Nanotechnologie: Nutzen und Risiken

Winzige Roboter schwimmen durch den Körper, spüren Krebszellen auf und zerstören sie… Was wie ein Drehbuch zu einem Science-Fiction-Film klingt, könnte bald zur klinischen Realität gehören. Denn genau das ist einem internationalen Forscherteam vor Kurzem gelungen. Sie haben molekulare Maschinen aus DNS gebaut und zur gezielten Tumor-Bekämpfung programmiert. Gezielt heißt: Keine gesunde Zelle wird versehentlich angegriffen, wie es bei der Chemotherapie der Fall ist. Die Nanotechnologie – die hier im Spiel ist – wird nicht nur die Medizin revolutionieren. Auch in vielen anderen Bereichen wie den Umwelttechnologien werden große Entwicklungsschübe erwartet. Die Nanotechnologie gilt daher als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Doch wo sie Probleme löst, kann sie auch neue schaffen. Die Frage, welche Gefahren von der Nanotechnik ausgehen, beschäftigt Wissenschaftler auf der ganzen Welt. Beantwortet ist sie bis jetzt noch nicht. Aber halt, der Reihe nach: Was ist eigentlich Nanotechnologie?

Nanoteilchen: Künstlich oder natürlich? In jedem Fall sind sie winzig

Die Nanotechnologie (von altgriechisch nános = Zwerg) verbindet Disziplinen wie Physik, Chemie, Biologie und Maschinenbau. Sie alle tasten sich durch den winzigen Kosmos der Nanoteilchen, die sie erforschen und künstlich im Labor herstellen. Neben einem Nanoteilchen wirkt eine Bakterie riesig. Heißt also: Nanoteilchen sind klein, sehr klein. Ein Nanometer (nm) – das ist die Maßeinheit – entspricht einem Milliardstel Meter. Man stelle sich eine Cent-Münze im Verhältnis zur Erdkugel vor – genauso verhält sich ein Nanometer zu einem Meter. Nanoobjekte können in verschiedener Form vorliegen, zum Beispiel als Partikel oder Röhrchen; mehrere dieser Partikel können sich zu größeren Verbindungen zusammenlagern.

Es gibt nicht nur künstliche Nanomaterialien. Abgesehen von natürlichen Nanobestandteilen in Organismen und Pflanzen werden bei Staubstürmen, Waldbränden oder Vulkanausbrüchen Nanoteilchen freigesetzt und über weite Distanzen getragen. Auch im Ruß von Autoabgasen, Kerzenflammen und Zigarettenrauch stecken Nanoteilchen. Und selbst beim Schweißen oder Bohren fliegen einem die Winzlinge um die Ohren.

In Nanogröße haben Materialien andere Eigenschaften

Doch es ist nicht allein die Winzigkeit, die an der Nanotechnologie fasziniert. Es sind vor allem die völlig neuen Eigenschaften, die bekannte Materialien wie Silber oder Titandioxid annehmen, wenn sie auf Nanogröße minimiert oder aus Molekülen und Atomen zu Nanoteilchen zusammengebastelt werden. Sprich ein nanoskaliges Objekt zeigt andere Eigenschaften als größere Teilchen der gleichen Substanz. So ist beispielsweise Kohlenstoff in Form von Graphit sehr weich, in Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen hingegen härter als Stahl und gleichzeitig sehr leicht. Keramik wird in Nanogröße auf einmal biegsam, während andere Substanzen plötzlich Strom leiten können oder besonders kratzfest, bruchfest oder wasserabweisend werden.

