Development of a method to determine the bioaccumulation of manufactured nanomaterials in filtering organisms (Bivalvia)

SCHLECHTRIEM, Christian, Burkhard KNOPF und Sebastian KÜHR, 2020. Development of a method to determine the bioaccumulation of manufactured nanomaterials in filtering organisms (Bivalvia) [online]. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt. Texte, 18/2020. Verfügbar unter: https://openumwelt.de/handle/123456789/5468

Zusammenfassung deutsch

Immer größer werdende Mengen an synthetischen Nanomaterialien (MNMs) werden für den industriellen Einsatz produziert und können während der Produktion, dem Einsatz der Produkte, sowie bei deren Entsorgung in die Umwelt gelangen. MNM mit hohen Produktionsvolumina unterliegen einer Bioakkumulationsbewertung im Rahmen der EU REACH Verordnung, um potentielle Umweltbelastungen abschätzen zu können. Die hierbei für die Chemikalienbewertung klassischerweise verwendeten Methoden, etwa Durchflussstudien mit Fischen gemäß OECD TG 305, sind für das Testen von MNMs in aquatischen Medien jedoch nur bedingt geeignet. So neigen die meisten MNMs dazu in aquatischen System nur metastabile Suspensionen zu bilden und direkt nach dem Eintreten in das Medium oder im zeitlichen Verlauf zu sedimentieren. Eine konstante homogene Exposition im Testsystem wird somit stark erschwert. Für Corbicula fluminea, eine weit verbreitete Süßwassermuschel, wurde bereits in früheren Studien gezeigt, dass sie MNMs aus der Wasserphase durch Filtration aufnehmen kann. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Eignung von C. fluminea für Bioakkumulationsstudien mit MNMs geprüft. Hierzu wurde ein neues Durchflusssystem entwickelt, welches eine konstante und homogene Exposition von MNMs ermöglicht. Zur Überprüfung wurden synthetische Nanomaterialien gewählt, welche jeweils MNMs mit bestimmten Eigenschaften repräsentieren. Das Silbernanopartikel NM 300K (AgNP) wurde als Repräsentant der Gruppe der gut dispergierbaren und ionenfreisetzenden MNMs getestet und mit AgNO3 als nicht nanopartikuläre Form desselben Elements verglichen. NM 105, ein Titandioxid NP, wurde für die Gruppe der nicht ionenfreisetzenden MNMs getestet. Für die Gruppe der MNMs, welche auf organischen Polymeren basieren, wurde das Polystyrol NP Fluoro-MaxTM getestet, welches mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert war. Somit konnte die Aufnahme und Verteilung des NPs im Weichkörper der Muscheln u.a. mittels Fluoreszenzmikroskop untersucht werden. Für die Ag und TiO2 Behandlungen konnten nach Messung der Gewebekonzentrationen BAF bzw. BCF Werte im Konzentrationsgleichgewicht ermittelt werden. BAFss Werte von 31 und 128 für die beiden NM 300K Konzentrationen (0.624 und 6.177 'Mikrogramm'Ag/L) und 6,150 und 9,022 für die beiden NM 105 Konzentrationen (0.099 und 0.589 'Mikrogram'TiO2/L) zeigten, dass BAFss Werte für die untersuchten MNMs abhängig von der jeweiligen Expositionskonzentration sind. Für die AgNO3 Behandlung wurden ebenso konzentrationsabhängige BCFss Werte von 31 und 711 für die höhere und niedrigere Konzentrationen ermittelt. Die Kinetik der gemessenen Partikelkonzentrationen in den Muschelgeweben (sp-ICP-MS) wie auch die ermittelten Distributionsfaktoren für einzelne Kompartimente lieferten Hinweise, dass die untersuchten MNMs zwar aufgenommen, aber nicht inkorporiert wurden. Quelle: Forschungsbericht

Zusammenfassung englisch

Increasing amounts of MNMs are produced for industrial purpose and released to the environment by their usage or disposal of the products. Due to the high production volume MNMs are subject to PBT - assessment to estimate their potential environmental impact. The classical method to elucidate the bioaccumulation potential of chemicals is the flow-through approach with fish according to OECD TG 305 providing a BCF estimate. However, most MNMs tend to sediment in the aquatic environment and are thus difficult to be tested following the established test concept where constant and continous exposure conditions need to be achieved. The freshwater filter feeding bivalve Corbicula fluminea has previously shown to ingest and accumulate MNMs present in the water phase. To investigate the suitability of C. fluminea as test organism for bioacumulation studies we developed a new flow-through system to expose the mussels under constant expsosure conditions. Different MNMs, each having different characteristics were applied to determine their bioaccumulation potential. The silver nanoparticle NM 300K (AgNP) was tested as a well dispersable and ion releasing MNM. In addition, C. fluminea was exposed to AgNO3 as a source of dissolved Ag+ to compare the bioaccumulation of Ag from dissolved and nano particulate sources. The titanium dioxide NP NM 105 was used for testing a non ion releasing MNM and the polystyrene nanoparticle (nPS) Fluoro-MaxTM, containing a fluorescence dye, was tested representing MNMs that are based on organic polymers. The uptake and distribution of nPS in the mussel soft tissue were observed using a fluoresence microscope. Following exposure to metal and metal oxides we were able to determine BAFss and BCFss values. BAFss values of 31 and 128 for two NM 300K concentrations (0.624 and 6.177 'microgram'Ag/L) and of 6,150 and 9,022 for two NM 105 concentrations (0.099 and 0.589 'microgram'gTiO2/L) showed that the BAFss depends on the exposure concentration. Also for AgNO3, concentration depending BCFss of 31 and 711 were estimated for the higher and lower concentration, respectively. The analysis of metals in the soft tissue of previously exposed mussels and the resulting compartment specific distribution factors provide clear indications, that the uptake of NPs was mainly driven by the simple ingestion of NPs rather than the accumulation of dissolved ions. This was supported by the measurement of particle concentrations in mussel tissue using singe particle ICP-MS. Quelle: Forschungsbericht

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