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The plastic value chain, central part of modern living, caused environmental pollution and bioaccumulation of plastic nanoparticles (PNPs). Their ubiquitous presence in different environmental and biological compartments has become a serious threat to human health and ecosystems. Frequently used plastic materials such as polypropylene (PP), polystyrene (PS) and polyethylene (PE) have been detected in the form of PNPs in the food chain, soil, water and air, as well as in human feces and blood. In this study, we aimed to provide novel insights in endocrine disrupting properties of PNPs using in vitro estrogen receptor (ER) transactivation assay. The effects of PP-NPs, PE-NPs and PS-NPs and their mixture on T47D-KBluc cell line stably transfected with luciferase as reporter enzyme was evaluated by means of cytotoxicity, cellular uptake and ER activation. Tested dose range for PNPs was 0.001 – 10 mg/L. Both cellular uptake and cytotoxicity for all PNPs was found to be dose-dependent. Only the highest dose of PP-NPs and PE-NPs induced apoptosis and cell death, while PS-NPs were not cytotoxic in tested dose range. For tested concentrations, PP-NPs and PE-NPs showed significant agonistic activity on ER, while PS-NPs cannot be considered ER active. When, applied as mixture, PNP demonstrated additive toxicity effects compared to the effect of each individual PNPs. Additivity was also observed for ER agonistic effect of PNPs mixture according to the benchmark dose-addition modelling approach. This study provides missing science-based evidence on endocrine disrupting effects of PE-NPs, PP-NPs, PS-NPs and their mixtures and highlights the importance of considering unintentional, aggregate and combined exposure to different PNPs in risk management.
Nanoforms with at least one dimension below 100 nm have an important part to play in more and more areas of our daily life. Therefore, risk assessment of these materials is becoming increasingly important. In this context, the European Chemical Agency (ECHA) considered eleven physico-chemical properties as relevant, of which the following six are essential for the registration: chemical composition, crystallinity, particle size, particle shape, surface chemistry and specific surface area. Four of these priority properties can be obtained with electron microscopy and surface analytics like XPS and ToF-SIMS. The reliability of this data must be ensured, especially for their use for grouping and read across approaches. On the other hand, the “reproducibility” crisis has revealed major shortcomings in the reliability of published data.
In a case study, we show how the quality of the data can be ensured by using existing standards and protocols of each step in the workflow of sample characterization. As exemplary samples, two Al-coated TiO2 samples as nanopowders were selected from the JRC repository, capped either with a hydrophilic or a hydrophobic organic ultrathin shell. SEM results provided the size and shape of the nanoparticles, a first overview about the composition was obtained with EDS. XPS and ToF-SIMS supplied the surface chemistry, especially information about the shell and the coating of the particles. Standards and protocols of all steps of the analytical workflow including preparation and data reduction are discussed regarding reliable and reproducible data. Additionally, uncertainties for the different steps are specified.
Only such a detailed description of all these factors allows a comprehensive physico-chemical characterization of the nanoparticles with understanding of their potential risk assessment.
A brief perspective of BAM on advanced materials is presented including examples for nanomaterials and other systems presenting advanced materials with special emphasis on characterization methods used in different division of BAM for the determination of functional or safety parameters of such materials. In this respect, also ongoing activities of the capacity building project nanoplatform of BAM aiming at the development of nanometer-sized reference materials are briefly summarized.
The European legislation has responded to the wide use of nanomaterials in our daily life and defined the term “nanoform” in the Annexes to the REACH (Registration, Evaluation, Authorization of Chemicals) Regulation. Now specific information of the nanomaterials is required from the companies when registering the appropriate materials in a dossier.
In the context of REACH eleven physicochemical properties were considered as relevant, of which the following six are essential for registration of nanoforms (priority properties): chemical composition, crystallinity, particle size, particle shape, chemical nature of the surface (“surface chemistry”), and specific surface area (SSA). A key role is the reliable, reproduceable and traceable character of the data of these priority properties.
In this context, we want to discuss which ‘analytical’ information is exactly required to fulfill these conditions. Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were chosen as the most popular surface analytical methods. Both methods allow a detailed understanding of the surface chemistry with an information depth below ten nanometers. As a rather bulk method for the analysis of nanoforms, Electron Probe Microanalysis (EPMA) in the version with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) is considered for the quick identification of the main chemical elements present in the sample. Furthermore, Scanning Electron Microscopy (SEM) results are discussed which provide results on particle size and shape. Thus, four of the six priority properties can be obtained with these methods.
