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Gesundheitsrisiken Diese Gesundheitsrisiken stecken in Nanomaterialien

Autor / Redakteur: Dr. Christoph Steinbach * / Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back

An vielen Stellen ist Nano inzwischen etabliert, vielfach werden Nanomaterialien aber kaum als solche wahrgenommen – etwa in der Elektronik, wo die Prozessoren inzwischen Nanometer große Strukturen aufweisen. In anderen Anwendungen werden Nanomaterialien dagegen eher kritisch beäugt.

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Allgegenwärtig: Selbst in sauberer Luft ist der Mensch 10.000 Nanoobjekten pro cm³ ausgesetzt.
Allgegenwärtig: Selbst in sauberer Luft ist der Mensch 10.000 Nanoobjekten pro cm³ ausgesetzt.
(Bild: © psdesign1 - Fotolia)

Nano ist klein, die kleinste Größenordnung oberhalb der Atome; schon große Moleküle können Nanometer groß sein. Unsere DNS, der Träger unserer Erbinformation, hat beispielweise einen Durchmesser von ca. 2 nm. Ein Menschenhaar ist schon viel größer mit ca. 50.000 Nanometern oder 50 Mikrometern Durchmesser.

Nanomaterialien können, das zeigt schon das Beispiel der DNS, natürlichen Ursprungs sein, aber auch der Mensch hat in den vergangenen Jahrzehnten immer besser gelernt, Nanomaterialien zu erzeugen bzw. mit diesen umzugehen. Eine Schlüsselerfindung für das Verständnis der Nanomaterialien war die Erfindung des Elektronenmikroskops, mit dem man Nanometer große Strukturen direkt beobachten und untersuchen konnte.

Nanoobjekte sind zahlreich und überall

Der Mensch ist ständig von Nanoobjekten umgeben, sogar saubere Luft enthält pro Kubikzentimeter (!) 10.000 Nanoobjekte natürlichen Ursprungs, z.B. Rußpartikel aus Waldbränden, „Sand“partikel aus einem Sahara-Sandsturm oder Sternenstaub, also das, was bei der Bildung unseres Planeten noch nicht auf die Oberfläche gefallen war. Alle Lebewesen müssen mit diesen Belastungen seit jeher umgehen. Mit der vermehrten Herstellung und Anwendung von künstlichen Nanomaterialien wuchsen die Bedenken, ob mit dieser neuen Materialklasse auch neue Gefahren drohen.

Deshalb wurden in den vergangenen zwanzig Jahren vermehrt Forschungsprojekte gestartet, in denen die Sicherheit von Nanomaterialien untersucht wurden bzw. werden. In Deutschland hat vor allem das BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) dazu umfangreiche Förderprogramme aufgelegt. Auch international gibt es eine Vielzahl von Forschungsergebnissen, welche die Toxizität (Giftigkeit) von Nanomaterialien beleuchten.

Diese Forschungsergebnisse zur Toxizität von menschgemachten Nanomaterialien, die den Weg in Anwendungen gefunden haben, werden auf der Website www.nanopartikel.info dargestellt, die der Autor mit den Projektpartnern im BMBF-geförderten Projekt „DaNa2.0 – Daten und Fakten zu Nanomaterialien“ betreibt. Dort wird an Hand von bekannten Anwendungen gezeigt, welche Materialeigenschaften Nanoobjekte besitzen sowie ihre Herstellung und Verarbeitung beschrieben. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, wie Menschen und Umwelt mit Nanoobjekten in Kontakt kommen und welche toxikologischen Eigenschaften diese zeigen. Dabei sind nur qualitätsgeprüfte Literaturstellen enthalten.

Auf der Website werden zurzeit 25 Nanomaterialien von Aluminiumoxiden bis Zirkondioxid und ihre Anwendungen in Produkten beschrieben. Hier dreht es sich dann um Sonnencreme und Wandfarbe oder um Textilien wie die „Anti-Müffel-Socken“ oder medizinische Wundverbände. Die einzelnen Artikel beginnen auf einfacherem Niveau, werden immer wissenschaftlicher und für Fachleute ist am Ende des Artikels dann der Verweis auf die Originalliteratur angegeben. Sollten bei der Leserin oder dem Leser Fragen offen bleiben, gibt es die Möglichkeit, die Fachleute direkt zu kontaktieren.

