For­schungs­team der Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Par­ti­kel aus all­täg­li­chen Wand­far­ben kön­nen leben­de Orga­nis­men schädigen

Interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Bayreuth stellt fest: Partikel aus alltäglichen Wandfarben können lebende Organismen schädigen August 2022
Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat zwei typische Dispersionsfarben auf ihre chemische Zusammensetzung analysiert und darin sehr viele feste Partikel entdeckt. Mit einer neuartigen, an der Universität Bayreuth entwickelten Membran lassen sich diese Partikel aus dem Wasser herausfiltern, bevor sie in die Umwelt gelangen. Foto: UBT / Chr. Wißler

Par­ti­kel aus all­täg­li­chen Wand­far­ben kön­nen leben­de Orga­nis­men schä­di­gen – Neu­ar­ti­ge Mem­bran zeigt hohe Filterleistung

Für Wand- und Decken­an­stri­che wer­den in Haus­hal­ten mei­stens Disper­si­ons­far­ben ver­wen­det. Ein inter­dis­zi­pli­nä­res For­schungs­team der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat jetzt zwei typi­sche Disper­si­ons­far­ben auf ihre che­mi­sche Zusam­men­set­zung hin ana­ly­siert und dar­in sehr vie­le feste Par­ti­kel ent­deckt, die nur weni­ge Mikro- oder Nano­me­ter groß sind.

Unter­su­chun­gen an bio­lo­gi­schen Test­sy­ste­men erga­ben, dass die­se Par­ti­kel leben­de Orga­nis­men schä­di­gen kön­nen. Mit einer neu­ar­ti­gen, an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­wickel­ten Mem­bran las­sen sich die­se Par­ti­kel aus dem Was­ser her­aus­fil­tern, bevor sie in die Umwelt gelangen.

Inhalts­stof­fe von Dispersionsfarben

Die Bay­reu­ther Stu­die zu den Inhalts­stof­fen der Disper­si­ons­far­ben und ihren mög­li­chen Aus­wir­kun­gen auf leben­de Orga­nis­men ist in der Zeit­schrift „Eco­to­xi­co­lo­gy and Envi­ron­men­tal Safe­ty“ erschie­nen. Sie basiert auf einer engen inter­dis­zi­pli­nä­ren Zusam­men­ar­beit im Son­der­for­schungs­be­reich 1357 „Mikro­pla­stik“ an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Für die Unter­su­chun­gen haben die Wissenschaftler*innen zwei han­dels­üb­li­che, in Haus­hal­ten häu­fig ver­wen­de­te Disper­si­ons­far­ben aus­ge­wählt. Die­se unter­schei­den sich vor allem durch ihre Tropf­ei­gen­schaf­ten, weil sie einer­seits für Wand­an­stri­che und ande­rer­seits für Decken­an­stri­che ent­wickelt wur­den. Die bei­den Far­ben haben einen Fest­stoff­ge­halt von 49 bzw. 21 Gewichts­pro­zent, der orga­ni­sche Anteil liegt bei 57 bzw. sie­ben Gewichts­pro­zent. Cha­rak­te­ri­sti­sche feste Bestand­tei­le im Mikro- oder Nano­me­ter­be­reich sind Par­ti­kel aus Sili­zi­um­di­oxid, Titan­di­oxid und Kal­zi­um­kar­bo­nat sowie Par­ti­kel aus ver­schie­de­nen Kunst­stof­fen, vor allem Polyacrylat.

„Vie­le die­ser win­zi­gen Par­ti­kel gelan­gen zum Bei­spiel durch Abrieb der Farb­schich­ten oder Ver­wit­te­rung in die Umwelt. Unse­re Unter­su­chung zeigt nun: Wenn Pin­sel, Rol­len, Abstreif­git­ter und Eimer, die beim Anstrei­chen von Wän­den und Decken ver­wen­det wur­den, durch Aus­wa­schen von Farb­re­sten gerei­nigt wer­den, kön­nen die Par­ti­kel aus den Disper­si­ons­far­ben in Abwäs­ser und damit auch in die Umwelt gelan­gen. Die Fol­gen für die Umwelt müs­sen gründ­lich unter­sucht wer­den, was ange­sichts der welt­wei­ten Ver­brei­tung von Disper­si­ons­far­ben und ihrer viel­fäl­ti­gen Mate­ri­al­zu­sam­men­set­zung umso drin­gen­der erscheint. Des­halb haben wir uns nicht nur auf die che­mi­sche Unter­su­chung der Farb­kom­po­nen­ten beschränkt, son­dern auch ihre Aus­wir­kun­gen auf leben­de Orga­nis­men und Zel­len unter­sucht“, sagt Prof. Dr. Andre­as Grei­ner, stell­ver­tre­ten­der Spre­cher des Son­der­for­schungs­be­reichs „Mikro­pla­stik“.

