Protokolle zu Expositionssystemen für Tests

Barbara Schick,

Ökotoxizität von Mikro- und Nanoplastik bewerten

Forschende mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) haben Protokolle entwickelt, die den besonderen Eigenschaften von Mikro- und Nanokunststoffpartikeln Rechnung tragen und mit denen sich die Toxizität dieser Substanzen für Boden- und Gewässerökosysteme bewerten ließe.

Für Mikro- und Nanoplastik (MNP) gibt es noch keine harmonisierten Richtlinien für die zuverlässige Prüfung ihrer Ökotoxizität. Für die meisten Schadstoffe gibt es Standardprotokolle, um bewerten zu können, welche Risiken sie für natürliche Ökosysteme bergen: Studien zur Bestimmung der Ökotoxizität werden in der Regel nach festgelegten Protokollen in Expositions­experimenten durchgeführt, in denen die Organismen verschiedenen Substanzen unter möglichst realitätsnahen Umweltbedingungen ausgesetzt werden. Doch für Mikro- und Nanoplastik seien Bewertungsmethoden noch unzureichend.

Bisherige Ökotoxizitätsstudien zu Mikro- und Nanoplas­tik (MNP) verwenden handelsübliche kugelförmige Partikel als Modelle für MNP, doch in der Natur kommen Kunststoffpartikel in unterschiedlichsten Formen, Größen und chemischen Zusammensetzungen vor. „Jede dieser Eigenschaften kann ihr dynamisches Verhalten und ihre Toxikologie beeinflussen und sollte bei der Durchführung ökotoxikologischer Experimente zur Bewertung potentieller Risiken berücksichtigt werden“, sagt Dr. Fazel A. Monikh, Erstautor der Studie und derzeit Wissenschaftler des IGB am Standort in Neuglobsow.

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Außerdem werden zur Bewertung der Ökotoxizität von MNP derzeit Protokolle verwendet, die für Chemikalien entwickelt wurden, die sich auflösen oder stabile Mischungen bilden. Kunststoffpartikel hingegen lösen sich nicht auf und zeigen auch keine regelmäßige Durchmischung in der Flüssigkeit, in der sie schwimmen. Die Forschenden beschreiben in der Fachzeitschrift Nature Protocols Expositionsprotokolle für Boden- und Gewässerökosysteme, welche die partikelspezifischen Eigenschaften von MNP und das dynamische Verhalten dieser Partikel in Expositionssystemen berücksichtigen. Darüber hinaus wird eine Methode vorgestellt, mit der „realistische“ Mikro- und Nanopartikel für Experimente künstlich hergestellt werden können. Das Protokoll wurde für Toxizitätstests von MNP unter kontrollierten Bedingungen im Labor, Meso- oder Makrokosmen entwickelt und ist nicht für das Monitoring unter Feldbedingungen geeignet.

„Das neue Protokoll ist eine wichtige Grundlage für Forschende in der Ökotoxikologie, um die Dosis-Wirkungs-Beziehungen nach der Exposition von Organismen gegenüber MNPs zu verstehen; aber auch für die Industrie, um sicherere Kunststoffe zu entwickeln und Toxizitätstests an Kunststoffen durchzuführen und um regulatorische Anforderungen zu erfüllen“, nennt Fazel A. Monikh die Anwendungszwecke.

Diese mikroskopische Aufnahme zeigt eine Algenzelle, die versucht, Nanoplastik loszuwerden, was ihr aber nicht gelingt, weil die Partikel stark anhaften. © Bild: Fazel A. Monikh

Unterschiede zwischen Mikroplastik und Nanoplastik
Die Protokolle berücksichtigen auch die Unterschiede zwischen Mikro- und Nanoplastik. Nanokunststoffpartikel sind in Größe und Form mit großen Proteinen vergleichbar. Daher verhalten sie sich anders als die größeren Mikrokunststoffpartikel und sind möglicherweise in der Lage, in Zellen einzudringen. Außerdem befindet sich ein größerer Anteil der Moleküle in Nanoplastik auf der Oberfläche der Partikel, was die Wechselwirkungen mit Zellbestandteilen erhöhen kann. „Es ist daher wichtig, die Unterschiede zwischen Mikroplastik und Nanoplastik zu berücksichtigen, wenn Toxizitätstests mit diesen Partikeln durchgeführt werden“, sagt Mitautor der Studie Prof. Dr. Hans Peter Grossart vom IGB.

In der Publikation beschreiben die Autoren und Autorinnen ein Top-down-Herstellungsverfahren von Mikro- und Nanokunststoffpartikeln, die für MNP in der Natur repräsentativ sind, und die Partikelcharakterisierung (z. B. mittels thermischer Extraktion, Desorption, Gaschromatographie und Massenspektrometrie). Weitere Themen sind die Entwicklung von Expositionssystemen für Toxizitätstests für Boden- und Wasserorganismen und Möglichkeiten, wie bestehende Ökotoxizitätsrichtlinien für Chemikalien geändert werden können, um MNP in ausgewählten Expositionssystemen zu testen.

Publikation:
Abdolahpur Monikh, F., Baun, A., Hartmann, N.B. et al.: Exposure protocol for ecotoxicity testing of microplastics and nanoplastics. Nat Protoc (2023). https://doi.org/10.1038/s41596-023-00886-9

Quelle: Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

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