Interview

Umweltrichtlinien zur Bewertung von Nanomaterialien

Seit dem Frühjahr 2019 ist ein OECD-Richtliniendokument für die Umweltbewertung von Nanomaterialien in der Entstehung. Federführend beteiligt sind die Umweltgeowissenschaftler Thilo Hofmann und Frank von der Kammer mit ihrem Team an der Universität Wien. LABO hat nachgefragt: zur Notwendigkeit dieser Richtlinie, zum Prozedere und zum aktuellen Status.

Wie lange bleibt ein technisches Nanopartikel in seinem Ursprungszustand? Und wann (wenn überhaupt) hat es sich in ein Partikel mit neuer Zusammensetzung umgewandelt? Bei der Ausarbeitung des neuen OECD Richtliniendokuments geht es auch um solche Umsatzraten. Im Bild: Cobalt-Nanopartikel, umhüllt von Aluminium. © Shutterstock / Georgy Shafeev

LABO: Herr Dr. von der Kammer, warum braucht es nano-spezifische Testrichtlinien und Leitfäden auf OECD-Ebene?

Von der Kammer: Nanomaterialien können sich anders verhalten als die Chemikalien, aus denen sie „gebaut“ wurden. Ihr partikulärer Charakter führt zu verändertem Verhalten in der Umwelt, anderer Aufnahme in Organismen und auch einem anderen toxikologischen Profil. Daher müssen einige Testmethoden zur Sicherheitsbewertung angepasst und einige neu entwickelt werden. Die für Nanomaterialien spezifischen Anhänge der REACH-Verordnung fordern z. B. bestimmte nano-spezifische Testungen. Testrichtlinien der OECD sind international anerkannt und geben damit sowohl den Produzenten als auch den Behörden und dem Verbraucher die geforderte Sicherheit bei der Einführung von Nanomaterialien in Produkten.

LABO: Was ist der aktuelle Status bei der Ausarbeitung des neuen OECD Richtliniendokuments?

Von der Kammer: Es geht in dem Projekt darum ein möglichst einfaches, kondensiertes Verfahren zu entwickeln, das die abiotische Umwandlung in der aquatischen Umwelt von einer möglichst breiten Palette an Nanomaterialien quantitativ erfassen kann. Das heißt: Umwandlungsraten – wie lange bleibt ein technisches Nanopartikel in seinem Ursprungszustand und wann (wenn überhaupt) hat es sich in ein Partikel mit neuer Zusammensetzung umgewandelt?

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Ein recht einfaches Beispiel ist hier die Umwandlung von Silber-Nanopartikeln in Silber-Sulfid-Nanopartikel. Dies geschieht bereits bei Anwesenheit von Spuren an Sulfid, z. B. in Kläranlagen, und ist wegen der chalkophilen Eigenschaften von Silber und der großen spezifischen (Reaktions-) Oberfläche auch keine Überraschung. Aber auch mit anderen Wasserinhaltsstoffen wie Phosphat, Sulfat, Eisen, Mangan, die z. T. nur in Spuren vorkommen, können technische Nanopartikel neue, schwer lösliche Partikel bilden. Diese neuen Partikel können grundlegend andere toxikologische Eigenschaften haben und werden in der Umwelt auch anders transportiert und verteilt. Darum ist dieser Leitfaden, der u. U. auch in eine Testrichtlinie weiter entwickelt werden wird, auch so relevant.

Derzeit versuchen wir die extrem umfangreichen, möglichen Umwandlungsreaktionen (hunderte unterschiedlicher Materialien, eine Vielzahl an reaktiven Wasserinhaltsstoffen, unterschiedlichste Umweltbedingungen) auf die hauptsächlich zu erwartenden und am wahrscheinlichsten auftretenden zu kondensieren und generelle Umwandlungspfade für bestimmte Stoffgruppen, aus denen Nanomaterialien bestehen können, zu definieren. Dazu sammeln wir die aktuelle Literatur zu relevanten Prozessen, analysieren die Konzentrationsbereiche bestimmter Wasserinhaltsstoffe in Gewässern und testen ausgewählte Nanomaterialien im Labor.

Parallel verbessern wir experimentelle Ansätze zur Untersuchung von Umwandlungsprozessen und versuchen diese soweit möglich mit parallelen Entwicklungen in unserem Department zu harmonisieren. In zwei EU-Projekten untersuchen wir derzeit die Auflösungsdynamik von Nanomaterialien und sind zuversichtlich, einen sehr ähnlichen Aufbau auch für die Umwandlung verwenden zu können. Am Ende muss man an den umgewandelten (oder inerten) Nanomaterialien eine Feststoff-Speziesanalytik betreiben, die die neu gebildeten Phasen erfassen kann. Hierzu werden bisher sehr aufwändige Verfahren eingesetzt, von hochauflösender Transmissions-Elektronenmikroskopie bis zu Röntgentechniken an Elektronen-Speicherringen (Synchrotrons). Das kann man nur begrenzt für eine Testrichtlinie vorschlagen, da die Verfügbarkeit begrenzt ist. Es geht also darum einfachere, aber nicht schlechtere, Methoden zu entwerfen, die diese Aufgabe übernehmen können.

