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Mit einer langfristigen Forschungsstrategie begleiten die für die Sicherheit von Mensch und Umwelt zuständigen Bundesoberbehörden (Umweltbundesamt, Bundesinstitut für Risikobewertung, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und Physikalisch-Technische Bundesanstalt) die rasch voranschreitende Entwicklung neuer Materialien unter den Gesichtspunkten des Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutzes. Die Strategie steht daher in enger Verbindung zu den öffentlichen Förderprogrammen für Nanomaterialien und andere innovative Werkstoffe, z. B. des BMBF („Vom Material zur Innovation“) und der EU („Horizon 2020“).
Die Forschungsstrategie baut auf den bisherigen Ergebnissen der 2008 begonnenen und 2013 erstmals bilanzierten gemeinsamen Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden „Nanotechnologie - Gesundheits- und Umweltrisiken von Nanomaterialien" auf und erweitert den Blickwinkel auch auf andere Materialinnovationen, bei denen vergleichbare Risiken für Mensch und Umwelt bestehen oder abgeklärt werden müssen. Darüber hinaus greift sie die Idee „anwendungssichere chemische Produkte“ aus der Initiative „Neue Qualität der Arbeit“ (INQA) des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales (BMAS) und das Konzept der nachhaltigen Chemie auf, das vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) unterstützt wird. Durch eine anwendungssichere und umweltverträgliche Gestaltung innovativer Materialien und ihrer Folgeprodukte sollen nicht akzeptable Risiken für Mensch und Umwelt von Anfang an weitgehend ausgeschlossen werden. Dies kann erreicht werden durch
1. die Verwendung sicherer Materialien ohne Gefahreneigenschaften für Mensch und Umwelt (direkte Anwendungssicherheit) oder
2. eine Produktgestaltung, die über den gesamten Lebenszyklus emissionsarm und umweltverträglich ist (integrierte Anwendungssicherheit) oder
3. eine Unterstützung des Anwenders (product stewardship) durch den Hersteller bei technischen, organisatorischen und persönlichen Schutzmaßnahmen zur sicheren Verwendung und Entsorgung des Produktes (unterstützte Anwendungssicherheit).
Die Fortschreibung der Forschungsstrategie soll als Bestandteil des Nanoaktionsplans 2020 der Bundesregierung Beiträge der Ressortforschung zu folgenden Schwerpunkten leisten:
• Charakterisierung und Bewertung der Risiken von Materialinnovationen
• Unterstützung von Forschungseinrichtungen und Unternehmen
• Fortschreiben von Rechtsvorschriften und Praxisempfehlungen
• Gesellschaftliche Akzeptanz
Die Forschungsstrategie soll mit Projekten und anderen forschungsnahen Aktivitäten umgesetzt werden. Dies umfasst die eigene Forschung der Häuser, die extramurale Ausschreibung und Vergabe von Forschungsdienstleistungen sowie die Beteiligung an vorwiegend öffentlich geförderten Drittmittelprojekten. Hinzu kommen Aktivitäten im Rahmen der Politikberatung und der hoheitlichen Aufgaben. Mit inter- und transdisziplinären Ansätzen soll die Risiko- und Sicherheitsforschung enger mit der Innovationsforschung und Materialentwicklung verknüpft werden. Die Forschungsstrategie ist aufgrund der raschen Entwicklungen auf diesem Gebiet für den Zeitraum bis 2020 angelegt. Die Forschungsziele adressieren die in diesem Zeitraum voraussichtlich umsetzbaren Forschungsansätze. Die Forschungsstrategie wird durch einen Arbeitskreis begleitet und spätestens mit Ablauf des Nanoaktionsplans 2020 evaluiert und angepasst.
In a long-term research strategy, the German higher federal authorities responsible for human and environmental safety – the German Environment Agency (UBA), the Federal Institute for Risk Assessment (BfR), the Federal Institute for Occupational Safety and Health (BAuA), the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and the National Metrology Institute (PTB) – are accompanying the rapid pace of development of new materials from the points of view of occupational safety and health, consumer protection and environmental protection. The strategy is therefore closely linked with public funding programmes for research on nanomaterials and other advanced materials, such as those of the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) (“From Material to Innovation”) and the EU (“Horizon 2020”).