Aus­wir­kun­gen auf leben­de Organismen

Für ihre bio­lo­gi­schen Unter­su­chun­gen haben die Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen zwei in der For­schung bewähr­te Test­sy­ste­me aus­ge­wählt: Was­ser­flö­he der Spe­zi­es _​Daphnia magna_​und eine Linie von Maus­zel­len. Maß­geb­lich für die Unter­su­chung der Was­ser­flö­he war ein Test nach OECD-Richt­li­ni­en für die Prü­fung von Che­mi­ka­li­en. Bei die­sem Test wird die Mobi­li­tät der Orga­nis­men betrach­tet. Es stell­te sich her­aus, dass die Beweg­lich­keit der Tie­re deut­lich her­ab­ge­setzt war, wenn das Was­ser einen hohen Anteil an gelö­sten und unge­lö­sten anor­ga­ni­schen Nano- und Mikro­pla­stik­par­ti­keln ent­hielt. Bei den Maus­zel­len ließ sich eine Ver­rin­ge­rung der Zellak­ti­vi­tät fest­stel­len, die gene­rell durch Par­ti­kel im Nano­me­ter­be­reich ver­ur­sacht wur­de. Der Stoff­wech­sel in den Maus­zel­len wur­de ins­be­son­de­re durch Nano­par­ti­kel aus Titan­di­oxid und Kunst­stof­fen erheb­lich gestört.

„Unse­re For­schungs­ar­bei­ten zei­gen, dass die Inhalts­stof­fe von Disper­si­ons­far­ben unter­schied­lich star­ke Reak­tio­nen in Orga­nis­men und Zel­len her­vor­ru­fen kön­nen. Es lässt sich daher nicht aus­schlie­ßen, dass die Inhalts­stof­fe schä­di­gend für die Umwelt sein könn­ten. Wei­te­re Unter­su­chun­gen auf die­sem Gebiet sind drin­gend erfor­der­lich, zumal wir noch viel zu wenig dar­über wis­sen, ob Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen Nano­par­ti­keln aus Kunst­stoff und anor­ga­ni­schen Nano­par­ti­keln zusätz­li­che Schä­di­gun­gen aus­lö­sen kön­nen“, erklärt Prof. Dr. Chri­sti­an Laforsch, Spre­cher des Son­der­for­schungs­be­reichs „Mikro­pla­stik“. „Es ist eben­so eine noch weit­ge­hend unge­klär­te Fra­ge, wie die Inhalts­stof­fe von Disper­si­ons­far­ben in ver­schie­de­nen Umwelt­kom­par­ti­men­ten – bei­spiels­wei­se in der Luft, im Boden oder in Flüs­sen – mit ande­ren Stof­fen wech­sel­wir­ken. Schon heu­te ist aber klar, dass Disper­si­ons­far­ben nicht acht­los in der Umwelt ent­sorgt wer­den soll­ten“, sagt Prof. Dr. Ruth Frei­tag, Inha­be­rin des Lehr­stuhls für Bio­pro­zess­tech­nik an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Eine neu­ar­ti­ge Mem­bran mit hohen Filterleistungen

Interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Bayreuth stellt fest: Partikel aus alltäglichen Wandfarben können lebende Organismen schädigen August 2022

Elek­tro­spinn­an­la­ge am LS Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie II, Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Foto: UBT / Chr. Wißler

Par­al­lel zu den Unter­su­chun­gen von Disper­si­ons­far­ben und ihren mög­li­chen Aus­wir­kun­gen haben sich Forscher*innen unter der Lei­tung von Prof. Dr. Andre­as Grei­ner einem wei­te­ren Vor­ha­ben gewid­met: Sie haben ein neu­es Ver­fah­ren ent­wickelt, mit dem poten­zi­ell umwelt- und gesund­heits­schäd­li­che Par­ti­kel aus Disper­si­ons-Wand­far­ben aus dem Abwas­ser durch Fil­tra­ti­on ent­fernt wer­den kön­nen. Dabei kommt eine im Elek­tro­spinn­ver­fah­ren her­ge­stell­te, aus funk­tio­na­li­sier­ten Fasern bestehen­de Mem­bran zum Ein­satz, die auf unter­schied­li­che Wei­sen mikro- und nano­me­ter­gro­ße Par­ti­kel zurück­hält. Einer­seits sind die Poren der Mem­bran so fein, dass Mikro­par­ti­kel nicht hin­durch­ge­las­sen werden.

Ande­rer­seits füh­ren Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen den Mem­bran­fa­sern und Nano­par­ti­keln dazu, dass die­se an der Mem­bra­n­ober­flä­che hän­gen blei­ben, obwohl sie in die Poren hin­ein­pas­sen wür­den. In bei­den Fäl­len ist die Fil­ter­wir­kung nicht mit einer raschen und groß­flä­chi­gen Ver­stop­fung der Poren ver­bun­den. Daher kann bei­spiels­wei­se Was­ser pro­blem­los die Mem­bran durch­drin­gen und abfließen.

In der Zeit­schrift „Macro­mole­cu­lar Mate­ri­als and Engi­nee­ring“ beschrei­ben die Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen die erfolg­rei­che Anwen­dung der Mem­bran. Gete­stet wur­den dabei auch die bei­den Disper­si­ons­far­ben, die sich in der Stu­die als poten­zi­ell schäd­lich für leben­de Orga­nis­men erwie­sen hat­ten. Wie sich her­aus­stell­te, ist die Mem­bran in der Lage, typi­sche Farb­kom­po­nen­ten mit hoher Fil­ter­lei­stung zurück­zu­hal­ten – ins­be­son­de­re Nano­par­ti­kel aus Titan­di­oxid und Poly­acry­lat und Mikro­par­ti­kel aus Kal­zi­um­kar­bo­nat. „Im All­tag gelan­gen alle die­se Farb­kom­po­nen­ten gemein­sam ins Abwas­ser. Hier mischen sie sich und ändern auf­grund ihrer Wech­sel­wir­kun­gen in man­chen Fäl­len sogar ihre Struk­tu­ren und Eigen­schaf­ten. Daher haben wir die Fil­ter­lei­stung unse­rer elek­tro­ge­spon­ne­nen Mem­bran gezielt an sol­chen Mischun­gen gete­stet. Die hohen Fil­ter­wir­kun­gen, die wir dabei erzielt haben, zei­gen: Die­ses Ver­fah­ren hat ein gro­ßes Poten­zi­al, wenn es dar­um geht, Was­ser von Par­ti­keln im Mikro- und Nano­me­ter­be­reich zu rei­ni­gen, wie sie in welt­weit han­dels­üb­li­chen Far­ben ent­hal­ten sind“, sagt Greiner.

Ver­öf­fent­li­chun­gen

Ann-Kath­rin Mül­ler, Juli­an Brehm, Mat­thi­as Völkl, Valé­rie Jérô­me, Chri­sti­an Laforsch, Ruth Frei­tag, Andre­as Grei­ner: Disen­tang­ling bio­lo­gi­cal effects of pri­ma­ry nano­pla­stics from disper­si­on paints’ addi­tio­nal com­pounds. Eco­to­xi­co­lo­gy and Envi­ron­men­tal Safe­ty (2022).

DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​1​6​/​j​.​e​c​o​e​n​v​.​2​0​2​2​.​1​1​3​877

Ann-Kath­rin Mül­ler, Zhi-Kang Xu, Andre­as Grei­ner: Fil­tra­ti­on of Paint-Con­ta­mi­na­ted Water by Elec­trospun Mem­bra­nes. Macro­mole­cu­lar Mate­ri­als and Engi­nee­ring (2022).

DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​0​2​/​m​a​m​e​.​2​0​2​2​0​0​238

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