Neues Verfahren zum Nachweis von Silbernanopartikeln in Gewässern

Wie Forscher Nanopartikel fangen

Nanopartikel können die Eigenschaften von Materialien und Produkten verbessern. Daher wurden in den vergangenen Jahren immer mehr Nanopartikel hergestellt. Der weltweite Verbrauch von Silbernanopartikeln wird mittlerweile auf über 300 Tonnen geschätzt. Diese haben die positive Eigenschaft, Bakterien und Viren abzutöten. Unter anderem sind Kühlschränke oder chirurgisches Besteck mit den Partikeln beschichtet. Auch in Sportkleidung sind Silbernanopartikel zu finden. Denn die Silberteilchen können Schweißgeruch verhindern, indem sie geruchsbildende Bakterien abtöten.

Bisher war noch nicht bekannt, ob und in welchen Konzentrationen die Nanopartikel in die Umwelt und etwa in die Gewässer gelangen. Prinzipiell könnte dies kritisch sein: Denn die Silbernanopartikel sind für zahlreiche aquatische Organismen toxisch und könnten das ökologische Gleichgewicht empfindlich stören.

Analytische Herausforderung

Bisher waren Nanopartikel aber nicht so leicht nachzuweisen. Denn sie haben nur eine Größe von 1 bis 100 Nanometern – ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. "Um wissen zu können, ob eine toxikologische Gefahr besteht oder nicht, müssen wir wissen, wie viele dieser Partikel in die Umwelt, insbesondere in Gewässer gelangen", erklärt Michael Schuster, Professor für Analytische Chemie an der TU München.

Eine analytische Herausforderung für die Forscherinnen und Forscher, die sie im Auftrag des Bayerischen Umweltministeriums lösten. Sie nutzten dazu ein bekanntes Prinzip, das die Wirkung von Tensiden zur Abtrennung und Anreicherung der Partikel nutzt. "Diese sind auch in Wasch- und Reinigungsmitteln vorhanden", so Schuster. "Sie sorgen vereinfacht dargestellt dafür, dass Fette und Schmutzpartikel in sogenannte Mizellen eingeschlossen und damit in Wasser in Schwebe gehalten werden können." Eine Seite der Tenside ist wasserlöslich, die andere Seite fettlöslich. Die fettlöslichen Enden lagern sich um unpolare nicht wasserlösliche Verbindungen wie Fette oder um Partikel und schließen diese in den Mizellen ein. Die wasserlöslichen polaren Enden der Tenside sind dabei zum Wasser gerichtet und sorgen dafür, dass die mikroskopisch kleinen Mizellen im Wasser schweben können.

Eine Packung Würfelzucker im Walchensee

Dieses Prinzip wandten die Wissenschaftler auf die Nanopartikel an. "Wenn die Mizellen mit den eingeschlossenen Partikeln leicht erwärmt werden, verklumpen sie", erklärt Schuster. Das Wasser färbt sich trüb. Mithilfe einer Zentrifuge können die Tenside und die darin eingeschlossenen Nanopartikel dann vom Wasser getrennt werden. Dieses Verfahren wird Cloud Point Extraktion, übersetzt etwa Trübpunkt-Extraktion, genannt. In den so abgetrennten Tensiden, die die Partikel unverändert, aber in stark angereicherter Form enthalten, bestimmen die Forscher mit einem hochempfindlichen Atomspektrometer, das so eingestellt ist, dass es nur Silber misst, wie viele Silbernanopartikel vorhanden sind. Dabei können Konzentrationen im Bereich von weniger als einem Nanogramm pro Liter nachgewiesen werden. Vergleichsweise könnten die Forscher eine Packung Würfelzucker nachweisen, die im Walchensee aufgelöst wurde.

Mithilfe des Analyseverfahrens können neue Erkenntnisse zum Gehalt an Nanopartikeln in Trink- und Abwasser, Klärschlamm, Flüssen und Seen gewonnen werden. In Bayern führten die Messungen zu einem eindeutigen Ergebnis: Die gemessenen Konzentrationen in den Gewässern waren äußerst niedrig. In nur vier der 13 untersuchten oberbayerischen Seen lag die Konzentration überhaupt oberhalb der Nachweisgrenze von 0,2 Nanogramm pro Liter. Kein Messwert war höher als 1,3 Nanogramm pro Liter. Einen Grenzwert für Silbernanopartikel gibt es bisher nicht.

Beispielhaft für Fließgewässer wurde die Isar von der Quelle bis zur Mündung an rund 30 Stellen untersucht. Gemessen wurde auch die Konzentration von Silbernanopartikeln im Zu- und Ablauf von Klärwerken. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass mindestens 94 Prozent der Silbernanopartikel in den Klärwerken zurückgehalten werden.

Kontakt:

Technische Universität München
Prof. Michael Schuster
Tel.: +49 89 289 13763
michael.schuster@tum.de

• Pressemitteilung des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz