Understanding the human health impacts of environmental micro- and nanoplastics

Kunststoffe ermöglichten beachtliche technologische Fortschritte, doch das stetig steigende Produktionsvolumen bei gleichzeitig inadäquater Entsorgung resultierten in der Akkumulation dieser Materialien in der Natur. Kunststoffe stellen mittlerweile eines der größten Umweltprobleme der Moderne dar, denn sie sind einerseits sehr langlebig, aber fragmentieren andererseits unter Umwelteinflüssen in immer kleinere Mikro- und Nanoplastikpartikel (MNP). Diese Größenreduktion begünstigt ihre Verbreitung durch Wind oder Wasser, was zu einer nahezu unvermeidbaren Exposition über die Nahrung oder Luft führt. Trotz der zunehmenden Anzahl von Studien, in denen MNP in verschiedenen Bereichen des menschlichen Körpers nachwiesen wurden, bestehen Unsicherheiten bezüglich möglicher gesundheitlicher Auswirkungen. Von besonderer Relevanz sind Partikel < 10 µm, da sie leicht inhaliert werden können und mit akuten sowie langfristigen negativen gesundheitlichen Folgen verbunden sind. Während dies besonders auf verkehrsbedingte Aerosole zutrifft, sind die Auswirkungen von inhalierten MNP nach wie vor unzureichend erforscht. Ein Grund für die bestehenden Wissenslücken ist der Mangel an geeigneten Testmaterialien. Kommerziell erhältliche MNP sind oft nicht für den Einsatz in biologischen Assays konzipiert und können nicht deklarierte oder sogar potenziell interferierende Substanzen enthalten. Wissenschaftliche Publikationen von Methoden zur Eigenproduktion von Testmaterialien vernachlässigen hingegen oft die Charakterisierung biologisch relevanter Eigenschaften. Ein weiterer Grund für Unsicherheiten bezüglich der gesundheitlichen Auswirkungen sind die sehr limitierte Verfügbarkeit von Daten zu Umweltkonzentrationen inhalierbarer MNP, insbesondere in Aerosolen. Während erste Studien größere Mikroplastikpartikel (MP) in Meeres-Aerosolen nachweisen konnten, wurden jedoch die inhalierbaren Partikel < 10 µm nicht untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab die beschriebenen Wissenslücken zu schließen, erstens durch die Entwicklung von MP und Nanoplastikpartikel (NP) als Testmaterialien, speziell für die Anwendung in biologischen Assays und zweitens durch die Implementierung und Validierung einer neuartigen Methode zur Probenahme und Quantifizierung von MNP in Aerosolen. Die Testmaterialien wurden mithilfe eines systematischen Ansatzes, bekannt als "Quality-by-Design”, entwickelt. Dabei wurden entscheidende Materialeigenschaften vorab definiert, um die Produktqualität bereits von der Konzeptphase an zu gewährleisten. Das erste entwickelte Material waren Polypropylen (PP) MP (1-10 µm) für inhalationstoxikologische Studien. PP wurde einem Mahlprozess unterzogen, um den Fragmentierungsprozess in der Umwelt zu imitieren, gefolgt von einem mehrstufigen Verfahren zur Größenklassierung. Die erhaltenen Partikel wurden anschließend in Glycerol suspendiert, als biokompatibles Lagermedium und Dispergierhilfe. Eine umfassende Materialcharakterisierung zeigte, dass unregelmäßig geformte Fragmente mit einer hoch reproduzierbaren medianen Partikelgröße erhalten wurden. In keinem der in Glycerol gelagerten MP-Suspensionen wurden lebensfähige Mikroorganismen nachgewiesen, selbst bei Partikeln die 2.5 Jahre gelagert wurden. Darüber hinaus war das Material nach der Produktion in biorelevantem Medium (Dulbecco's Modified Eagle's Medium, DMEM) vollständig redispergierbar, zeigte jedoch nach 2.5 Jahren Anzeichen von Agglomeration. Der praktische Nutzen wurde jedoch durch die geringe Partikelausbeute pro Charge stark eingeschränkt. Als zweiter Materialtyp wurden Polyethylenterephthalat (PET) und PP NP für den Einsatz in In-vitro- und In-vivo-Assays entwickelt, mit einem angestrebten Größenanteil unter 1 µm von > 85 %. Hohe Ausbeuten pro Charge wurden durch Lösen und anschließende Repräzipitation (Nanopräzipitation) der Polymere erzielt, was die Herstellung hochkonzentrierter Stammsuspensionen in Glycerol für Dosis-Eskalations-Studien ermöglichte. Eine detaillierte Untersuchung des Glycerol-Vehikels zeigte, dass die Zytotoxizität durch Hyperosmolarität verursacht wurde, was jedoch für die üblicherweise getesteten NP-Konzentrationen unproblematisch war. Die produzierten NP waren frei von Verunreinigungen und ihre chemische Zusammensetzung wurde durch die Produktion nicht verändert. Die Batch-zu-Batch-Variabilität des fertigen Glycerolprodukts war gering und der angestrebte Größenanteil < 1 µm wurde für beide Polymere übertroffen. Die Endotoxinkonzentrationen lagen unterhalb der Nachweisgrenze und die physikalische sowie mikrobielle Stabilität war über 12 Monate hinweg gegeben. PET NP konnten in biorelevantem Medium vollständig redispergiert werden, während die hydrophoberen PP NP agglomerierten. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein Glas-Flüssigkeits-Impinger (GLI) als neuartiges Probenahmegerät für MNP in Aerosolen untersucht. Aufgrund der erwarteten geringen Konzentrationen wurde die thermische Extraktions-Desorptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) für die Probenanalyse gewählt. Da der GLI kein Standardgerät in der Umweltwissenschaft ist, wurde eine umfassende Methodenvalidierung zur Bewertung der Leistungsfähigkeit durchgeführt. Die Robustheit des Wasch- und Probenahmeverfahrens wurde durch hohe Wiederfindungsraten von dotierten NP demonstriert. Die Vernebelung von PET und PP NP zur Bestimmung ihrer Abscheidungsmuster im Gerät erwies sich jedoch als herausfordernd. Die hydrophoberen PP NP konnten nicht vernebelt werden, was mit ihrem Agglomerationszustand nach der Vernebelung korrelierte. Während geringe Mengen an PET innerhalb des GLI nachgewiesen wurden, verblieb der Großteil im Verneblerreservoir, obwohl die Partikel während des gesamten Experiments gut dispergiert blieben. Abschließend wurden zwei Feldstudien durchgeführt, um die MNP-Konzentrationen in Aerosolen an See- und Meeresstandorten zu vergleichen, wobei das entwickelte GLI und TED-GC-MS-Verfahren angewendet wurde. Vorläufige Daten aus der See-Studie zeigten keine MNP-Konzentrationen über den prozeduralen Blindwerten. Die Nachweisgrenzen und somit letztendlich die Eignung der Methode müssen in zukünftigen Arbeiten bestimmt werden, da die Datenanalyse noch läuft.