The research strategy builds on the outcomes so far of the joint research strategy of the higher federal authorities launched in 2008 and first evaluated in 2013, “Nanotechnology: Health and Environmental Risks of Nanomaterials”, while additionally covering other advanced materials where these pose similar risks to humans and the environment or where such risks need to be studied. It also takes up the idea of application safety of chemical products from the New Quality of Work (INQA) initiative of the Federal Ministry of Labour and Social Affairs (BMAS) and the concept of sustainable chemistry endorsed by the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB). Application safety and environmental compatibility are aimed for advanced materials and derived products in order to largely rule out unacceptable risks to humans and the environment. This can be achieved by:
1. Using safe materials without hazardous properties for humans and the environment direct application safety); or
2. Product design for low emissions and environmental compatibility over the entire product lifecycle (integrated application safety); or
3. Product stewardship, where producers support users in taking technical, organisational and personal safety measures for the safe use and disposal of products (supported application safety).
As a comprising part of the Federal Government’s Nanotechnology Action Plan 2020, the update of the joint research strategy aims to contribute to governmental research in the following main areas:
• Characterising and assessing the human and environmental risks of advanced materials
• Supporting research institutions and business enterprises
• Science-based revision of legal requirements and recommendations
• Public acceptance
The research strategy is to be implemented in projects and other research-related activities. These include governmental research, tendering and extramural research funding, and participation in mostly publicly supported projects with third-party funding. Additional activities will take place as part of policy advice and the ongoing work of the sovereign tasks of agencies involved. Interdisciplinary and transdisciplinary approaches will be used to better connect risk and safety research with innovation research and material development. In keeping up with the rapid pace of development, the time horizon for the research strategy is up to 2020. The research objectives address the research approaches likely to be actionable in this period. The research strategy will be supported by a working group and be evaluated and revised by the end of the Nanotechnology Action Plan 2020.
The presence of nano-scaled particles in food and food-related products has drawn attention to the oral uptake of nanoparticles and their interactions with biological systems. In the present study, we used a toxicoproteomics approach to allow for the untargeted experimental identification and comparative analysis of cellular Responses in rat liver after repeated-dose treatment with silver nanoparticles, ions, and the coating matrix used for particle stabilization.
The proteomic analysis revealed treatment-related effects caused by exposure to silver in particulate and ionic form. Both silver species induced similar patterns of signaling and metabolic alterations. Silver-induced cellular alterations comprised, amongst others, proteins involved in metal homeostasis, oxidative stress response, and energy metabolism. However, we discovered that secondary nano-scaled structures were formed from ionic silver. Furthermore, also the coating matrix alone gave rise to the formation of nano-scaled particles.
The present data confirm, complement, and extend previous knowledge on silver toxicity in rodent liver by providing a comprehensive proteomic data set. The observation of secondary particle formation from nonparticle controls underlines the difficulties in separating particle-, ion-, and matrix coating-related effects in biological systems. Awareness of this issue will support proper evaluation of nanotoxicology-related data in the future.
Even although quite a number of studies have been performed so far to demonstrate nanoparticle-specific effects of substances in living systems, clear evidence of these effects is still under debate. The present study was designed as a comparative proteomic analysis of human intestinal cells exposed to a commercial silver nanoparticle reference material and ions from AgNO3. A two-dimensional gel electrophoresis/MALDI mass spectrometry (MS)-based proteomic analysis was conducted after 24-h incubation of differentiated Caco-2 cells with non-cytotoxic and low cytotoxic silver concentrations (2.5 and 25 µg ml−1 nanosilver, 0.5 and 5 µg ml−1 AgNO3). Out of an overall number of 316 protein spots differentially expressed at a fold change of ≥ 1.4 or ≤ −1.4 in all treatments, 169 proteins could be identified. In total, 231 spots were specifically deregulated in particle-treated groups compared with 41 spots, which were limited to AgNO3-treatments. Forty-four spots (14 %) were commonly deregulated by both types of treatment. A considerable fraction of the proteins differentially expressed after treatment with nanoparticles is related to protein folding, synthesis or modification of proteins as well as cellular assembly and organization. Overlays of networks obtained for particulate and ionic treatments showed matches, indicating common mechanisms of combined particle and ionic silver exposure and exclusive ionic silver treatment. However, proteomic responses of Caco-2 cells treated with higher concentrations of silver species also showed some differences, for example regarding proteins related to fatty acid and energy metabolism, suggesting an induction of also some different molecular mechanisms for particle exposure and ionic treatment.
