Weathered multi-walled carbon nanotubes in the aquatic environment : fate, bioaccumulation, effects, and mixture toxicity

• Verwitterte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren in der aquatischen Umwelt: Verbleib, Bioakkumulation, Effekte und Mischungs-Toxizität

Politowski, Irina; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Produktion von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen und hat ein industrielles Ausmaß erreicht. Nicht nur an Produktionsorten, sondern auch durch den vermehrten Einsatz von CNT in verschiedenen Anwendungsbereichen, kann von einer erhöhten Freisetzung der Nanomaterialien in Ökosysteme unserer Erde ausgegangen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Verteilung von radioaktivmarkierten und verwitterten mehrwandigen CNT (14C-wMWCNT) in verschiedenen aquatischen Kompartimenten mittels einer Wasser-Sedimentstudie untersucht. Über die Zeit (180 Tage) sind die applizierten wMWCNT exponentiell aus der Wasserphase absedimentiert und haben sich gleichzeitig in der Sedimentphase angereichert. Darüber hinaus wurde ein sehr geringer vollständiger Abbau von 14C-wMWCNT zu 14CO2 beobachtet. Folglich wurde die Aufnahme von 14C-wMWCNT in Grünalgen, Wasserflöhen und Fischen quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass wMWCNT mit den Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii und Raphidocelis subcapitata interagieren und assoziieren. Zur Untersuchung des Nahrungsnetztransfers wurde R. subcapitata anschließend mit 14C-wMWCNT beladen und folglich an den Primärkonsumenten Daphnia magna verfüttert. Die Anreicherung von 14C-wMWCNT in Daphnien über den Nahrungstransfer wurde mit der 14C wMWCNT Aufnahme durch die Wasserflöhe aus der Wasserphase ohne Algen verglichen. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass eine kurzfristige CNT Exposition mittels Nahrungstransfer, im Gegensatz zur Wasserexposition, zu keiner Anreicherung der Nanomaterialien führt. Eine weitere Studie zur Akkumulation von 14C-wMWCNT in einer heranwachsenden Population von D. magna ergab weiterhin eine Belastung mit CNT, welche unter der EU-Verordnung REACH als besorgniserregend einzustufen ist. Ebenfalls im Zebrabärbling Danio rerio konnte die Aufnahme von wMWCNT über die Wasserphase und die Nahrung beobachtet werden. Die Untersuchung verschiedener Körperteile des Fisches haben gezeigt, dass der Großteil der Nanomaterialien im Magen-Darm-Trakt der Sekundärkonsumenten angesammelt wird. Des Weiteren ist bekannt, dass CNT organische Verbindungen adsorbieren und somit das Schicksal von Umweltschadstoffen verändert werden kann. In einer Adsorptionsstudie wurde die Wechselwirkung von unmarkierten wMWCNT und dem markierten Biozid Triclocarban (14C-TCC) betrachtet. Es wurden Effekte der Einzelsubstanzen sowie der Substanzmischungen, sogenannte "Trojan horse" Effekte, anhand von Grünalgen und Daphnien untersucht. Dabei konnte ein Einfluss der Nanomaterialien auf die Toxizität von TCC erst ab sehr hohen, nicht-umweltrelevanten Konzentrationen (geschätzte Umweltkonzentration liegt im ng/L Bereich für Oberflächengewässer) beobachtet werden. Zusammenfassend zeigt sich eine lange Verweildauer der CNT in wässriger Phase und dadurch eine Exposition für pelagische und benthische Organismen. Außerdem konnte ein Nahrungsnetztransfer beobachtet werden, weshalb aufgrund der ansteigenden CNT Produktion unbedingt Forschungsbestreben hinsichtlich Effekten der Einzelsubstanz CNT und Mischungseffekten in Verbindung mit Chemikalien weiter berücksichtigt werden sollten.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]