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Organisationseinheit der BAM
Nanotechnology has enabled the discovery of a multitude of novel materials exhibiting unique physicochemical (PChem) properties compared to their bulk analogues. These properties have led to a rapidly increasing range of commercial applications; this, however, may come at a cost, if an association to long-term health and environmental risks is discovered or even just perceived. Many nanomaterials (NMs) have not yet had their potential adverse biological effects fully assessed, due to costs and time constraints associated with the experimental assessment, frequently involving animals. Here, the available NM libraries are analyzed for their suitability for integration with novel nanoinformatics approaches and for the development of NM specific Integrated Approaches to Testing and Assessment (IATA) for human and environmental risk assessment, all within the NanoSolveIT cloud-platform. These established and well-characterized NM libraries (e.g. NanoMILE, NanoSolutions, NANoREG, NanoFASE, caLIBRAte, NanoTEST and the Nanomaterial Registry (>2000 NMs)) contain physicochemical characterization data as well as data for several relevant biological endpoints, assessed in part using harmonized Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) methods and test guidelines.
Integration of such extensive NM information sources with the latest nanoinformatics methods will allow NanoSolveIT to model the relationships between NM structure (morphology), properties and their adverse effects and to predict the effects of other NMs for which less data is available. The project specifically addresses the needs of regulatory agencies and industry to effectively and rapidly evaluate the exposure, NM hazard and risk from nanomaterials and nano-enabled products, enabling implementation of computational ‘safe-by-design’ approaches to facilitate NM commercialization.
Mobility particle size spectrometers (MPSS) belong to the essential instruments in aerosol science that determine the particle number size distribution (PNSD)in the submicrometer size range. Following calibration procedures and target uncertainties against standards and reference instruments are suggested for a complete MPSS quality assurance program: a) calibration of the CPC counting efficiency curve (within 5% for the plateau counting efficiency; within 1 nm for the 50% detection efficiency diameter), b) sizing calibration of the MPSS, using a certified polystyrene latex (PSL) particle size standard at 203 nm (within 3%), c) intercomparison of the PNSD of the MPSS (within 10% and 20% of the dN/dlogDP concentration for the particle size range 20 – 200 nm and 200 to 800 nm, respectively), and d) intercomparison of the integral PNC of the MPSS (within 10%). Furthermore, following measurement uncertainties have been investigated: a) PSL particle size standards in the range from 100-500nm match within 1% after sizing calibration at 203 nm. b) Bipolar diffusion chargers based on the radioactive nuclides Kr85, Am241 and Ni63 and a new ionizer based on corona discharge follow the recommended bipolar charge distribution, while soft X-ray-based charges may alter faster than expected. c) The use of a positive high voltage supply show a 10% better performance than a negative one. d) The intercomparison of the integral PNC of an MPSS against the total number concentration is still within the target uncertainty at an ambient pressure of approximately 500 hPa.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Despite the increasing concern about the harmful effects of micro- and
nanoplastics (MNPs), there are no harmonized guidelines or protocols yet available for MNP ecotoxicity testing. Current ecotoxicity studies often use commercial spherical particles as models for MNPs, but in nature, MNPs occur in variable shapes, sizes and chemical compositions. Moreover, protocols developed for chemicals that dissolve or form stable dispersions are currently used for assessing the ecotoxicity of MNPs. Plastic particles, however, do not dissolve and also show dynamic behavior in the exposure medium, depending on, for example, MNP physicochemical properties and the medium’s conditions such as pH and ionic strength. Here we describe an exposure protocol that considers the particle-specific properties of MNPs and their dynamic behavior in exposure systems. Procedure 1 describes the top-down production of more realistic MNPs as representative of MNPs in nature and particle characterization (e.g., using thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry). Then, we describe exposure system development for short- and long-term toxicity tests for soil (Procedure 2) and aquatic (Procedure 3) organisms. Procedures 2 and 3 explain how to modify existing ecotoxicity guidelines for chemicals to target testing MNPs in selected exposure systems. We show some examples that were used to develop the protocol to test, for example, MNP toxicity in marine rotifers, freshwater mussels, daphnids and earthworms. The present protocol takes between 24 h and 2 months, depending on the test of interest and can be applied by students, academics, environmental risk assessors and industries.
The concept of a ‘plastisphere microbial community’ arose from research on aquatic plastic debris, while the effect of plastics on microbial communities in soils remains poorly understood. Therefore, we examined the inhabiting microbial communities of two plastic debris ecosystems with regard to their diversity and composition relative to plastic-free soils from the same area using 16S rRNA amplicon sequencing. Furthermore, we studied the plastic-colonizing potential of bacteria originating from both study sites as a measure of surface adhesion to UV-weathered polyethylene (PE) using high-magnification field emission scanning electron microscopy (FESEM). The high plastic content of the soils was associated with a reduced alpha diversity and a significantly different structure of the microbial communities. The presence of plastic debris in soils did not specifically enrich bacteria known to degrade plastic, as suggested by earlier studies, but rather shifted the microbial community towards highly abundant autotrophic bacteria potentially tolerant to hydrophobic environments and known to be important for biocrust formation. The bacterial inoculates from both sites formed dense biofilms on the surface and in micrometer-scale surface cracks of the UV-weathered PE chips after 100 days of in vitro incubation with visible threadlike EPS structures and cross-connections enabling surface adhesion. High-resolution FESEM imaging further indicates that the microbial colonization catalyzed some of the surface degradation of PE. In essence, this study suggests the concept of a ‘terrestrial plastisphere’ as a diverse consortium of microorganisms including autotrophs and other pioneering species paving the way for those members of the consortium that may eventually break down the plastic compounds.
The adsorption of organic micropollutants onto activated carbon is a favourable solution for the treatment of drinking water and wastewater. However, these adsorption processes are not sufficiently understood to allow for the appropriate prediction of removal processes. In this study, thermogravimetric analysis, alongside evolved gas analysis, is proposed for the characterisation of micropollutants adsorbed on activated carbon. Varying amounts of carbamazepine were adsorbed onto three different activated carbons, which were subsequently dried, and their thermal decomposition mechanisms examined. The discovery of 55 different pyrolysis products allowed differentiations to be made between specific adsorption sites and conditions. However, the same adsorption mechanisms were found for all samples, which were enhanced by inorganic constituents and oxygen containing surface groups. Furthermore, increasing the loadings led to the evolution of more hydrated decomposition products, whilst parts of the carbamazepine molecules were also integrated into the carbon structure. It was also found that the chemical composition, especially the degree of dehydration of the activated carbon, plays an important role in the adsorption of carbamazepine. Hence, it is thought that the adsorption sites may have a higher adsorption energy for specific adsorbates, when the activated carbon can then potentially increase its degree of graphitisation.