Nanotechnologie: Die unbekannten Teilchen
Auf den ersten Blick haben ein High-End-Display und eine Tube Sonnencreme nichts gemeinsam: Quantenpunkt-Displays (QLEDs) sollen eine breitere Farbpalette als LCD-Bildschirme und weniger Energieverbrauch erreichen, während die Sonnencreme vor UV-Strahlung schützen und trotzdem transparent sein soll. Beide Produkte verdanken aber ihre ungleichen Leistungen der gleichen Kategorie von Werkstoffen: den sogenannten Nanomaterialien. Nano bedeutet sehr, sehr klein, hier kleiner als rund hundert Nanometer (millionstel Millimeter), also in etwa die Größe von Viren. Insgesamt enthalten derzeit rund 1.600 Produkte Nanomaterialien(öffnet im neuen Fenster) , von schmutzabweisenden Textilien, kratzfesten Lacken, schnell härtendem Beton, antibakteriell beschichteten Küchengeräten über klumpenfreiem Instant-Suppenpulver bis zur Glasscheibe, die auf Knopfdruck die Farbe ändert.
Toxikologen dämpfen den Nanohype
Das Etikett "Nano" hatte allerdings schon mal einen besseren Ruf. Schon seit Jahren warnen Forscher , über die Gefahren der winzigen Partikel sei nicht viel bekannt. Anfang des Jahrtausends warben viele Firmen damit, um auf smarte Funktionen und Innovationskraft hinzuweisen. Doch dann stießen Toxikologen auf Bedenkliches: Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein besonders stabiles Nanomaterial, das Tennisschläger oder Surfbretter bruchfester machen soll, schädigte Lungen von Versuchstieren auf ähnliche Weise wie der krebserregende Asbest(öffnet im neuen Fenster) . Ein weiterer Befund: Titandioxid-Nanopartikel riefen in den Luftröhren von Ratten Entzündungen hervor, und zwar schon in deutlich kleineren Dosen als bei größeren Titandioxid-Partikeln(öffnet im neuen Fenster) .
Kürzlich fanden Forscher der Universität Koblenz noch einen toxikologischen Nanoeffekt(öffnet im neuen Fenster) . In ein Reagenzglas mit Wasserflöhen mischten sie Titandioxid-Nanopartikel. Die Partikel verklebten den Panzer der Tiere, so dass sie sich nicht mehr häuten und sich schlechter bewegen konnten. Die Nachfolgegeneration der Wasserkrebse reagierte empfindlicher auf die Nanopartikel als ihre Eltern. Da die Nanopartikel in Sonnencremes enthalten sind und beim Baden in Seen gelangen, ist das ein bedenkliches Resultat.
Solche Ergebnisse und die anschließende Berichterstattung der Medien dämpften den Nano-Hype. Seit Jahren wirbt kaum noch jemand damit. Dennoch geht die Entwicklung neuer Nanomaterialien weiter: Bis 2017 wird ein Weltmarktvolumen von mehr als 37 Milliarden US-Dollar erwartet.
Die Marktentwicklung ist schneller als die Risikoforschung
Immer neue Nanomaterialien brächten auch immer mehr unbekannte Nanorisiken mit sich, beklagen Verbraucher- und Umweltschützer. Die Risikoforschung sei langsamer als die Entwicklung und erhalte zu wenig Förderung, mahnen sie. Sie verlangen eine stärkere Regulierung der Nanotechnologie, zum Beispiel eine Kennzeichnungspflicht, ein europaweites Nanoproduktregister oder sogar ein Moratorium für Nanoprodukte. Vier europäische Staaten haben bereits ein Nanoregister eingeführt oder sind gerade dabei. In der EU gilt eine Kennzeichnungspflicht für Nanomaterialien in Kosmetika, Lebensmitteln und Bioziden.
Wie gefährlich ist Nano wirklich? An sich ist ein Nanometer natürlich genauso ungiftig wie ein Zentimeter, es handelt sich schließlich nur um eine Maßeinheit. Die Nanogröße ist ein Merkmal eines Nanomaterials unter vielen anderen wie Form, chemische Zusammensetzung, elektrische Ladung an der Oberfläche oder Löslichkeit. Man kann Nanomaterialien genauso wenig pauschal verurteilen wie synthetisch hergestellte Chemikalien. Von den rund 100.000 synthetischen Chemikalien gelten, je nach Quelle, zwischen rund 100 und 600 als besorgniserregend.
Dennoch: Technologisch interessant sind Nanomaterialien wegen ihrer geringen Größe und der dadurch veränderten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Die reinen Farben der QLEDs sind ohne die Nanogröße der Quantenpunkte undenkbar, denn diese bestimmt exakt die Wellenlänge des von ihnen ausgesendeten Lichtes. Sonnencreme wäre nicht gleichzeitig transparent und wirksam, wenn sie größere Titandioxid-Nanopartikel enthielte. Das als reaktionsträge geltende Gold verhält sich in Form von Nanopartikeln völlig anders und wird zum wirkungsvollen Katalysator.
Es ist plausibel anzunehmen, dass es neben technologisch erwünschten Größeneffekten auch unerwünschte gibt, die der Gesundheit oder der Umwelt schaden könnten. Dass die Sorge nicht aus der Luft gegriffen ist, zeigen die toxikologischen Befunde bei einzelnen Nanomaterialien.
Keine Smoking Guns
Die Betonung liegt allerdings auf "einzelnen". Eindeutig bedenkliche Nanomaterialien bildeten bislang die Ausnahme, sagen Frank von der Kammer(öffnet im neuen Fenster) von der Universität Wien und Harald Krug(öffnet im neuen Fenster) von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt im schweizerischen St. Gallen. Die beiden haben, finanziert vom Verband der Chemischen Industrie, die nanotoxikologische Fachliteratur ausgewertet - insgesamt mehrere Tausend Artikel. "Es zeigten sich keine Smoking Guns, das heißt keine Stoffe, die in Nanogröße hochtoxisch geworden wären" , sagt der Umweltchemiker von der Kammer. Er hat jene Studien untersucht, die sich mit der Umweltwirkung von Nanomaterialien befassten.
Es sei bislang mit Ausnahme der Kohlenstoff-Nanoröhrchen kein Nanomaterial gefunden worden, "das Bedenken macht, die auch nur in die Richtung von Giften wie Cadmium oder Asbest gehen" , bekräftigt Krug, der jene Studien auswertete, die sich den Gesundheitswirkungen widmeten. Die ansonsten gefundenen toxischen Effekte seien eher mild.
Als Entwarnung wollen die beiden diesen Befund aber nicht verstanden wissen. Denn mangelhafte Qualität eines Großteils der bisherigen Toxikologiestudien und noch offene Wissenslücken verböten bislang das Beziffern des Risikos, das von Nanomaterialien tatsächlich ausgehe.
Experten beklagen schlampige Risikoforschung
Krug und von der Kammer üben deutliche Kritik an ihren Kollegen. Die meisten bisher durchgeführten Studien seien "mehr vom Gleichen" , urteilt von der Kammer. So zeigten die Nanos trotz einiger besorgniserregender Befunde nichts Überraschendes. Silber-Nanopartikel geben zwar giftige Silberionen ab. Das tun aber auch größere Silberpartikel. Wenig überrascht zeigt sich von der Kammer auch davon, dass Cadmium enthaltende Quantenpunkte das giftige Element abgeben oder dass Titandioxid-Nanopartikel unter Sonneneinstrahlung die Bildung freier Radikale katalysieren, die wiederum entzündlich wirken. "Der Effekt ist seit langem bekannt und die Nanopartikel in Sonnencremes werden deshalb mit einer Schutzschicht versehen" , sagt von der Kammer.
Das Gros der Studien genüge nicht den Standards toxikologischer Forschung, kritisiert Krug. Sie verwendeten beispielsweise nur einzelne, meist sehr hohe Dosierungen, anstatt zu untersuchen, wie die Wirkung sich mit unterschiedlichen Dosen verändert. Da in der Natur oder im Körper meist wesentlich niedrigere Dosen zu erwarten seien, taugten die Studien nicht für eine präzise Risikoabschätzung. Eine solche sei aufgrund der Datenlage derzeit gar nicht möglich. Krug beklagt, dass in Deutschland in der Vergangenheit viele Toxikologie-Lehrstühle aufgelöst worden seien. "Diese Leute könnte man jetzt für eine professionelle Nanotoxikologie gebrauchen" , findet er und fordert, wieder neue Stellen zu schaffen.
Die harsche Kritik von Krug und von der Kammer teilen nicht alle Nanotoxikologen. Wolfgang Parak von der Universität Marburg, Mitherausgeber des Fachjournals ACS Nano, weist etwa darauf hin, dass Risikoforscher bei einigen Nanomaterialien Zusammenhänge zwischen physikalischen Eigenschaften und der Toxizität gefunden hätten. So fand der US-Forscher Andre Nel heraus, dass die Toxizität verschiedener Halbleiter-Nanopartikel durch die sogenannte Bandlücke, eine Größe, die die elektrischen und optischen Eigenschaften eines Halbleiters bestimmt, beeinflusst wird. Wissen dieser Art ermöglicht es, Nanomaterialien in Gefahrenklassen einzuordnen und die Risikoforschung entsprechend zu priorisieren.