Zwei Faktoren bestimmen die Höhe des Risikos

Angaben zu einem möglichen Risiko für die Verbraucher basieren immer auf zwei Faktoren, der Exposition und der Gefährdung. Die Exposition beschreibt, ob und wie intensiv wir einem Stoff ausgesetzt sind. Am Beispiel des Alkohols lässt sich das gut zeigen: trinkt jemand gar keinen Alkohol, ist er dem nicht ausgesetzt (keine Exposition) und muss auch nicht befürchten, einen Rausch zu bekommen.

Alkohol (Ethanol) hat aber sehr wohl ein Gefährdungspotential: trinkt man zu viel, kann man zunächst betrunken werden, bei sehr hohem Alkoholkonsum kann man sich sogar so vergiften, dass man daran stirbt. Alkohol ist also in genügend hoher Konzentration tödlich giftig. Nimmt man versehentlich statt des „Trinkalkohols“ Ethanol das wesentlich giftigere Methanol, reicht schon eine wesentlich geringere Exposition für eine lebensbedrohliche Gefährdung. Die Giftigkeit ist eine Stoffeigenschaft.

Aus Exposition und Gefährdung kann man das Risiko ableiten, das zur Beurteilung von potentiell gefährlichen Substanzen angegeben wird. Ist die Exposition Null, ist auch das Risiko Null. Gleiches gilt für das Risiko, wenn der Faktor Gefährdung Null wird.

In vielen Fällen ist die Frage nach einem akuten Risiko also leicht beantwortet: wenn ein Nanomaterial fest in eine Trägersubstanz eingebunden ist, gibt es keine Exposition, Menschen sind der Substanz nicht ausgesetzt, und damit gibt es auch kein akutes Risiko: Der mit Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs – Carbon Nanotubes) verstärkte Tennis- oder Eishockeyschläger enthält zwar nanoskalige CNTs und bestimmte Arten von freien CNTs können Entzündungen auslösen. Die CNTs sind aber im Tennisschläger nicht frei, sondern fest mit Kunstharz oder ähnlichen Klebern verbunden, ein Austreten der CNTs ist nicht plausibel - die Exposition und damit das Risiko ist Null.

Nano schützt vor Hautkrebs

In einigen Forschungsarbeiten werden CNTs auch als Komponenten in künftigen Computer-Prozessoren untersucht. Sollten sie eines Tages in Anwenderprodukten eingesetzt werden, so werden die CNTs ebenso wie beim Tennisschläger tief im Material verkapselt sein, auch hier erscheint eine Freisetzung beim Anwender nicht plausibel. Dieses Beispiel ist auf sehr viele andere Anwendungen von Nanomaterialien übertragbar.

Recht eindeutig ist auch die Aussage der Toxikologen zu nano-Titandioxid in Sonnencreme. Das nano-Titandioxid wird eingesetzt, um den UV-Anteil des Sonnenlichts zu mindern. Das Titandioxid in Sonnencreme stellt eines der wenigen Beispiele dar, in denen wir direkt mit Nanopartikeln in Kontakt kommen, schließlich tragen wir die Sonnencreme direkt auf die Haut auf.

Da die gesunde Haut Nanopartikel aber sehr gut aus dem Körper ausschließt und das mineralische Titandioxid ein außerordentlich effektiver Sonnenschutz ist, lautet das Fazit eindeutig: lieber mit Nano. Lässt man den hohen Sonnenschutz durch Nano weg, ist eine erhöhte Hautkrebsrate die Folge. Alternative chemische Lichtschutzfaktoren weisen wiederum andere „Nebenwirkungen“ auf. Der Verbraucher hat aber seit 2013 die Wahl: Nanomaterialien müssen auf der Verpackung von Kosmetika ausgewiesen werden (Im Fall von Titandioxid steht dort üblicherweise „Titanium dioxide (nano)“).

Im Bereich der Displaytechnik werden in den letzten Jahren Panels mit Quantenpunkt- bzw. Nanopartikel-Technologie beschrieben. Die Nanopartikel werden eingesetzt, um sehr reines rotes, grünes oder blaues Licht als Grundfarben im Display zu emittieren und so eine farbstarke Abbildungstechnik zu ermöglichen. Die Hersteller arbeiten aber nach eigener Aussage an Alternativen zu den in der ersten Generation eingesetzten Cadmium haltigen Nanopartikeln, denn Cadmium ist ein giftiges Schwermetall, das zwar nicht beim Anwender, aber auf der Mülldeponie giftige Cadmium-Ionen freisetzen könnte.