Wo Nanotechnologie zum Einsatz kommt

Die Möglichkeiten, die sich durch die wundersamen Winzlinge ergeben, sind nahezu unbegrenzt. Die Nanotechnologie wird bereits quer durch alle Branchen und Industriezweige genutzt. Allein in Deutschland arbeiten rund 1.100 Unternehmen an der Forschung, Entwicklung und Vermarktung von Nanoprodukten und -anwendungen, wie die Bundesregierung in ihrem „Aktionsplan Nanotechnologie 2020“ beziffert. Doch was fabrizieren die da eigentlich? Hier ein paar medizinische Beispiele und Anwendungen mit umweltentlastendem Potenzial:

• Bei einer experimentellen Krebstherapie werden Nanopartikel ins Tumorgewebe eingeschwemmt und mit einem externen Magnetfeld erhitzt, um so die Tumorzellen zu zerstören.
• Implantate mit Nanobeschichtungen lassen sich verträglicher ins Körpergewebe einbetten und sollen länger haltbar sein.
• Bauteile aus nanotechnisch optimierten Kunststoffen für Fahrzeuge oder Flugzeuge sparen Gewicht ein und verbrauchen so weniger Treibstoff.
• Mit Nanoteilchen lassen sich superfester, korrosionsbeständiger Beton und effiziente Dämmmaterialien realisieren.
• In Autoreifen bewirken Siliziumdioxid- und Nanorußpartikel einen geringeren Rollwiderstand und damit Kraftstoffeinsparung.
• In Abgaskatalysatoren filtern Nanomaterialien Schadstoffe aus dem Kraftstoff.
• Nanobasierte Leuchtdioden (OLEDs) wandeln mehr Energie in Licht um als herkömmliche Energiesparlampen.
• In Photovoltaikmodulen und Windkraftanalagen helfen sie, Sonnenlicht und Wind wirksamer und kostengünstiger in Strom umzuwandeln.
• Nanoporöse Membranen können Abwasser von Krankheitserregern befreien sowie Schwermetalle und Dioxine viel genauer herausfiltern als herkömmliche Verfahren. Zudem eröffnen Nanofilter neue Möglichkeiten bei der Wasserentsalzung (von Ozeanen) – was das Trinkwasserproblem in vielen Regionen der Erde lösen könnte.

Weiterführende Links zum Einsatz von Nanotechnologie:

Eine Übersicht über existierende und in der Entwicklung befindliche Produkte findet sich in der Broschüre „Winzige Riesen in unserem Alltag“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Speziell zu nanobasierten Umwelttechnologien findet sich eine – wenngleich schon etwas ältere, aber gut erklärte – Anwendungsübersicht in einem Bericht der NanoKommission der Bundesregierung.

In welchen Alltagsprodukten stecken Nanomaterialien?

Kratzfeste Brillengläser, sattere Bildschirmfarben, schwarze Drucker-Toner, schmutzabweisende Wandfarben – nahezu unbemerkt hat die Nanotechnologie auch Einzug in unseren Alltag gehalten. Hier typische Anwendungsbereiche, über die wir direkt mit Nanomaterialien in Berührung kommen:

Textilien: Socken, die nicht stinken, und Hemden, die gegen Ketchup-Flecken immun sind: Nanomaterialien sind verlockende „Zutaten“, um Textilien neue und verbesserte Eigenschaften zu geben. In die Fasern eingearbeitete oder als Beschichtungen aufgetragene Nanos sollen nicht nur wasser- und schmutzabweisend wirken und unangenehme Körpergerüche verhindern; sie schützen auch vor UV-Licht, verbessern die Abriebfestigkeit und wirken antistatisch. Häufig eingesetzte Nanomaterialien in Textilien sind Silber, Titandioxid und Siliziumdioxid.

Kosmetik: Viele Sonnenschutzcremes enthalten nanoskaliges Titandioxid oder Zinkoxid. Die Teilchen reflektieren wie Milliarden kleinster Spiegel das Sonnenlicht und verhindern durch ihre Transparenz den „Weißeleffekt“ von Cremes mit größerskaligen Teilchen. Hydroxylapatit-Nanopartikel in Zahnpasten soll den natürlichen Zahnreparaturmechanismus des Speichels unterstützen. Und in Cremes sollen Fullerene (Kohlenstoff-Nanokugeln) freie Radikale abfangen und so Falten und Hautalterung vorbeugen.

