Generell wird davon ausgegangen, dass sich Titandioxid (TiO2) -Partikel (unabhängig von ihrer Größe) nicht auflösen, somit ist von einem Verbleib des TiO2 in partikulärer Form in der Umwelt auszugehen. Studien zum Umweltverhalten von TiO2 Nanopartikeln wurden unter drei Hauptaspekten durchgeführt: (1) Einfluss von Umweltbedingungen auf das Vorliegen und die Mobilität der Partikel, (2) Bindung von Umweltkontaminanten durch die Partikel und (3) Einfluss der Partikel auf Prozesse in der Umwelt.

 

(1) Studien zum Einfluss von Umweltbedingungen auf die Mobilität beschäftigen sich insbesondere mit natürlich in Boden oder Wasser vorkommenden Substanzen und ihrer Interaktion mit den Nanopartikeln. Dabei geht es besonders um den Einfluss auf die Agglomeration, sowie die Stabilität und Ablagerung der Partikel. Zu den natürlichen Stoffen gehören organische Materialien (Abbauprodukte von Pflanzen oder Tieren), wie Humin- oder Fulvinsäuren, welche in allen Gewässern und Böden zu unterschiedlichen Anteilen enthalten sind.

In den meisten Fällen führt eine Bindung solcher Materialien an TiO2 zu einer Stabilisierung der Partikelsuspension und verhindert deren Agglomeration [1,2,3,4,5,6,7]. Das führt dazu, dass Partikel eher im Wasser „schweben“, dadurch beweglich bleiben und nicht absinken. Die Stabilisierung durch organische Materialien erfolgt weitgehend unabhängig von pH-Wert und Salzgehalt der Umgebung, d.h. unter verschiedensten Umweltbedingungen. Proteine haben einen den organischen Materialien vergleichbaren Effekt, indem sie eine Agglomeration ebenfalls wirksam verhindern [8].

Bestimmte Substanzen (organische Säuren, z.B. Oxalsäure) können jedoch auch gegenteilige Effekte haben bzw. keinen stabilisierenden Einfluss ausüben [9]. Mineralien oder Salze erhöhen ebenfalls die Agglomeration der Partikel [10] und verringern ihre Beweglichkeit [1].

Das Verhalten der Partikel wird auch von den chemischen und physikalischen Eigenschaften beeinflusst. So können Verunreinigungen (z.B. Rückstände aus der Herstellung) einen Einfluss auf die Oberflächenladung und damit das Verhalten der Partikel haben [11,5]. Die verschiedenen kristallinen Strukturen des TiO2 bzw. verschiedene Formen und Größen hingegen haben laut den vorliegenden Studien keinen Einfluss auf Sedimentation und Agglomeration der Partikel.

 

(2) Neben den natürlichen organischen Stoffen können auch anorganische Stoffe an Titandioxid-Partikel binden und dadurch ihr Verhalten in der Umwelt und ihre Wirkung auf Umweltorganismen beeinflussen. Titandioxid-Partikel können giftige Schwermetalle wie Cadmium und Arsen binden [12,13,14].

Karpfen, die Cadmium- bzw. Arsen-haltigem Wasser mit Titandioxidpartikeln ausgesetzt waren, nahmen mehr Cadmium und Arsen auf als Karpfen in partikelfreiem Wasser [13,14]. Bei Algen hingegen war dieser Effekt nicht zu beobachten, weil Algen die Cadmium-beladenen Partikel nicht aufnehmen [12]. Arsen wird durch die photokatalytische Wirkung des TiO2 in eine weniger giftige Form umgewandelt [15]. Ebenso wurde eine erhöhte Bindung von Phosphor an TiO2 beschrieben [16].

Somit können TiO2-Nanopartikel prinzipiell zahlreiche Stoffe binden und die Verfügbarkeit für Organismen erhöhen. Ob TiO2 auch unter Freilandbedingungen einen signifikanten Einfluss auf die Verfügbarkeit anderer Schadstoffe hat, wurde noch nicht untersucht.

 

(3) TiO2-Nanopartikel können auch Einfluss auf Prozesse in der Umwelt nehmen, indem sie beispielsweise die Eigenschaften von Sedimenten hinsichtlich Oberfläche, Porengröße und Bindungsfähigkeit für andere Stoffe verändern [16]. Auswirkungen könnten z.B. eine erhöhte Bindung von Nährstoffen in TiO2 belasteten Böden sein, genauere Folgen einer TiO2-Anreichung sind jedoch noch unerforscht.

Auch Wasserreinigungs-Prozesse in Kläranlagen können durch hohe TiO2-Konzentrationen beeinflusst werden. So sind Auswirkungen auf die Entfernung von Stickstoffverbindungen beschrieben [17].

 

Literatur arrow down

  1. Ben-Moshe, T et al. (2010), Chemosphere, 81(3): 387-393.
  2. Domingos, RF et al. (2009), Environ Sci Technol, 43(5): 1282-1286.
  3. Keller, AA et al. (2010), Environ Sci Technol, 44(6): 1962-1967.
  4. Thio, BJ et al. (2011), J Hazard Mater, 189(1-2): 556-563.
  5. Von Der Kammer, F et al. (2010), Environ Pollut, 158(12): 3472-3481.
  6. Yang, K et al. (2009), Langmuir, 25(6): 3571-3576.
  7. Zhang, Y et al. (2009), Water Res, 43(17): 4249-4257.
  8. Allouni, ZE et al. (2009), Colloids Surf B Biointerfaces, 68(1): 83-87.
  9. Pettibone, JM et al. (2008), Langmuir, 24(13): 6659-6667.
  10. French, RA et al. (2009), Environ Sci Technol, 43(5): 1354-1359.
  11. Liu, X et al. (2011), J Colloid Interface Sci, 363(1): 84-91.
  12. Hartmann, NB et al. (2010), Toxicology, 269(2-3): 190-197.
  13. Sun, H et al. (2009), Environ Pollut, 157(4): 1165-1170.
  14. Zhang, X et al. (2007), Chemosphere, 67(1): 160-166.
  15. Pena, ME et al. (2005), Water Res, 39(11): 2327-2337.
  16. Luo, Z et al. (2011), J Hazard Mater, 192(3): 1364-1369.
  17. Zheng, X et al. (2011), Environ Sci Technol, 45(17): 7284-7290.

 

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