LABO: Bis Ende 2021 soll Ihr finaler Entwurf zur Abstimmung vorgelegt werden. Warum dauert das so lang? Welche Schritte sind notwendig?

Von der Kammer: Wie lange es dauert, um von der Feststellung der Notwendigkeit einer neuen Testrichtlinie oder eines Leitfadens zu einem verabschiedeten, offiziellen OECD-Standard zu gelangen, hängt von vielen Faktoren ab. Einer der entscheidenden ist sicher die Frage der Finanzierung der Arbeiten. Wenn sich ein oder mehrere OECD-Mitgliedsländer dafür entscheiden, eine Entwicklung adäquat zu fördern, und damit auch entsprechende Fachleute beschäftigen, dann beschleunigt das den Prozess schon 'mal grundlegend. Dann ist der Stand der Wissenschaft entscheidend. Müssen grundlegende Erkenntnisse erst noch gewonnen werden oder Verfahren überhaupt erstmal entwickelt werden, dann kann das ein paar Jahre zusätzlich in Anspruch nehmen.

Zunächst muss man das Verständnis für den Prozess und den dahinter liegenden Mechanismen haben, dann kann man daraus ein für eine standardisierte Testung in den Ländern der OECD geeignetes Verfahren entwickeln. Dies muss aussagekräftig bleiben, aber auch überall anwendbar sein – und wenn es kostengünstig wird, ist das kein Nachteil.

Es geht also auch um Harmonisierung mit anderen ähnlichen Tests, eine Vereinfachung, ohne irrelevant zu werden – und am Ende muss das Verfahren durch Ringversuche seine Reproduzierbarkeit beweisen. Darin unterscheiden sich OECD-Methoden von Methoden, die z. B. in ISO-Standards münden. Dann muss der Entwurf der Richtlinie oder des Leitfadens von den Experten der OECD-Mitgliedsländer und Interessengruppen geprüft und seine Verwendbarkeit bewertet werden. Die Entwürfe werden dann solange überarbeitet und angepasst, bis ein Konsens erreicht ist. Dies ist so entscheidend, weil unter der "Mutual Acceptance of Data" (MAD) jedes Mitgliedsland die Ergebnisse eines Tests akzeptiert, unabhängig davon, in welchem Land der Test durchgeführt wurde. Je nach Tragweite des Tests kann die Abstimmung einige Zeit in Anspruch nehmen.

LABO: Was zeichnet Ihre Arbeitsgruppe aus, dass Sie mit dieser Aufgabe betraut wurden?

Hofmann: Das Department für Umweltgeowissenschaften (EDGE) hat bereits von 2013 bis 2017 die erste, speziell für Nanomaterialien ausgelegte OECD-Testrichtlinie entworfen und in allen Details entwickelt. Wir wurden dabei finanziell und inhaltlich unterstützt durch das deutsche Umweltbundesamt und ein internationales Expertengremium. Diese Testrichtlinie TG 318 spielt inzwischen eine zentrale Rolle bei der Sicherheitsbewertung von Nanomaterialien.

Unser Department an der Universität Wien hat jahrzehntelange Erfahrungen mit Nanopartikeln in der Umwelt und so auch international ein großes Ansehen erworben, was unsere Forschung zu diesem Thema betrifft. Aber gerade die Einbindung von Experten aus der OECD und die Begleitung durch Fachleute, die sich mit den Abläufen in der OECD auskennen, hat damals den Prozess der Umsetzung von grundlegender Wissenschaft in eine praxisorientierte Richtlinie sehr beschleunigt. Das Department für Umweltgeowissenschaften sieht eine seiner Aufgaben darin, die manchmal abstrakt wirkenden Ergebnisse unserer Grundlagenforschung in gesellschaftlich Verwertbares umzusetzen.

Mit den in der Implementierung der TG 318 auf OECD-Ebene erworbenen Erfahrungen und unserer Vernetzung im Europäischen Forschungsraum waren wir gut gerüstet, um die weitaus komplexeren Anforderungen des neuen OECD-Leitfadens zur Umwandlung von Nanomaterialien in der aquatischen Umwelt anzugehen. Das war sicher ein Grund, weshalb sich das österreichische Umweltbundesamt und die mit der Thematik betrauten Ministerien in Österreich dafür entschieden haben uns mit dieser Aufgabe zu betrauen.

Die Fragen stellte Dr. Stephanie Konle,
Chefredakteurin LABO

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