Lebensmittel und Verpackungen: Schon seit Langem lässt Nano-Siliziumdioxid (E551) Kochsalz, Gewürze, Fertigsuppen und Instantkaffee besser rieseln. Nano-Titandioxid als Lebensmittelzusatz (E 171) hellt Kaugummi und Süßigkeiten auf. Andere Stoffe dienen als Fließhilfe etwa in Ketchup. Weit häufiger kommen Nanoteilchen jedoch in Verpackungen zum Einsatz. Lebensmittel sollen dadurch länger frisch und haltbar bleiben; bei PET-Flaschen erhöhen sie die Temperaturbeständigkeit des Kunststoffs. In der EU als Verpackungsbestandteile zugelassen sind unter anderen: Titannitrid, Siliciumdioxid (Kieselgel) und Carbon Black (Industrieruß).

Haushalt: Nanoskaliges Silber gehört aufgrund seiner antimikrobiellen Eigenschaft zu den am meisten verwendeten Nanomaterialien in Verbraucherprodukten. Im Haushalt findet man sie unter anderen in Kühlschränken, Waschmaschinen und Matratzen. Reinigungs- und Pflegemittel können neben Nano-Silber auch nanoskalige Wachsdispersionen oder andere Nanoobjekte wie Aluminiumoxid enthalten. Diese sollen auf den Oberflächen haften und ihnen so eine wasser- oder schmutzabweisende Eigenschaft verleihen. Das gleiche Wirkprinzip haben Imprägniersprays mit Nanobestandteilen.

So können Nanopartikel in unsere Körper gelangen

Solange Nanopartikel fest eingebunden sind – etwa in Verpackungen, Beschichtungen und Textilien – haben sie nach derzeitigem Forschungsstand in der Regel keine Chance, in den Körper zu gelangen. Sind sie allerdings lose, macht ihre Winzigkeit es den Nanoteilchen mehr oder weniger leicht, sich einen Weg in unseren Organismus zu bahnen – je nachdem, ob wir sie schlucken, einatmen oder als Creme auf die Haut aufbringen. Bei letzterer haben sie kaum eine Chance: Gesunde Haut gilt als sichere Barriere, das heißt UV-Lichtfilter auf Nanobasis kommen da nicht durch. Fullerene aber sind durchaus in der Lage, über tiefere Hautschichten in den Körper zu gelangen.

Als größte Eintrittspforte gilt jedoch die Lunge: Nanoteilchen, welche die Lunge nicht entfernen kann, wandern bis tief in das Atmungsorgan und können sich von dort offenbar weiter im Organismus verteilen. Das gilt auch für oral aufgenommene Teilchen, sofern sie nicht vorher ausgeschieden werden. Sie können die Darmbarriere überwinden und weiter in die Blutbahn und andere Organe vordringen. Kleinste Nanoteilchen im Körper würden es sogar bis in Zellkerne schaffen und könnten sich dort in die DNS einlagern, heißt es in einer Publikation des Umweltbundesamtes.

Sind Nanoteilchen für den Menschen gefährlich?

Egal, welchen Weg Nanoobjekte in den Körper nehmen: Derzeit lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, was genau sie dort anrichten. Was die Erforschung so schwierig macht, ist die unüberschaubare Anzahl von Nanopartikelsorten. Jede Sorte hat ihre speziellen Eigenschaften und wirkt daher auch anders im Organismus. Die schier unlösbare Aufgabe besteht darin, die Wirkung jedes dieser kleinen Partikel zu überprüfen. Dazu fehlen teilweise sogar die passenden Messinstrumente und standardisierte Testmethoden. Untersuchungen einzelner, oft vorkommender Nanostoffe liefern jedoch alarmierende Hinweise. So haben Zellversuche mit hohen Dosen von Nano-Silber gezeigt, dass eine DNA-Schädigung auftreten kann. Bestimmte Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die von Tieren eingeatmet wurden, zeigten asbestfaserähnliche Effekte wie Entzündungen und Zellwucherungen in der Lunge. Beim Injizieren dieser Röhrchen bildeten sich die für Asbest typischen Lungentumore. Ebenso verursachten nanoskaliges Titandioxid und Carbon Black Tumore bei Tieren.

