Nanomaterialer i miljøet – den lille forskel

Anders Baun

Professor i risikovurdering af nanomaterialer

Hvad er “nano”?

Definition af nanomaterialer

At nanoscale the physical, chemical and biological properties of materials

differs in fundametal and valuable ways from bulk properties and

individual atoms Definition: National Nanotechnology Initiative (USA), Strategy Plan, Dec 2004

Nanomaterial: nano-scale AND added functionality due to the scale

Altså: En lille størrelse (1-100 nm) OG en ekstra (evt. tidligere ukendt)

funktionalitet på grund af størrelsen

Kommissionens anbefaleded NM

definition – 18 Okt, 2011

A natural, incidental or

manufactured material

containing particles, in an

unbound state or as an

aggregate or as an

agglomerate and where, for

50 % or more of the

particles in the number size

distribution, one or more

external dimensions is in the

size range 1 nm - 100 nm.

Nanomaterialer har været brugt i

mange år • 3 nm Pt, Pd og Rh nanopartikler

• Omdanner skadelige udstødingsgasser til ufarlige

CO+O2→CO2

CxHy+O2→CO2+H2O

NO+CO→N2+CO2

Metal ”bitavle”’

Bilkatalysator

Al2O3 bæremateriale

Rhodium Platin

Ce-Zr Oxide

iNANO, University of Aarhus

Nanomaterialer har været brugt i

mange år

Og der har været fokus på miljørisici de

seneste 10 år

… men hvordan er det nu…?

”Udgør de egentlig en miljørisiko

eller hva´?”

FIND 5 FEJL

NANOMATERIALER OG MILJØRISIKO

NanoDen

Hartmann, Skjolding, Hansen,

Kjølholt, Gottschalck, Baun

Predicted environ-

mental concentrations

Predicted

No-effect

concentrations

Risk

Assessment

2015

1 2

3 4

Nanomaterialer i miljøet

– en risiko?

Generic modelling &

ecotox extrapolations:

Hold øje med:

Cu(X)

Ag

Miljørisikovurdering af nanomaterialer

i Danmark

Nanomaterial Sewage treatment plant effluent Surface water, fresh

"Average"1 "High end"2 "Average"1 "High end"2

TiO2 (p-stable) Risk unlikely Risk possible Risk very unlikely Risk very unlikely

TiO2 (p-cat.) Risk very unlikely Risk unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely

ZnO Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely

Ag Risk very unlikely Risk possible Risk very unlikely Risk very unlikely

CNT Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely

CuO Risk possible3 Risk likely3 Risk very unlikely3 Risk very unlikely3

nZVI (Risk very unlikely)4 (Risk very unlikely)4 (Risk very unlikely) (Risk very unlikely)

CeO2 Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely Risk very unlikely

QD (Risk very unlikely) (Risk very unlikely) (Risk very unlikely) (Risk very unlikely)

CB (Risk possible) (Risk possible) Risk very unlikely Risk very unlikely 1 Average = Based on most probable exposure concentration (modelled) 2 High end = High end of 95% confidence interval of modelled exposure concentrations 3 Theoretical (worst case) scenario 4 Scenario irrelevant

NanoDen – COWI, DTU Miljø, SMC

… men - usikkerhed vedrørende

Eksponering Effekter (økotoksikologi)

Nano-økotoksikologi – et videnskabeligt emne under hastig udvikling

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o

p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

n a n o

p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

n a n o

p a r t i c l e s

- den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o p a r t i c l e s

n a n o

p a r t i c l e s

- den lille forskel

Fysiske

effekter

Opløselighed

Optag/afgivelse

Kendt virke-

måde for NP

Skjolding, L.M., Sørensen, S.N., Hartmann, N.B., Hjorth, R., Hansen, S.F., Baun, A. (2016) A Critical Review of Aquatic

Ecotoxicity Testing of Nanoparticles – The Quest for Disclosing Nanoparticle Effects: Angewandte Chemie

doi: 10.1002/anie.201604964

Er der nano-specifikke effekter?

Fysiske

effekter

Opløselighed

Optag/afgivelse

Kendt virke-

måde for NP

T!

C!

Skjolding, L.M., Sørensen, S.N., Hartmann, N.B., Hjorth, R., Hansen, S.F., Baun, A. (2016) A Critical Review of Aquatic

Ecotoxicity Testing of Nanoparticles – The Quest for Disclosing Nanoparticle Effects: Angewandte Chemie

doi: 10.1002/anie.201604964

Er der nano-specifikke effekter?

Omdannelsesprocesser foregår

under testningen

Dispersion Dissolution

Agglomeration / Aggregation

Sedimentation

Absorption In situ functionalization

Biomodification

Sørensen, Hjorth, Delgado, Hartmann, Baun (2015) Nanoparticle ecotoxicity – physical and/or chemical effects? Integrated Environmental Assessment and Management, 11, 722-724 - den lille forskel

Tab af kontrol…

Partikler

Ikke opløste

Partikler opfører sig ikke ”pænt””

Koncentationer (!)

