eines internationalen Ringtests validiert & dem OECD Prüfrichtlinienprogramm zur Kommentierung vorgelegt & entsprechend der erhaltenen Kommentare überarbeitet. Zusätzlich sollen im Rahmen des Vorhabens die notwendigen Validierungen für eine Prüfvorschrift zur Bestimmung der Heteroagglomeration von Nanomaterialien unter Berücksichtigung der relevanten Umweltparameter erfolgen. Grundlage hierzu soll die OECD TG 318 sein, die auf Grundlage der Untersuchung der Homoagglomeration die Dispersionsstabilität von Nanomaterialien unter relevanten Umweltparametern bestimmt.
Alle Arbeiten im Vorhaben sollen bestehende OECD Prüfrichtlinien zum Umweltverhalten von Nanomaterialien berücksichtigen und soweit fachlich sinnvoll harmonisiert zu sich noch in Entwicklung befindlichen OECD Prüfrichtlinien- und Leitfadenentwicklungen zu verwandten nanospezifischen Endpunkten vorgenommen werden.
Aggregation und der Aufbau von Aggregaten sind einzigartige Merkmale von Böden. Aggregierung führt zu einer nicht-zufälligen räumlichen Anordnung der festen Phase bereits im Submikronbereich. Mikroaggregate gelten als die fundamentalen Bausteine der Aggregatstruktur in fast allen Böden, einschließlich derer mit einer Aggregathierarchie. Sie sind Verbundstrukturen kleiner <0,25 mm und umfassen auch die kolloidalen und nanopartikulären Mischphasen sowie organo-mineralische Komposite. Hervorzuheben ist dabei, dass Mikroaggregate, insbesondere solche kleiner als < 20 Mikrometer, auch als Komponenten der mobilen Phase vorliegen. So können sie mit dem Sickerwasser verlagert werden und Oberflächen- und Porenraumeigenschaften verändern. Mikroaggregatbildung durch Oberflächenalterierung in Folge von Interaktionen mit Komponenten der Flüssigphase stellt wahrscheinlich einen entscheidenden, bisher im Wesentlichen noch unerforschten Weg im Boden-Ausgangsgestein-Kontinuum während der initialen Pedogenese dar. In Böden fortgeschrittener Entwicklung entstehen Mikroaggregate aus Tonmineralen, schlecht kristallinen, aber hochreaktiven pedogenen Mineralphasen und organischer Substanz aus im Zuge eines Nukleationsprozess aus der chemisch heterogenen Bodensuspension. Beide Bildungswege laufen im Kontinuum Boden-Ausganggestein ab, können aber insbesondere in der Übergangszone von Boden zu Ausgangsgestein in einem frühen Stadium der Bodenbildung untersucht werden, bei der die Bildung von sekundären Mineralphasen noch in einem frühen Stadium steht. Die Stabilität von Mikroaggregaten sowie ihre Wechselwirkungen werden durch Befeuchtung-Austrocknung- und damit Hydratation-Dehydratation-Zyklen wesentlich beeinflusst. Diese von der Bodenfeuchte-Dynamik abhängigen Prozesse finden in Böden der gemäßigten Zonen regelmäßig bis in den Untergrund statt. Das bedeutet, dass sowohl hydraulischer als auch osmotischer Stress sowie deren Historie Interaktionen und Translokation von Mikroaggregaten maßgeblich beeinflussen können. Mit diesem Projekt wollen wir fundamentale Wissenslücken beim Verständnis der Bildung und Stabilität von Mikroaggregaten und deren Verknüpfung zu den Funktionen im Boden-Ausgangsgesteins-Kontinuum schließen. Das Forschungsprogramm hierzu umfasst Studien in-situ (Profilanalyse entlang einer Löß-Pedosequenz), in-vitro (dynamische Transportexperimente mit ungestörten Bodenkernen) und in-silico (numerische Simulation von Heteroaggregation). Dabei fokussieren wir auf zwei bislang vernachlässigte Bildungswege, die "geochemische Vererbung" und die "Heteroaggregation aus Suspension“. Mit diesem Teilprojekt zielen wir durch die Untersuchung der resultierenden Phänomene auf ein verbessertes Verständnis des Zusammenspiels und der Abhängigkeiten der Bildungswege für Mikroaggregate in Raum und Zeit und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung des quantitativen theoretischen Rahmens zum Verständnis der Bildung, Eigenschaften und Funktionen von Mikroaggregaten in Böden.
Dieser Bericht präsentiert den Hintergrund, Ablauf und die Inhalte zur Entwicklung eines OECD Leitfadens für die Untersuchung von Löslichkeit und Dispersionsstabilität von Nanomaterialien in der Umwelt und die Nutzung der dadurch gewonnenen Daten für weitere Umweltuntersuchungen und Umweltbewertungsstrategien. Die Löslichkeit(srate) und Dispersionsstabilität werden als die wichtigsten Treiber des Umweltverhaltens und â€Ìschicksals von Nanomaterialien in der Umwelt angesehen. Zur Bestimmung der Dispersionsstabilität von Nanomaterialien in der Umwelt liegt bereits die OECD Prüfrichtlinie (TG) 318 vor. Eine OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Löslichkeit(srate) von Nanomaterialien in der Umwelt befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Da noch keine solche OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Löslichkeit(-rate) für Nanomaterialien zur Verfügung steht, wurden in den Leitfaden solche Methoden aus Wissenschaft und vorliegenden OECD TG/GDs aufgenommen, die für Nanomaterialien als sinnvoll erachtet werden. Zur Unterstützung der Anwendung der OECD TG 318 sind zusätzliche Informationen zur Präsentation und Interpretation von Daten zur Dispersionsstabilität in den Leitfaden eingebracht worden. Darüber hinaus werden im Leitfaden vorläufige Anleitungen gegeben, wie Heteroagglomeration von Nanomaterialien in der Umwelt bestimmt werden kann. Der vorliegende Bericht stellt neben den Inhalten des Leitfadens und den Ablauf seiner Entwicklung auch seine Bedeutung für die Umweltbewertung von Nanomaterialien dar und gibt einen Ausblick, welche regulatorischen Tragweite dieser in der Zukunft haben kann. Der finale Leitfaden wurde im April 2020 von der OECD Arbeitsgruppe der Nationalen Koordinatoren des OECD Prüfrichtlinienprogramms (WNT) verabschiedet und ist nach Veröffentlichung auf den Internetseiten des OECD Prüfrichtlinienprogramms zu finden. Quelle: Forschungsbericht