Die vorliegenden Daten reichten jedoch nicht aus, „um die untersuchten Nano-Materialien auch als ‚potenziell krebserzeugend für den Menschen‘ mit hinreichender Sicherheit einzustufen“, heißt es beim Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR). Zum einen könne man sich nicht allein auf Ergebnisse aus dem Reagenzglas oder aus Tierexperimenten stützen. Zum anderen würden in solchen Studien unrealistisch hohe Dosen verabreicht. Doch welchen „Dosen“ sind wir im täglichen Leben ausgesetzt und ab wann wird es gefährlich? Niemand weiß das so genau. Im Klartext heißt das: Bei der Bewertung der gesundheitlichen Risiken gibt es derzeit mehr Fragen als Antworten.

Weiterführende Links zu den Risiken von Nanopartikeln:

„Human- und Ökotoxizität synthetischer Nanomaterialien“ (Schweizerisches Bundesamt für Umwelt BAFU)
„Nanotechnik für Mensch und Umwelt“ (Umweltbundesamt)
Stellungnahme zum krebsauslösendem Potential vom Bundesinstitut für Risikobewertung und Umweltbundesamt

Wie wirken Nanoteilchen in der Umwelt?

Ob beim Gebrauch oder später auf der Mülldeponie: Früher oder später setzen sich Nanomaterialien aus dem ursprünglichen Produkt frei und landen in der Umwelt. So können sich Nanos beim Waschen aus Textilien lösen oder aus nanoverarbeitenden Industriezweigen ins Abwasser gelangen, nanohaltige Dünger und Pestizide gehen in den Boden über und von dort womöglich weiter ins Grundwasser– ebenso Nanopartikel, die aus Müll- und Baustoffdeponien austreten.

Bei Untersuchungen, wie sie das Bayerische Landesamt für Umwelt durchgeführt hat, fanden sich Nanoobjekte, insbesondere Nano-Silber, in fast allen Abwasserproben sowie in Kläranlagen. Von dort gehen nach bisherigen Erkenntnissen rund 10 Prozent der Nanoobjekte in die Oberflächengewässer, der Großteil wird im Klärschlamm gebunden und oftmals auf die Äcker aufgebracht. Einmal im Wasser oder im Boden, können sie sich in Organismen ansammeln und giftig wirken. Nachgewiesen wurde zum Beispiel eine von Fullerenen und Nano-Titandioxid ausgehende tödliche Wirkung auf Wasserflöhe. Zudem ist eine Anreicherung von Nano-Silber in Organen von Fischen verbunden mit erhöhter Fehlbildungsrate bekannt. Oder eine eingeschränkte Fortpflanzungsrate bei Kompostwürmern durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen und ein reduziertes Wurzelwachstum bei Nutzpflanzen durch Aluminiumoxid-Nanopartikel.

Langzeitfolgen für die Umwelt durch Nanopartikel sind ungewiss

Die meisten dieser Ergebnisse beruhen auf Labortests. In der Natur sind die Verhältnisse jedoch komplexer: Nanoobjekte in „freier Wildbahn“ sind unberechenbar; ein und dasselbe Nanoobjekt kann sich im Waldboden anders verhalten als auf dem Acker, in salzhaltigen Gewässern anders als in Süßwasser. Die Winzlinge können sich transformieren, andere Stoffe adsorbieren und über Nahrungsketten weitergegeben werden. Welche Langzeitfolgen sich daraus auf das komplexe Zusammenspiel in den Ökosystemen ergeben, ist noch völlig ungewiss.

Weiterführende Links zum Stand der Wissenschaft:

Nanomaterialien in der Umwelt – Stand der Wissenschaft mit Empfehlungen des Umweltbundeamtes  
„Nanotechnik für Mensch und Umwelt“ (Umweltbundesamt)

Keiner weiß, was an Nanotechnologie so alles im Umlauf ist

Für die Risikoforscher wäre es hilfreich zu wissen, welche Nanomaterialien in welcher Menge eigentlich im Umlauf sind. Es gibt jedoch keine verlässlichen Daten zu Produktionsmengen – was an fehlenden Meldepflichten und mangelnder Auskunftsbereitschaft herstellender Firmen liegt. Unbestreitbar ist, dass es immer mehr Nanoprodukte gibt. Damit steigt das Risiko für Mensch und Umwelt. Gleichzeitig birgt die Nanotechnologie große Chancen – ebenfalls für Mensch und Umwelt. Einige Anwendungen haben jedoch zweifelhaften Nutzen. Beispiel Nano-Silber: Im Krankenhaus mag die keimtötende Wirkung lebensrettend sein. Doch welchen Sinn machen antibakterielle Socken?