Wissenslücken in essenziellen Fragen
Nichtsdestotrotz gibt es auch nach über zehn Jahren Nanorisikoforschung noch riesige Wissenslücken. Um das Risiko abzuschätzen, reicht es nicht zu wissen, welche Nanomaterialien bei Tier- oder Zellversuchen wie stark toxisch wirken. Wenn ein besonders giftiges Material gar nicht mit Mensch oder Umwelt in Kontakt kommt, bleibt das Risiko null. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Produkte eingebettete Nanomaterialien enthalten, die während der Nutzung nicht freigesetzt werden. Umgekehrt kann ein mäßig toxisches Material, das in Massen in die Umwelt gelangt, ein erhebliches Risiko verursachen. Doch zur Exposition von Mensch und Umwelt mit Nanomaterialien existieren nur wenige Studien.
Ob die Gesundheit bedroht ist, hängt davon ab, ob Nanomaterialien über biologische Barrieren wie die Haut, die Darmwand oder die Luft-Blut-Schranke in den Körper und schließlich in Organe gelangen. Während die gesunde Haut Nanopartikel in bisherigen Tests nicht habe passieren lassen, gebe es "starke Hinweise" , dass die anderen Barrieren als Eintrittspforten für Nanomaterialien in den Körper wirkten, schreibt Krug.
Eingeatmete Nanomaterialien können demnach über die Lunge ins Blut und damit in die Organe gelangen. Allerdings nur ein kleiner Teil der verabreichten Dosis, wie die wenigen Studien zeigen, die dieser Frage nachgingen. Manche Nanomaterialien gelangten gar nicht in den Blutkreislauf.
Auch durch die Darmwand treten Nanomaterialien unterschiedlich stark ins Blut: zwischen Null und 39 Prozent der verabreichten Dosis. In der Regel sind es Promille, wie Wolfgang Kreyling weiß, der sich am Helmholtz-Zentrum in München jahrelang mit der Mobilität von Nanostoffen im Körper befasst hat. Partikel über 1.000 Nanometer Durchmesser hingegen finde man gar nicht im Blut, sagt der Biophysiker.
Die nur geringen Mengen, die in den Körper gelangen, beruhigen Krug aber nicht. Denn die Nanomaterialien könnten sich über die Lebenszeit hinweg in Organen anreichern. Dies müsse intensiver untersucht werden.
Nanos verstecken sich in der Umwelt
Auch über den Verbleib von Nanomaterialien in der Umwelt wissen die Forscher noch wenig. Das liegt in erster Linie an den Analysemethoden, mit denen künstlich hergestellte Nanopartikel kaum von den vielen in der Natur oder in belasteter Stadtluft ohnehin vorhandenen Nanopartikeln unterschieden werden können.
Doch es gibt noch einen Grund für die Wissenslücken: In den wenigen Expositionsstudien beklagen die Forscher oft, dass Daten aus der Industrie fehlten. Der Mangel an Wissen über Herstellungsmengen von Nanomaterialien behindert die Abschätzung, welche Mengen davon in Flüsse, Seen, Atemluft und Böden gelangen. Nanoregister, wie es zum Beispiel Frankreich eingeführt hat, können diese Daten liefern. Im Jahr 2013 sind in unserem Nachbarland mehr als 500 Tonnen Nanomaterialien gemeldet worden. Fast 90 Prozent davon waren Carbon Black, das zum Beispiel für Autoreifen als Füllstoff in der Gummiindustrie verwendet wird, und Siliziumdioxid, das für kratzfeste Lacke oder als Rieselhilfe in pulverförmigen Lebensmitteln eingesetzt wird.
Wohin gehen die Nanos, wenn ihr Dienst getan ist?
Besonders wenig wisse man über das Ende des Lebenszyklus von Nanomaterialien, sagen Sabine Greßler, Florian Part und André Gazsó vom Institut für Technikfolgen-Abschätzung der österreichischen Akademie der Wissenschaften. Was bei der Müllverbrennung, Kläranlagen und in Deponien mit ausgedienten Nanomaterialien geschehe, sei kaum erforscht. Den Forschern zufolge enden die Nanos in verschiedensten Abfällen, zum Beispiel in Aushüben durch nanohaltige Baumaterialien, in Aschen und Schlacken von Müllverbrennungsanlagen oder im Klärschlamm.
Es sei "nicht empfehlenswert, große Mengen an Nanoabfällen aus Industrie und Gewerbe in Müllverbrennungsanlagen zu entsorgen" , schreiben die Forscher. Auch sie kritisieren, dass wenig über die Menge der eingesetzten Nanomaterialien bekannt sei. Das verhindere gesetzliche Regelungen für eine gesonderte Behandlung von Nanomaterialien.
Bei allem Nachholbedarf sieht Wolfgang Kreyling die Nanorisikoforschung auf dem richtigen Weg: "Wir betreiben sie schon, bevor Unfälle aufgetreten sind" , sagt er. Offenbar habe die Menschheit aus Fehlern der Vergangenheit gelernt.
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