Geräte für den bestimmungsgemäßen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die Anforderungen der europäischen Richtlinie 94/9/EG (Explosionsschutzrichtlinie) erfüllen. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird in der EG-Konformitätserklärung des Herstellers dokumentiert. Grundlage für die Bewertung der Konformität ist die Zündgefahrenbewertung, die im Wesentlichen die Identifizierung und Bewertung möglicher Zündquellen beinhaltet. In den der Richtlinie 94/9/EG nach geordneten einschlägigen Normen, z. B. EN 1127-1 und EN 13463-1 ff., sowie in der BGR 104 (Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (Explosionsschutz-Regeln - EX-RL) sind die 13 möglichen Zündquellenarten aufgelistet. Die mechanisch erzeugten Funken stellen hierbei eine von diesen möglichen Zündquellenarten dar.
Aussagen über die Zündwirksamkeit und insbesondere Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Schlagfunken in Abhängigkeit von der jeweiligen Brenngas/Luft- Atmosphäre bei bekannter kinetischer Schlagenergie lassen sich nach dem bisherigen Kenntnisstand nur sehr vage formulieren. Eine umfangreiche Literaturrecherche auf diesem Gebiet bestätigte diesen Mangel, der sowohl bei der Zündgefahrenbewertung als auch bei der Erstellung und Novellierung des für den Explosionsschutz einschlägigen Regelwerkes problematisch ist.
Im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik werden zum Bau u. a. von nichtelektrischen Geräten und Schutzsystemen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosions-gefährdeten Bereichen häufig Baustähle verwendet. Daher war es das Ziel der Forschungsarbeit, statistisch gesicherte Werte für die Zündwahrscheinlichkeit von Stahl-Schlagfunken in Abhängigkeit von der kinetischen Schlagenergie und der Mindestzündenergie der verwendeten Brenngas/Luft-Gemische zu ermitteln. Die Untersuchungen zur Entstehung mechanisch erzeugter zündfähiger Schlagfunken erfolgten mit Hilfe von Schlagfunkenmaschinen bei drei kinetischen Schlagenergiewerten.
Folgende Ergebnisse wurden für die Referenzbrenngase der IEC-Explosionsgruppen bei unterschiedlichen Gemischzusammensetzungen mit Luft erzielt:
1. Unterhalb der kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der im Rahmen dieser Untersuchung angewendeten Schlagkinematik und Schlaggeometrie keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.
2. Bereits mit einer kinetischen Schlagenergie von 10 Nm konnten einzelne mechanisch erzeugte Stahl-Schlagfunken durch Oxidationsvorgänge des abgetrennten Teilchens zur gefährlichen Zündquelle werden. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass dies für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC (z. B. Acetylen und Wasserstoff) mit Luft mit einer Zündwahrscheinlichkeit im einstelligen Prozentbereich zutrifft. Literaturangaben zufolge können Explosionen aber auch für Brenngasgemische der Explosionsgruppe IIB (z. B. Ethylen) mit Luft nicht sicher ausgeschlossen werden.
3. Mit der vergleichsweise hohen kinetischen Schlagenergie von 190 Nm wurden alle Brenngas/Luft-Gemische unabhängig von einer stattfindenden Oxidation des Teilchens durch einen einzigen Schlagvorgang zur Explosion gebracht. Dabei lag die Zündwahrscheinlichkeit bei 100 % für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC mit Luft. Für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppen IIA (z. B. Propan und Benzindampf) und I (z. B. Methan) mit Luft fiel die Zündwahrscheinlichkeit bis in den einstelligen Prozentbereich ab.
Die experimentellen Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass die Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Funken grundsätzlich von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängig ist. Eine Interpolation der Ergebnisse zwischen den kinetischen Schlagenergien von 10 Nm und 190 Nm ist daher nicht möglich.
Für zukünftige Untersuchungen ist deshalb eine Fortführung der Arbeiten u. a. mit weiteren kinetischen Schlagenergien vorgesehen. Diese Ergebnisse können ferner zur Validierung von numerischen Simulationen herangezogen werden.