Die Hoffnung: Freiwilliger Verzicht auf Nanoanwendungen

Vom Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) wird die zunehmende Verwendung von Nano-Silber in Verbraucherprodukten als unnötig und sogar kritisch angesehen. Nicht ohne Grund. Denn „grundsätzlich ist Silber ein Zellgift, das in der Nanoform aber offenbar giftiger ist als in der Mikroskalierung“ warnt die Behörde und empfiehlt, auf die Herstellung und Verwendung in Verbraucherprodukten zu verzichten. Organisationen wie der BUND gehen noch weiter und fordern ein generelles Verbot von synthetischen Nanomaterialien in verbrauchernahen Anwendungen, solange die Sicherheit der verwendeten Stoffe nicht belegt ist. Einige Unternehmen verzichten freiwillig auf den Einsatz von Nanoobjekten in ihren Produkten. Auch Waschbär lässt aufgrund des derzeit schlecht kalkulierbaren Risikos in seinen Textilien, Reinigungsmitteln oder Kosmetika keine synthetischen nanoskaligen Partikel zu.

Die Rechtslage: Nur wenige Regelungen für Nanotechnologie

Ein vorsorgliches Verbot einzelner Verbraucheranwendungen steht in den EU-Gremien nicht zur Debatte. Was für den Verbraucherschutz schon hilfreich wäre: Die Konsumenten selbst entscheiden zu lassen, ob sie ein nanohaltiges Produkt kaufen und damit ein Risiko eingehen wollen oder nicht. Dazu allerdings müssten nanoskalige Produktbestandteile auf dem Etikett gekennzeichnet sein. Das ist aber nicht der Fall. Die meisten nanohaltigen Produkte sind weder zulassungs- noch deklarationspflichtig.

Ausnahmen gibt es nur in wenigen Bereichen: So unterliegen synthetische Nanoobjekte als Zusatzstoffe in Lebensmitteln und Kosmetika jeweils einem eigenem Zulassungsverfahren, bei dem die gesundheitliche Unbedenklichkeit geprüft wird. In der Inhaltsliste auf der Verpackung müssen sie mit dem Vermerk „nano“ gekennzeichnet werden. Apropos Verpackungen: Bei diesen gibt es zwar auch Sicherheitsprüfungen und Zulassungspflichten für Nanomaterialien, eine Deklarationspflicht besteht jedoch nicht.

Anders bei nanohaltigen Bioziden: Diese müssen zugelassen und auf den Produkten deklariert werden. Unter die EU-Biozid-Regelung fällt zum Beispiel Nano-Silber in Textilien mit primärer Biozidfunktion (z.B. antibakterielle Reinigungstücher). Für Waren, die keine primäre Biozidfunktion haben, aber mit nanohaltigen Biozidprodukten behandelt wurden wie Socken mit Nano-Silber, Farben, Lacke oder Gegenstände mit antibakterieller Silber-Beschichtung, gelten andere Bestimmungen. Die Waren müssen als mit Biozidprodukten behandelt gekennzeichnet werden, sofern ihre Biozidfunktion beworben oder Mensch und Umwelt gefährdet sein können.

Bis auf die wenigen deklarationspflichtigen Ausnahmen ist es für den Verbraucher also nahezu unmöglich, Nanomaterialien bewusst auszuweichen. Für ein bisschen mehr Transparenz sorgt die Produkt-Datenbank nanowatch vom BUND ebenso wie die Nano-Liste vom BG Bau. Da beide auf Hinweise und Herstellerauskünfte angewiesen sind, bieten sie jedoch nur einen Ausschnitt aus der Produktvielfalt.