Het is nog onduidelijk wat de impact is op de mens, dieren en planten van synthetische nanomaterialen die in het milieu terechtkomen of in producten worden gebruikt. Het is erg moeilijk om deze nanomaterialen in het milieu te detecteren, omdat de concentraties zo laag zijn en de deeltjes zo klein. Nu hebben de partners in het NanoUmwelt-project een methode ontwikkeld waarmee zelfs minuscule hoeveelheden nanomaterialen in omgevingsmonsters kunnen worden geïdentificeerd.

Kleine dwergen houden onze matrassen schoon, schade aan onze tanden herstellen, stoppen met het plakken van eieren aan onze pannen, en de houdbaarheid van ons voedsel verlengen. We hebben het over nanomaterialen - "nano" komt van het Griekse woord voor "dwerg". Deze deeltjes zijn slechts enkele miljardsten van een meter klein, en ze worden gebruikt in een breed scala aan consumentenproducten. Echter, tot nu toe was de impact van deze materialen op het milieu grotendeels onbekend, en informatie ontbreekt over de concentraties en vormen waarin ze daar aanwezig zijn. "Het is waar dat veel laboratoriumstudies het effect van nanomaterialen op menselijke en dierlijke cellen hebben onderzocht. Tot op heden hebben Hoewel, het is niet mogelijk geweest om zeer kleine hoeveelheden te detecteren in omgevingsmonsters, " zegt Dr. Yvonne Kohl van het Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT in Sulzbach.

Een miljoenste milligram per liter

Dat is precies de doelstelling van het NanoUmwelt-project. Het interdisciplinaire projectteam bestaat uit eco- en humane toxicologen, natuurkundigen, scheikundigen en biologen, en ze zijn er net in geslaagd om hun eerste grote stap voorwaarts te zetten in het bereiken van hun doel:ze hebben een methode ontwikkeld voor het testen van een verscheidenheid aan milieumonsters zoals rivierwater, dierlijk weefsel, of menselijke urine en bloed die nanomaterialen kunnen detecteren met een concentratieniveau van nanogram per liter (ppb – delen per miljard). Dat staat gelijk aan een half suikerklontje in de hoeveelheid water in 1000 wedstrijdzwembaden. Met behulp van de nieuwe methode, het is nu mogelijk om niet alleen grote hoeveelheden nanomaterialen in heldere vloeistoffen te detecteren, zoals vroeger het geval was, maar ook heel weinig deeltjes in complexe stofmengsels zoals menselijk bloed of bodemmonsters. De aanpak is gebaseerd op field-flow fractionation (FFF), die kunnen worden gebruikt om complexe heterogene mengsels van vloeistoffen en deeltjes in hun samenstellende delen te scheiden - terwijl tegelijkertijd de belangrijkste componenten op grootte worden gesorteerd. Dit wordt bereikt door de combinatie van een gecontroleerde vloeistofstroom en een fysiek scheidingsveld, die loodrecht op de vloeiende suspensie inwerkt.

Om het detectieproces te laten werken, milieumonsters moeten op de juiste manier worden verwerkt. Het team van de afdeling Bioprocessing &Bioanalytics van Fraunhofer IBMT bereidde rivierwater voor, menselijke urine, en visweefsel om in het FFF-apparaat te passen. "We bereiden de monsters voor met speciale enzymen. In dit proces, we moeten ervoor zorgen dat de nanomaterialen niet worden vernietigd of veranderd. Hierdoor kunnen we de werkelijke hoeveelheden en vormen van de nanomaterialen in het milieu detecteren, " legt Kohl uit. De wetenschappers hebben speciale expertise als het gaat om het leveren van, het verwerken en opslaan van monsters van menselijk weefsel. Fraunhofer IBMT beheert sinds januari 2012 de "German Environmental Specimen Bank (ESB) - Human Samples" namens het Duitse Milieuagentschap (UBA). Elk jaar verzamelt het onderzoeksinstituut bloed- en urinemonsters van 120 vrijwilligers in vier steden in Duitsland. Individuele monsters zijn een waardevol hulpmiddel om de trends in de tijd van menselijke blootstelling aan verontreinigende stoffen in kaart te brengen. "In aanvulling, bloed- en urinemonsters zijn gedoneerd voor het NanoUmwelt-project en in een cryoopslag geplaatst bij Fraunhofer IBMT. We hebben deze monsters gebruikt om onze nieuwe detectiemethode te ontwikkelen, " zegt dr. Dominik Lermen, manager van de werkgroep Biomonitoring &Cryobanken bij Fraunhofer IBMT. Na goedkeuring door de UBA, een deel van de menselijke monsters in het ESB-archief kan ook met de nieuwe methode worden onderzocht.

Nieuwe celcultuurmodellen ontwikkelen

Nanomaterialen komen via verschillende wegen in het milieu terecht, onder meer de riolering. Mensen en dieren nemen ze vermoedelijk op via biologische barrières zoals de longen of de darmen. Het projectteam simuleert deze processen in petrischalen om te begrijpen hoe nanomaterialen over deze barrières worden getransporteerd. "Het is een zeer complex proces waarbij een extreem breed scala aan cellen en weefsellagen betrokken is, ", legt Kohl uit. De onderzoekers repliceren de processen op een zo realistisch mogelijke manier. Dit doen ze door, bijvoorbeeld, het meten van de elektrische stromen binnen de barrières om de functionaliteit van deze barrières te bepalen - of door de interactie tussen longen en lucht te simuleren met behulp van kunstmatige mistwolken. In de eerste fase van het NanoUmwelt-project, het IBMT-team slaagde erin verschillende celcultuurmodellen te ontwikkelen voor het transport van nanomaterialen door biologische barrières. IBMT werkte samen met het Fraunhofer Instituut voor Moleculaire Biologie en Toegepaste Ecologie IME, die pluripotente stamcellen gebruikten om een ​​model te ontwikkelen voor het onderzoeken van cardiotoxiciteit. Empa, de Zwitserse partner in het project, leverde een placenta-barrièremodel voor het bestuderen van het transport van nanomaterialen tussen moeder en kind.

Volgende, de partners willen hun methode gebruiken om de concentraties van nanodeeltjes te meten in een grote verscheidenheid aan milieumonsters. Vervolgens zullen ze de verkregen resultaten analyseren om beter in staat te zijn het gedrag van nanomaterialen in het milieu en hun potentiële gevaar voor de mens te beoordelen, dieren, en het milieu. "Ons volgende doel is om deeltjes in nog kleinere hoeveelheden te detecteren, ", zegt Kohl. Om dit te bereiken, de wetenschappers zijn van plan speciale filters te gebruiken om storende elementen uit de omgevingsmonsters te verwijderen, en ze kijken ernaar uit om nieuwe verwerkingstechnieken te ontwikkelen.