Auch im Auto ist jede Menge Nano zu finden: Vom Autoreifen, der mit nano-Ruß und nano-Siliziumdioxid einen besseren Grip bekommen soll, bis hin zum Autoabgas, das ebenfalls nano-Ruß, bei Dieselfahrzeugen aber vermutlich auch nano-Cerdioxid enthält. Im Gegensatz zu Kosmetika werden Nanomaterialien im Auto aber wenig thematisiert – vielleicht liegen bei „des Deutschen liebsten Kind“ die Prioritäten anders?

Risikomanagement muss Vor- und Nachteile abwägen

Nicht immer sind die Schlussfolgerungen so eindeutig. So etwa wird nano-Eisen als Reagenz verwendet, um z.B. durch chlorierte Lösungsmittel (CKW) verunreinigtes Wasser zu reinigen. Im Feldversuch konnte gezeigt werden, dass die CKW in verunreinigtem Grundwasser in ungefährliche Substanzen zerlegt werden konnten, wenn man mit Hilfe von Bohrungen das nano-Eisen in das Grundwasser einbrachte. Das Eisen lockt als positiven Nebeneffekt Bakterien an, welche beim Abbau der CKW mithelfen ("Düngungseffekt"). Diesen positiven Effekten stehen aber Nebenwirkungen gegenüber: Kommen Kleinorganismen mit dem nano-Eisen in Kontakt, kann es für sie negative Folgen haben. Eine Studie hat beispielsweise gezeigt, dass Zebrafischembryonen verzögert schlüpfen, wenn sich nano-Eisen auf ihre Eihülle aufgelagert hat. Zebrafischembryonen kommen allerdings nicht im Grundwasser vor.

Die verschiedenen Aspekte müssen sorgfältig abgewogen und ein Risikomanagement installiert werden. Im Fall des nano-Eisens ist das relativ einfach: da es mit Verunreinigungen im Grundwasser reagiert, dabei wesentlich giftigere Schadstoffe aus dem Grundwasser entfernt und sich auch überschüssiges nano-Eisen mit der Zeit abbaut, besteht ein sehr geringes Risiko für andere Organismen – die Vorteile überwiegen.

Viele weitere Beispiele findet man in der DaNa-Wissenbasis. Die dort vorgenommene Zuordnung von Anwendungen und Eigenschaften ist weltweit einzigartig: Auch in anderen Datenbanken werden Eigenschaften der Nanomaterialien beschrieben, dabei aber nicht unterschieden, in welcher Anwendung die jeweiligen Eigenschaften wichtig sind. So ist es etwa prinzipiell möglich, dass bestimmte Materialien, wenn sie als nano-Pulver vorliegen, im menschlichen Körper Entzündungen hervorrufen. Tatsächlich kommt aber der Verbraucher mit diesen pulvrigen Nanomaterialien nicht in Kontakt. In der DaNa-Datenbank werden daher die Eigenschaften der Nanomaterialien im Kontext gesehen: von einem Nanomaterial geht nur dann ein Risiko aus, wenn es sowohl toxisch ist und als auch die Möglichkeit zum direkten Kontakt besteht.

Langzeitschäden von Nanomaterialien teilweise unklar

Damit werden Nanomaterialien aber nicht automatisch für ungefährlich erklärt. Es gibt immer noch eine Menge Fragen zu klären, unter anderem auch im Bereich der Umwelt-Toxikologie. Untersuchungen zum Ende der Lebenszeit von Verbraucherprodukten, die Nanomaterialien enthalten - also wenn der Tennisschläger auf der Mülldeponie landet - müssen noch durchgeführt werden. Ebenso sind Langzeituntersuchungen zu den Auswirkungen von Nanomaterialien auf Mensch und Umwelt derzeit noch nicht abgeschlossen. Auch sie werden weitere wichtige Hinweise auf mögliche Gefährdungen bringen.

Das Projekt DaNa2.0 wird von BMBF unter dem Förderkennzeichen 03X0131 gefördert. Der Autor dankt Dr. Dana Kühnel vom Umweltforschungszentrum Leipzig für die fachliche Unterstützung.

* Dr. Christoph Steinbach, DECHEMA e.V. arbeitet für den Bereich Chemische Nanotechnologie

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