Biologische Effekte von Nanoplastik in Farben

Der weltweit hohe Verbrauch von Kunststoffen und die anschließende unkontrollierte Ablagerung auf Deponien und in Gewässern haben erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Obwohl Kunststoffe gegen biologischen Abbau beständig sind, werden größere Kunststoffe in kleinere Stücke umgewandelt, wenn sie in hydrolytischer Umgebung oder unter ultravioletter (UV) Bestrahlung mechanischem Abrieb ausgesetzt werden.

Wenn zerfallene Kunststoffe eine Größe zwischen einem Mikrometer (µm) und fünf Millimetern (mm) erreichen, spricht man von Mikroplastik (MP). Mikroplastik zerfällt weiter, um Nanoplastik (NPs) zu bilden, die eine Größe von weniger als 1.000 Nanometern (nm) haben.

Lernen: Entflechtung biologischer Wirkungen primärer Nanokunststoffe von Zusatzstoffen in Dispersionsfarben. Bildnachweis: RHJPhotos / Shutterstock.com

Hintergrund

Primäre NPs werden für verschiedene Funktionen synthetisiert, beispielsweise als zusätzliche Inhaltsstoffe in wasserbasierten Dispersionsfarben und Peelings in Kosmetika. Obwohl der Einsatz von NP in Kosmetika rückläufig ist, werden jährlich etwa 17 Millionen Tonnen NP in wässrigen Dispersionsfarben für Bautenanstriche verwendet.

Ozeane werden auch durch Sekundär-MPs verschmutzt, die durch Farbabrieb von Schiffsrümpfen entstehen. Die Umwelt wird auch mit sekundären MPs von Straßenmarkierungen und Abrieb auf den Außenflächen von Gebäuden belastet.

In wässrigen Dispersionsfarben liegt ein komplexes Gemisch aus anorganischen und polymeren NPs und MPs vor. Diese Verbindungen stellen eine geeignete Farbviskosität, keine Tropfeneigenschaft und kolloidale Stabilität bereit.

In den meisten weißen Farben werden Titandioxid (TiO2)-NPs hinzugefügt, die im Winter aus gestrichenen Fassaden freigesetzt werden. Viele Modellorganismen, darunter der Krustentier-Wasserfloh (Dapnia magna), haben nach Exposition gegenüber TiO2-NPs nachteilige Wirkungen gezeigt.

Die toxische Wirkung von TiO2-NPs wird durch synergistische Effekte mit anderen Verbindungen wie Cadmium- und Zinkionen, Benzophenon und Parabenen verstärkt, wenn sie vom Organismus aufgenommen werden.

NPs werden von verschiedenen Organismen aufgenommen, hauptsächlich durch Adsorption an ihren Oberflächen und Aufnahme. Dies führt zur Bioakkumulation und Biomagnifikation von NPs in zahlreichen Organismen.

Mehrere In-vivo- und In-vitro-Studien haben gezeigt, dass NPs Entzündungen induzieren, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) produzieren und zytotoxisch sind. Daher ist es zwingend erforderlich, die Wirkung von in Dispersionsfarben enthaltenen Verbindungen auf Organismen zu bestimmen.

Die Wirkung von gelösten Polymeren in Farben wurde nicht bewertet, da sie aufgrund ihrer Kettenlänge ungiftig sind.

Über das Studium

Ein kürzlich Ökotoxikologie und Umweltsicherheit Studie analysierte die Lackzusammensetzung und ihre biologischen Eigenschaften, da Lacke Polymere und Partikel in die Umwelt abgeben. Einige der üblichen Komponenten von Farben umfassen anorganische und polymere NPs, gelöste Polymere und Metalloxid-MPs.

Die aktuelle Studie bewertete die Wirkung jeder Farbfraktion auf zellulärer Ebene unter Verwendung von murinen Fibroblasten wie L929-Zellen und D. magna, was ein häufiger Indikator für Umwelttoxizität ist. Zur Bestimmung der Wirkung von Farbfraktionen wurden die beiden vorgenannten Organismen unterschiedlichen Konzentrationen von Farbfraktionen ausgesetzt. Zellstoffwechselfunktionen und Immobilität von D. magna wurden ebenfalls bewertet.

Als mögliche Vertreter für Haushaltsanwendungen wurden zwei Wandfarben (Farbe 1 und Farbe 2) ausgewählt. Farbe 1 wurde zum Streichen von Wänden verwendet, während Farbe 2, die eine verringerte Tropfeneigenschaft aufwies, zum Streichen von Decken verwendet wurde. Diese Farben wurden basierend auf ihren Komponenten ausgewählt, zu denen TiO2, Siliziumdioxid, Calciumcarbonat (CaCO3) und Polyacrylate gehörten, die alle üblicherweise in den meisten Farben vorhanden sind.

Studienergebnisse

Das Zeta-Potential zeigte eine kolloidale Stabilität und seine mögliche Wechselwirkung mit dem biologischen System an. Die Komponenten von Lack 1 zeigten bei allen getesteten pH-Werten ein negatives Zetapotential.

Außerdem wurde eine kolloidale Instabilität bei pH 3 mit -5 mV Zetapotential beobachtet. Die Erhöhung der Salzkonzentration erhöhte auch die kolloidale Instabilität.

NPs mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 98 nm zeigten kolloidale Stabilität. Das Zetapotential von Farbe 2 war vergleichbar mit dem von Farbe 1.

Mit Farbfraktionen verbundene Toxizitätsgrade wurden unter Verwendung des D. magna-Modells bestimmt. Dieses Experiment, bei dem beide Farben unabhängig voneinander verwendet wurden, ergab, dass die mittlere effektive Konzentration (EC50) der Farben 50 % von D. magna immobilisieren konnte, wenn sie 48 Stunden lang kontinuierlich exponiert wurde.

Weiterhin wurde über die nachteilige Wirkung von Polyacrylaten auf Organismen berichtet. Das gelöste Copolymer von Farbe 2 reicherte sich im Darm der Daphnien an, was zu einem Darmverschluss führen konnte.

Dieser Befund weist stark auf die mögliche toxische Exposition von Meeresorganismen gegenüber gelösten Polymeren hin.

Zusätzlich wurden Komponenten von Farbe 1 auf dem Panzer von D. magna adsorbiert.

Ein MTT-Zellproliferationsassay mit murinen Fibroblasten zeigte die metabolische Aktivität von Zellen, die Farbfragmenten ausgesetzt waren, und demonstrierte so ihre Vitalität. Umgekehrt wurde die Lebensfähigkeit der L929-Zellen stark durch nanoskalige Komponenten von Farben mit moderaten Zeta-Potentialen beeinflusst.

Schlussfolgerungen

Das In-vivo-Experiment zeigte, dass gelöste Polymere D. magna signifikant beeinflussten. CaCO3- und TiO2-NP-Exposition führte zu einer verminderten Zellvitalität.

Eine signifikante Verringerung der metabolischen Aktivität von L929-Zellen, die Metalloxiden und Plastik-NPs ausgesetzt waren, wurde ebenfalls beobachtet.

Zusammengenommen können Dispersionsfarben unterschiedliche biologische Reaktionen in Organismen und Zellen hervorrufen. In Zukunft sollen innovative Lackformulierungen entwickelt werden, um deren negative Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren.

Referenz:

• Müller, KA, Brehm, J., Völkl, M., et al. (2022) Abgrenzung biologischer Wirkungen primärer Nanokunststoffe von Zusatzstoffen in Dispersionsfarben. Ökotoxikologie und Umweltsicherheit 242. doi:10.1016/j.ecoenv.2022.113877

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