Fortynding…

Test medier

Organismer

Tid!

Ikke ligevægt

Ukontrollerbare dynamiske ændringer af vigtige

parametre under testingen

Effekt = f(konc|t,org,medie) ?

- den lille forskel

Før, under og efter - kontrollér og beskriv…

Hartmann, N.B., Engelbreckt, C., Zhang, J., Ulstrup, J., Kusk, K.O., Baun, A., 2013. The challenges

of testing insoluble metal and metal oxide nanoparticles in algal bioassays: titanium dioxide and gold

nanoparticles as case studies. Nanotoxicology DOI: 10.3109/17435390.2012.710657

Effekt = f(konc|(tid, organisme, medie) …?

- den lille forskel

TiO2 nanopartikler i algetest

flere spørgsmål end svar?

Figure 3. Encapsulation of algal cells (Pseudokirchneriella subcapitata) exposed to TiO2 nanoparticles. A: Scanning electron microscopy (SEM) image of an algal cell after exposure to 50 mg/L TiO2 in ISO algal test media for 48 h. B: Corresponding SEM-EDX dot map shows the distribution of Ti. It can be seen that the TiO2 nanoparticles cover the surface of the algae (Modified from Hartmann et al., 2010 – Paper I). C: Transmission electron microscopy (TEM) images showing the formation of algae-particle heteroaggregates (scale bar: 2 μm). (Modified from Hartmann et al., 2011b – Paper IV)

C

A B

Hvad er den egentlige

eksponering/dosis? Giver

det mening at snake om

vandfase koncentrationer?

Hvordan måler man egentlig

om algerne er hæmmede?

Alger udskiller stoffer

(exudater) – er det dem der får

det hele til at klumpe

sammen?

Sker der en skygning på

celleniveau?

Hartmann et al.,2013, Nanotoxicology, 7(6)1082-1094.

Hartmann et al., 2010, Toxicology, vol 269, pp. 190-197 - den lille forskel

Fysiske eller “kemiske” effekter?

Figure 4. Uptake and adhesion of nanoparticles in crustaceans. A1 & B1: C60 and TiO2 is seen in the digestive tract of Daphnia magna after 48 hour exposure to 3 mg/L nC60 and 40.5 mg/L TiO2 prepared by prolonged stirring in indirect sunlight and sonication respectively. A2, B2 & C2.: Adhesion of nanoparticles to the exoskeleton of D. magna and Acartia tonsa (Modified from Baun et al. Scale bars correspond to 200 μm. (2008a – Paper VI)).

Attachment to

the organisms

can impair

movement

Accumulation in

the gut can

reduce food

uptake

Baun et al., 2008, Ecotoxicology, vol. 17, no. 5, pp. 387395 - den lille forskel

E C O

T O X

I C I T Y

n a n o

s p e c i f i c

Hvordan får jeg mit syn tilbage?

Fysiske

effekter

Opløselighed

Optag/afgivelse

Kendt virke-

måde for NP

T!

C!

Skjolding, L.M., Sørensen, S.N., Hartmann, N.B., Hjorth, R., Hansen, S.F., Baun, A. (2016) A Critical Review of Aquatic

Ecotoxicity Testing of Nanoparticles – The Quest for Disclosing Nanoparticle Effects: Angewandte Chemie

doi: 10.1002/anie.201604964

Er der nano-specifikke effekter?

Anerkend at “den lille forskel” indebærer, at

and account for the confounding factors…

Baalousha & Lead (2013). Nature Nanotechnology, 8, 308-309

Baun, et al. (2008).. Ecotoxicology, 17 (5), 387-395

Hartmann et al.. (2013)..Nanotoxicology DOI: 10.3109/17435390.2012.710657

.

EnvNano

Effect = f(konc.,tid, organisme, medie etc)

Hvordan får jeg mit syn tilbage?

Formål:

At dokumentere de

mekanismer, der er involverede

i algevæksthæmning af platin-

nanopartikler i standard test til

farlighedsidentifikation

- og beskriv, beskriv, beskriv…

Exposure concentration

Response

”… dejligt for forskerne, men hvad

gør vi i mellemtiden?”

”Hvad er farligt?” – find 5 fejl (EEA, 2001)

Nyt

Vidtspredt (mobilt)

Bioakkumulerbart

Persistent

Irreversible effekter (fx toksicitet)

FIND 5 FEJL

NANOMATERIALER OG MILJØRISIKO

Nanomaterialer i produkter

– er det farligt?

Nanodb.dk

Nanodb.dk

Nanomaterialer i produkter

– er det farligt?

Nanomaterialer i miljøet – en risiko?

– den lille forskel