Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

»Nano«-Kleinstmengen in Umweltproben nachweisen

28.04.2016

Bislang ist unklar, wie in die Umwelt gelangte oder in Produkten eingesetzte synthetische Nanomaterialien auf Menschen, Tiere und Pflanzen wirken. Die Mengen sind so gering und die Teilchen so klein, dass es schwer ist, diese in der Umwelt nachzuweisen. Die Partner im Projekt NanoUmwelt haben jetzt eine Methode entwickelt, die in Umweltproben schon Kleinstmengen an Nanomaterialien aufspüren kann.

Winzige Zwerge halten unsere Matratzen sauber, kitten Risse in unseren Zähnen, lassen das Ei in der Pfanne nicht anbrennen und machen unsere Lebensmittel haltbarer. Die Rede ist von Nanomaterialien.


Ausschnitt einer mikroskopischen Aufnahme einer menschlichen Fettzelle: oben unbehandelt, unten mit Gold-Nanopartikeln versetzt. Die Teilchen reichern sich in den Fetttropfen der Zelle an.

Fraunhofer IBMT

»Nano« kommt aus dem Griechischen und bedeutet Zwerg. Wenige Milliardstel Meter sind die Partikel klein und in einer Vielzahl von Konsumprodukten verarbeitet. Bis heute ist jedoch weitestgehend unbekannt, wie diese Materialien auf die Umwelt wirken und in welchen Mengen und Formen sie dort vorliegen.

»Es gibt zwar zahlreiche Laborstudien, die den Effekt von Nanomaterialien auf menschliche und tierische Zellen untersucht haben. Bislang war es jedoch nicht möglich, die sehr kleinen Mengen in Umweltproben nachzuweisen«, sagt Dr. Yvonne Kohl vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT im saarländischen Sulzbach.

1 Millionstel Milligramm pro Liter

Genau das ist das Ziel des Projekts NanoUmwelt. Als ersten großen Meilenstein hat es das interdisziplinäre Team aus Öko- und Humantoxikologen, Physikern, Chemikern sowie Biologen geschafft, eine Methode zu entwickeln, die Nanomaterialien in unterschiedlichen Umweltproben wie Flusswasser, Tiergewebe oder menschlichem Urin und Blut in einem Konzentrationsbereich von Nanogramm pro Liter (ppb – parts per billion) nachweist.

Das entspricht einem halben Zuckerwürfel im Wasservolumen von 1000 Sportschwimmbecken. Mit der neuen Methode lassen sich nicht nur wie bisher viele Nanomaterialien in klaren Flüssigkeiten, sondern auch sehr wenige Partikel in komplexen Stoffgemischen wie menschlichem Blut oder Bodenproben aufspüren.

Der Ansatz basiert auf der Feldflussfraktionierung (FFF), mit deren Hilfe es möglich ist, komplexe, heterogene Stoffgemische aus Flüssigkeiten und Partikeln in ihre Einzelteile aufzutrennen und dabei die festen Bestandteile nach ihrer Größe zu sortieren. Das gelingt durch das Zusammenwirken eines kontrollierten Flüssigkeitsstroms und eines physikalischen Trennfelds, welches senkrecht auf die fließende Suspension wirkt.

Damit der Nachweis gelingt, müssen die Umweltproben entsprechend aufbereitet sein. Das IBMT-Team aus der Abteilung Bioprozesse & Bioanalytik machte Flusswasser, menschlichen Urin und Fischgewebe fit für das FFF-Gerät. »Wir präparieren die Proben mit speziellen Enzymen. Bei diesem Prozess dürfen die Nanomaterialien allerdings nicht zerstört oder verändert werden. Nur dann können wir die realen Mengen und Formen der Nanomaterialien in der Umwelt nachweisen«, erklärt Kohl.

Die Wissenschaftler sind insbesondere Experten, wenn es darum geht, menschliche Gewebeproben bereitzuhalten, zu bearbeiten und zu lagern: Seit Januar 2012 betreibt das IBMT im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) die »Umweltprobenbank des Bundes (UPB) – Humanproben« . Jährlich sammelt das Forschungsinstitut an vier Orten in Deutschland Blut- und Urinproben von jeweils 120 Freiwilligen.

Die Einzelproben sind ein wertvolles Instrument, um zeitliche Trends der menschlichen Schadstoffbelastung nachzuverfolgen. »Für das Projekt NanoUmwelt wurden zusätzlich Blut und Urin gespendet, am IBMT kältegelagert und dafür genutzt, die neue Nachweismethode zu erarbeiten«, erzählt Dr. Dominik Lermen, Leiter der Arbeitsgruppe Biomonitoring & Kryobanken am IBMT. Nach Genehmigung durch das UBA könnten zum Teil auch die Humanproben des UPB-Archivs mit der neuen Methode untersucht werden.

Neue Zellkulturmodelle entwickelt

Nanomaterialien können über verschiedene Pfade, unter anderem über das Abwasser, in die Umwelt gelangen. Sie werden vermutlich über biologische Barrieren wie Lunge oder Darm von Mensch und Tier aufgenommen. Das Projektteam stellt diese Vorgänge in der Petrischale nach, um zu verstehen, wie Nanomaterialien über diese Barrieren transportiert werden.

»Das ist ein sehr komplexer Vorgang, an dem verschiedenste Zellen und Gewebeschichten beteiligt sind«, erklärt Kohl. Die Forscher stellen die Vorgänge so realistisch wie möglich nach. Dazu messen sie beispielsweise die elektrischen Flüsse innerhalb der Barrieren, um deren Funktionalität zu ermitteln oder simulieren mit künstlichen Nebelwolken die Interaktion der Lunge mit der Luft.

Das IBMT-Team konnte in der ersten Phase des Projekts NanoUmwelt verschiedene Zellkulturmodelle für den Transport von Nanomaterialien über biologische Barrieren entwickeln. Dabei arbeitet das IBMT zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, das aus pluripotenten Stammzellen ein Modell zur Untersuchung der Kardiotoxizität entwickelte. Der Schweizer Projektpartner Empa realisierte ein Plazenta-Barriere-Modell zur Studie des Nanomaterialien-Transports zwischen Mutter und Kind.

Im nächsten Schritt wollen die Kooperationspartner mit der Methode Konzentrationen an Nanopartikeln in verschiedenen Umweltproben messen und die ermittelten Werte analysieren, um so das Verhalten der Nanomaterialien in der Umwelt und deren potenzielle Gefahr für Mensch, Tier und Umwelt besser abschätzen zu können. »Unser nächstes Ziel ist es, noch kleinere Partikelmengen nachzuweisen«, sagt Kohl. Die Wissenschaftler planen, mit speziellen Filtern störende Elemente aus den Umweltproben zu entfernen und neue Aufbereitungstechniken zu erarbeiten.

Weitere Informationen:

http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2016/Mai/nano-kleinstmeng...

Dipl.-Phys. Annette Maurer | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

nachricht Schimpansen belohnen Gefälligkeiten
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften