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Gehemmtes Algenwachstum: Nano-Müll könnte Leben im Wasser stören

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Klein, aber oho! Die Industrie schwört auf Nanopartikel als neuen Wunder-Werkstoff. Doch Umweltexperten warnen jetzt vor den Gefahren: Forscher haben gezeigt, dass die Kleinstteilchen das Wachstum von Algen hemmen - und die bilden die Basis für fast alles Leben im Wasser.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Folgen für Ökosysteme Fotos
Corbis

Ihre Struktur ist von einer seltsamen, schlichten Schönheit, auch wenn man diese nicht sehen kann. Unzählige Kohlenstoff-Atome in sechseckiger Anordnung bilden zusammen hauchdünne Röhrchen mit einzigartigen Eigenschaften. Willkommen in der Welt der Nanotechnologie. Die nur einen Tausendstel Mikrometer dünnen Röhrchen werden vor allem gerne zur Verstärkung von Kunststoffen eingesetzt: in Fahrradrahmen zum Beispiel oder in Tennisschlägern. Auch in der Elektrotechnik oder im Flugzeugbau erhoffen sich Ingenieure große Fortschritte durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, abgekürzt CNT.

Bedenken? Nein, meinen die meisten Befürworter der Nanotechnologie. CNT bestehen doch aus reinem Kohlenstoff. Keine Gefahr.

So einfach ist es allerdings nicht. Über die möglichen ökologischen Risiken von Nanoteilchen sind sich Experten nach wie vor uneinig. Mehrere Laborstudien haben Hinweise auf toxische Wirkungen bei unterschiedlichen Organismen erbracht - doch welche Rolle die Kleinstpartikel in der Natur tatsächlich spielen könnten, lässt sich bisher kaum abschätzen. Die beeinflussenden Faktoren sind enorm komplex.

Jetzt hat ein Forscherteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in St. Gallen erstmals untersucht, welchen Einfluss CNT auf aquatische Ökosysteme haben. In einer aktuellen Studie, über die sie im Fachmagazin "Environmental Science and Technology" berichten, kommen sie zu dem Ergebnis: CNT hemmen das Wachstum von Grünalgen.

In Reinform sind CNT extrem hydrophob, also kaum wasserlöslich, erklärt die Empa-Chemikerin Fabienne Schwab auf SPIEGEL ONLINE. "Im natürlichen Umfeld aber werden die Nanopartikel in einem riesigen Cocktail mit verschiedensten Substanzen zusammen sein."

Eine Frage der Wasserlöslichkeit

Das könnte weitreichende Folgen haben: Flüsse und Seen enthalten normalerweise große Mengen mehr oder weniger gut gelöste natürliche organische Substanzen wie Proteinreste und Zellulose, kurz als NOM bezeichnet. Ihre Moleküle lagern sich an die künstlichen Kleinstteilchen an und treten nach außen mit den Wassermolekülen in Wechselwirkung.

So übernimmt das natürliche Material praktisch die Funktion eines Detergens, wie Seife - ein Effekt, den Fabienne Schwab nur zu gut aus dem Labor kennt: "Die Zugabe von NOM ist eine sehr wirksame Methode, um die Kohlenstoff-Nanoröhrchen ohne chemische Modifizierung in Suspension zu bringen." In der Natur heißt das aber: Die Partikel werden bioverfügbarer. Sie können in das Ökosystem eingreifen.

Den potentiellen Einfluss von CNT auf die Nahrungskette untersuchte Schwab gemeinsam mit einem Expertenteam aus verschiedenen Schweizerischen Forschungsinstituten. Die Wissenschaftler kultivierten einzellige Algen der Arten Chlorella vulgaris und Pseudokirchneriella subcapitata in unterschiedlichen CNT-Suspensionen und beobachteten deren Wachstum.

Die Forscher verwendeten dafür reine sowie oxidierte Nanoröhrchen. Bei Letzteren haben sich bestimmte chemische Bausteine wie die sogenannten Hydroxil-Gruppen am Kohlenstoffgitter angehängt. Sie verändern das Reaktionsverhalten der CNT.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen ein deutliches Bild: Ab einer gewissen Konzentration hemmen CNT das Algenwachstum. Dabei ist es von großer Bedeutung, wie gut die Nanoröhrchen im Wasser verteilt sind. Je besser, desto größer die wachstumshemmende Wirkung. Bei 5,5 Milligramm CNT pro Liter ist die Algenproduktion um circa 75 Prozent reduziert. Die oxidierten Partikel haben einen ungefähr doppelt so starken Einfluss wie die unmodifizierte Variante.

Störende Klumpen

Allerdings scheinen die Kohlenstoff-Nanoröhrchen nicht direkt giftig auf die Algen zu wirken. Die Forscher untersuchten die betroffenen Zellen unter ihren Mikroskopen und konnten dabei keine Schäden feststellen. Es schien den Kleinstorganismen relativ gutzugehen, berichtet Fabienne Schwab. Die Ursache für das verringerte Wachstum liegt offenbar woanders.

Zum einen beobachteten die Forscher, wie sich in der Anwesenheit von CNT im Wasser seltsame Klümpchen bildeten - aus Nanoröhrchen und Algenzellen. Wenn die Mikropflanzen aber nicht frei und einzeln schweben können, fangen sie weniger Licht auf, was wiederum deren Photosynthese-Produktivität beeinträchtigt. Abgesehen davon absorbieren gelöste Nanopartikel selbst auch erhebliche Mengen Lichtenergie, wie sich bei weiteren Messungen zeigte. Der dadurch entstehende Schatteneffekt hat ebenfalls einen negativen Einfluss auf das Algenwachstum.

Relevante Beeinträchtigungen traten bei den Versuchen bereits ab CNT-Konzentrationen von ein Milligramm pro Liter auf. Das ist zwar eine hunderttausendfach höhere Konzentration als Modellrechnungen für die bisherigen Maximal-Mengen in der Natur ergeben haben. Derzeit stellten die Nanopartikel also keine Gefahr für Grünalgen dar.

Trotzdem müsse man die CNT im Auge behalten, fordert Schwab. "Die weltweite Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen steigt rasant an." Zurzeit liege sie schon über 1000 Tonnen jährlich, und die Ware sei frei verkäuflich. "Die genaue Produktionsmenge und die gesetzliche Lage sind unklar, der Markt noch unreguliert", sagt Schwab.

Ein weiteres Problem: Es gibt noch keine Messtechnik, mit der sich Nanopartikel-Verschmutzung zuverlässig in der Umwelt nachweisen lässt, auch nicht in den getesteten und für wirksam befundenen Konzentrationen. Die Forschung tappt diesbezüglich also noch im Dunkeln.

Andere Nanoteilchen können den Ergebnissen einer aktuellen chinesischen Studie zufolge sogar dem Erbgut von Einzellern schaden. In diesem Fall wiesen Forscher nach, dass Kupferoxid-Nanopartikel von Blaualgen (Microcystis aerogininosa) durch Poren in die Zellwand aufgenommen werden. Anschließend kam es zur Beschädigung der DNA. Die Anwesenheit von organischen Stoffen im Wasser spielte auch diesmal eine entscheidende Rolle. Sie förderten offenbar die biologische Verfügbarkeit der Kupferoxid-Teilchen.

Einzellige Algen wie Chlorella vulgaris bilden die Nahrungsgrundlage für ganze Ökosysteme. Fachleute bezeichnen sie als Primärproduzenten, weil sie in der Lage sind, aus Sonnenlicht und anorganischer Materie Biomasse zu erschaffen. Sie bilden somit die Basis für das tierische Leben im Wasser, für die ganze Nahrungspyramide der Konsumenten, vom Wasserfloh im Zooplankton bis hin zum Hecht - und natürlich bis hin zum zweibeinigen Fischesser, dem Menschen, an der Spitze.

Steigende CNT-Konzentrationen könnten deshalb zumindest theoretisch eine Reihe ökologischer Auswirkungen haben. Ihre Lebensdauer ist zudem enorm, was zukünftig vermutlich zur Anreicherung führen wird. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind biologisch und chemisch nur sehr schwer abbaubar, erklärt Fabienne Schwab.

Die Teilchen entstehen schließlich auch bei Waldbränden und Vulkanausbrüchen, sagt die Forscherin "Sie können Jahrtausende überdauern." Das bedeutet: "CNT werden wohl noch schwieriger aus der Umwelt zu entfernen sein als konventionelle Chemikalien, ihre Effekte sind heute unklar, und sie dürfen deshalb idealerweise gar nicht erst dorthin gelangen."

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1. Und...
sappelkopp 13.11.2011
...seit wann interessiert die Industrie die Umwelt, das hat sie doch schon oft bewiesen. Die Industrie hat nur ein Interesse: Geld!
2. Zukunft ade
danduin, 13.11.2011
Mit Nanoteilchen werden wir zukünftig unsere Natur völlig zerstören, und das für den wirtschaftlichen Profit von wenigen Unternehmen. Wir berauben uns unserer eigenen Lebensgrundlage. Eigentlich müßten wir unseren Planeten überwache, und Unternehmen in Ihre Schranken verweisen, sobald sie die Umwelt beeinträchtigen oder wie in diesem Fall zerstören. Damit wir unsere Lebensgrundlage behalten und auch die Mehrzahl der Unternehmen erhalten, müßten wir die wirtschaftlichen Grundlagen sichern und erhalten. Die wirtschaftlichste Grundlage überhaupt, ist nunmal ein stabiles Ökosystem. Die Menschheit und mit dieser die Unternehmen selbst werden sich selbst zerstören und wir werden sie nicht aufhalten, da uns kurzfristiger persönlicher Reichtum wichtiger ist, als das Wohlergehen dessen was wir erschaffen haben.
3. Zukunft ade
danduin, 13.11.2011
Mit Nanoteilchen werden wir zukünftig unsere Natur völlig zerstören, und das für den wirtschaftlichen Profit von wenigen Unternehmen. Wir berauben uns unserer eigenen Lebensgrundlage. Eigentlich müßten wir unseren Planeten überwache, und Unternehmen in Ihre Schranken verweisen, sobald sie die Umwelt beeinträchtigen oder wie in diesem Fall zerstören. Damit wir unsere Lebensgrundlage behalten und auch die Mehrzahl der Unternehmen erhalten, müßten wir die wirtschaftlichen Grundlagen sichern und erhalten. Die wirtschaftlichste Grundlage überhaupt, ist nunmal ein stabiles Ökosystem. Die Menschheit und mit dieser die Unternehmen selbst werden sich selbst zerstören und wir werden sie nicht aufhalten, da uns kurzfristiger persönlicher Reichtum wichtiger ist, als das Wohlergehen dessen was wir erschaffen haben.
4. Sofort abschaffen!
LuiW 13.11.2011
Zitat von sappelkopp...seit wann interessiert die Industrie die Umwelt, das hat sie doch schon oft bewiesen. Die Industrie hat nur ein Interesse: Geld!
Stimmt. Am besten schaffen wir die Industrie ganz ab und kehren ins vorindustrielle Zeitalter zurück! Was war das Leben damals doch schön: keine Autos, Flugzeuge und Fabriken, die die Luft verpesten, keine Pharmaindustrie, die uns mit Pillen vergiftete und die Kirche hatte auch noch was zu sagen!
5. Naiver Kommentar
danduin, 13.11.2011
Zitat von LuiWStimmt. Am besten schaffen wir die Industrie ganz ab und kehren ins vorindustrielle Zeitalter zurück! Was war das Leben damals doch schön: keine Autos, Flugzeuge und Fabriken, die die Luft verpesten, keine Pharmaindustrie, die uns mit Pillen vergiftete und die Kirche hatte auch noch was zu sagen!
Blödsinn, keiner sagt abschaffen,aber es müssen Vorsichtsmaßnahmen und Regeln geschaffen werden, wie bei jeder Technologie. Genauso müssen Regeln her, mit dem Umgang mit unserer Umwelt, die es teilweise schon gibt. Oder trennen sie nicht ihren Müll und werfen Batterien in den Wald? Nur innerhalb dieser Regeln darf ein wirtschaften eines Unternehmens erfolgen, alles andere schädigt alle anderen.
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