Silver particles have an antibacterial and anti-inflammatory effect. As a result, they are used widely, for example as coatings for wound dressings, as odour inhibitors in sportswear, and in food packaging. From there, they are regularly released into the environment. "When sportswear is washed, in each wash 50 per cent of the silver particles contained in it are released into the water," says Professor Kristina Tschulik, a chemist in the Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence at RUB. "They ultimately end up in the sea." What happens to them there is still largely unknown.
This is because the tiny particles, which are only a few nanometres in size, are difficult to examine - especially when they are present in low concentrations in a complicated environment such as seawater. "There are many sources of interference here, such as salts and algae," explains Tschulik. Conventional methods for analysing nanoparticles cannot cope with this because they only work in a high vacuum.
Testing of anti-breath odour spray
Kristina Tschulik's Research Group for Electrochemistry and Nanoscale Materials has developed a new process that changes this. It can detect individual nanoparticles in solution and analyse what happens to them. For this purpose, they combined a previously established electrochemical method with a spectroscopic technique.
To show that the method is robust against sources of interference, the researchers used water samples from an untouched Canadian fjord in the first step. Although this water contained salts, algae and other interfering factors, it did not contain any industrial impurities.
These were added by the researchers themselves in the laboratory: they bought a silver nanoparticle spray on the Internet, which was sold to disinfect cutlery and as a remedy for bad breath in dogs. They sprayed this into the fjord water and used the electrochemical method to investigate whether they could detect the particles - which they could.
Using the combined spectro-electrochemical method, the chemists analysed in further studies what happens to silver particles in salty water. It had previously been assumed that they would dissolve in the water.
Particles clump together
This assumption could not be confirmed; the particles clump together and transform to silver chloride. "They would therefore sink to the bottom and sediment," concludes Tschulik. "Hence, they would be removed from the seawater, but we would then have to consider what long-term consequences these heavy metal deposits could have for marine inhabitants living near the bottom."
The more we use nanoparticles, the more important it is for us to be able to assess their effects.
- Kristina Tschulik
Because there was no previous method for studying nanoparticles in such complex environmental media, little is known about their impact on the environment. "We should not panic based on such an individual result," says Kristina Tschulik, recalling that different nanoparticles can behave very differently, so it is not possible to apply the results of few studies to all nanoparticles. But: "The more we use nanoparticles, the more important it is for us to be able to assess their effects," the researcher adds.
No obligation to monitor so far
This would be possible with the method used by Tschulik's group - not only in seawater, but also, for example, in process wastewater from industrial companies. "But, as long as there are no established measuring techniques and no legal obligations to detect nanoparticles, most companies will, of course, not do so," explains Tschulik. Should the legislator introduce such monitoring, a sensor for measuring them would already be available.
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Silbernanopartikel – ein Problem für die Umwelt?
Bislang hat es keine Methode gegeben, um den Einfluss der Partikel zu untersuchen. Erste Ergebnisse mit einem neuen Verfahren zeigen, dass sich die Teilchen anders verhalten als gedacht.
Silberteilchen wirken antibakteriell und entzündungshemmend. Daher sind sie mittlerweile vielfältig im Einsatz, zum Beispiel als Beschichtung von Wundauflagen, als Geruchshemmer in Sportkleidung oder auch in Verpackungen von Lebensmitteln. Von dort gelangen sie regelmäßig in die Umwelt. "Wenn Sportkleidung gewaschen wird, lösen sich pro Waschgang 50 Prozent der enthaltenen Silberpartikel im Wasser", sagt Prof. Dr. Kristina Tschulik, Chemikerin im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation an der RUB. "Letztendlich landen sie im Meer". Was dort mit ihnen passiert, ist bislang weitestgehend unbekannt.
Das liegt daran, dass die winzigen Partikel von wenigen Nanometern Größe schwer zu untersuchen sind - erst recht, wenn sie in geringer Konzentration in einer komplizierten Umgebung wie dem Meerwasser vorliegen. "Hier gibt es viele Störquellen wie Salze oder Algen", erklärt Tschulik. Herkömmliche Methoden zur Analyse von Nanopartikeln kommen damit nicht zurecht, denn sie funktionieren meist im Hochvakuum.
Anti-Mundgeruch-Spray im Test
Kristina Tschuliks Arbeitsgruppe für Elektrochemie und Nanoskalige Materialien hat ein neues Verfahren entwickelt, das das ändert. Es kann einzelne Nanopartikel in Lösung aufspüren und analysieren, was dort mit ihnen passiert. Dazu kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein zuvor etabliertes elektrochemisches Verfahren mit einer spektroskopischen Methode.
Dass das Verfahren robust gegenüber Störquellen ist, zeigten die Forscherinnen und Forscher in einem ersten Schritt mit Wasserproben aus einem unberührten kanadischen Fjord. In diesem Wasser waren zwar Salze, Algen und andere Störfaktoren enthalten, aber keine industriellen Verunreinigungen.
Diese fügten die Forscherinnen und Forscher im Labor selbst hinzu: Sie kauften ein Silbernanopartikel-Spray im Internet, das für die Desinfektion von Besteck und als Mittel gegen Mundgeruch bei Hunden angeboten wurde. Dieses sprühten sie in das Fjord-Wasser und untersuchten mit der elektrochemischen Methode, ob sie die Partikel detektieren konnten. Das gelang.
Mit der kombinierten spektro-elektrochemischen Methode analysierten sie in weiteren Studien, was mit Silberpartikeln in salzhaltigem Wasser passiert. Bislang war man davon ausgegangen, dass die Partikel als Silberionen im Wasser gelöst werden.
Partikel verklumpen
Diese Annahme bestätigte sich nicht; stattdessen verklumpten die Partikel und reagierten zu Silberchlorid. "Sie würden also vermutlich zu Boden sinken und sedimentieren", folgert Tschulik. "Dann sind sie zwar aus dem Meerwasser entfernt, aber man müsste überlegen, welche langfristigen Folgen diese Schwermetallablagerungen für Meeresbewohner haben könnten, die in Bodennähe leben."
Je mehr wir Nanopartikel einsetzen, desto wichtiger ist es, dass wir ihre Auswirkungen abschätzen können.
- Kristina Tschulik
Weil es zuvor kein Verfahren gab, mit dem sich Nanopartikel in natürlichen Umgebungen untersuchen lassen, ist wenig über ihre Einflüsse auf die Umwelt bekannt. "Basierend auf einem solchen einzelnen Ergebnis sollte man nicht in Panik verfallen", meint Kristina Tschulik und erinnert daran, dass verschiedene Nanopartikel sich sehr unterschiedlich verhalten können - man kann also nicht aus wenigen Studien auf sämtliche Nanopartikel schließen. Aber: "Je mehr wir Nanopartikel einsetzen, desto wichtiger ist es, dass wir ihre Auswirkungen abschätzen können", ergänzt die Forscherin.
Bislang keine Kontrollpflicht
Mit der Methode von Tschuliks Gruppe wäre das möglich - nicht nur im Meerwasser, sondern zum Beispiel auch im Prozessabwasser von Industrieunternehmen. "Solange es jedoch keine etablierten Messmethoden und folglich keine gesetzliche Pflicht gibt, solche Partikel nachzuweisen, tun die Firmen das natürlich auch nicht", weiß Tschulik. Sollte der Gesetzgeber eine solche Kontrollpflicht einführen, ist die Basis zum Bau geeigneter Sensoren jetzt vorhanden.