Manufactured nanomaterials (MNMs) altered by the treatments in waste water treatment plants (WWTPs) may pose a risk for the environment. Via transfer of post-WWTP MNMs in food webs and bioaccumulation this may lead ultimately to risks also for human health. The assessment of chronic toxicological endpoints and of the bioaccumulation potential is hence an important part of the substance evaluation and requires test systems suitable for MNMs. Furthermore, such studies need to be carried out not only on pristine MNMs, but also on NPs processed by WWTP to allow for a realistic hazard and risk assessment. To evaluate existing impact of MNMs in aquatic ecosystems there is a need for fast detection methods. These methods developed and refined in FENOMENO will help to develop a more efficient system to monitor the impairment of ecological functionality by post- WWTP MNMs. If available, this will allow the validation of the risk assessment that is indispensable to understand the impact of end-of-life MNMs on the environment and to ensure a safe use of MNMs.
Project partners:
University of Siegen
Prof. Dr. Klaudia Witte
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/biologie/fachgruppen/oekologie/mitarbeiter/index_alt.html
Prof. Dr. Holger Schönherr
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/pc/hs/index.html
Prof. Dr. Carsten Engelhard
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/analytische_chemie/engelhard/
Prof. Dr. Klaus-Dieter Kuhnert
http://www.eti.uni-siegen.de/ezls/index.html
Prof. Dr. Dr. h.c. Carl Friedrich Gethmann
http://www.uni-siegen.de/fokos/organisation/personen_beschreibung/gethmann/
Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME
Prof. Dr. Christian Schlechtriem
University of Innsbruck (UIBK)
Dr. Josef Wanzenböck, Dr. Dunja Lamatsch
University of Aveiro (UAVR)
Dr. Isabel Lopes, Dr. Susana Loureiro
http://www.cesam.ua.pt/index.php
FENOMENO receives funding in the FP7 ERA-NET on Nanosafety: Safe Implementation of Innovative Nanoscience and Nanotechnology (SIINN) (http://www.siinn.eu/en/).
FENOMENO WORKSHOP
Nanomaterialien in der Umwelt ‐ Neue Ansätze zur Analyse und Risikobewertung
(Nanomaterials in the Environment ‐ New Approaches to Analysis and Risk Assessment)
Wednesday, 21.03.2018 University of Siegen, Artur Woll Haus, Am Eichenhang 50, 57076 Siegen
For Details: see FENOMENO Events
Press release April 30th 2018
http://www.uni-siegen.de/start/news/forschungsnews/816204.html
Vorläufige Entwarnung - Projektergebnisse des interdisziplinären Projekts „FENOMENO“ zu Auswirkungen von Nanomaterialien auf aquatische Ökosysteme in Workshop vorgestellt
Funktionale Materialien sind aus vielen tagtäglichen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. In den letzten Jahren wurden verstärkt sog. „Nanomaterialien“ entwickelt und angewendet, die aufgrund ganz neuartiger oder stark verbesserter Eigenschaften sinnvolle und nutzbringende Anwendungen u.a. in der Medizin, in Oberflächenbeschichtungen, in Hygieneanwendungen oder aber auch als Katalysatoren und Bestandteil hocheffizienter Solarzellen ermöglichen. Nanomaterialien sind durch eine typische Dimension von weniger als 100 Nanometern charakterisiert (1 Nanometer ist ein milliardstel Meter; ein menschliches Haar ist typischerweise 1000 mal dicker als ein Nanopartikel mit 100 Nanometern Durchmesser). „Aufgrund ihrer Größe und den daraus resultierenden veränderten chemischen und physikalischen Eigenschaften sind diese Materialien erst interessant, können aber auch möglicherweise ungewünschtes Verhalten zeigen“, so Projektleiter Prof. Holger Schönherr. Welche Auswirkungen aber haben Nanomaterialien nun, wenn sie über Kläranlagen in die Umwelt gelangen? Dieser Frage gehen seit 3 Jahren Forscherinnen und Forscher der Universität Siegen, des Fraunhofer Instituts IME in Schmallenberg, des Limnologischen Instituts Mondsee der Universität Innsbruck in Österreich und der Universität Aveiro in Portugal im interdisziplinären Forschungsprojekt „FENOMENO“ nach (http://www.fenomeno-nano.de). Das Projekt wird im Rahmen des SIINN ERA-NET Programms (http://www.siinn.eu) mit insgesamt 1,1 Millionen Euro gefördert.
Am Mittwoch, dem 21.03.2018, stellten nun die beteiligten Forscherinnen und Forscher der Universität Siegen und alle Projektpartner in einem Workshop zum Thema Nanomaterialien in der Umwelt ‐ Neue Ansätze zur Analyse und Risikobewertung ihre neuesten Erkenntnissen zum Projekt dem Fachpublikum und der Öffentlichkeit vor. An der offenen Veranstaltung, zu der Prof. Schönherr die eingeladenen Sprecher und das Publikum im Artur Woll Haus der Universität Siegen begrüßte, nahmen u.a. auch Oberstufenschüler, die Biologie- und Chemieleistungskurse an benachbarten Schulen belegen, teil.
Der aktuelle Kenntnisstand wurde von anerkannten nationalen Experten, Prof. Schnekenburger (Biomedizinisches Technologiezentrum der Universitätsklinik Münster), Prof. Wiemann, IBE R&D gGmbH (Münster) und Frau Dr. Andrea Haase vom Bundesinstitut für Risikobewertung in Berlin eindrucksvoll erläutert und durch Beiträge aus dem Projekt FEMOMENO und Forschungsergebnisse der RWTH Aachen komplettiert.
„Silber und Titandioxid Nanomaterialien werden häufig eingesetzt. Aber stellt ihr Einsatz ein Problem für die Umwelt dar?“
In den Arbeitsgruppen der Siegener Chemiker Prof. Engelhard und Prof. Schönherr konnten in FENOMENO anhand neu und weiterentwickelter analytischer und mikroskopischer Messverfahren der Gehalt an Nanomaterialien in Wasser und Gewebeproben analysiert werden, wobei das Hauptaugenmerk auf der Lokalisierung und Analyse einzelner Nanoteilchen lag. Mit hochempfindlicher Einzelpartikelmassenspektrometrie konnte die Größenverteilungen der Nanoteilchen entschlüsselt und durch hochauflösende Mikroskopie auch chemisch analysiert werden.
Im geklärten Abwasser einer Kläranlage am Mondsee in Österreich konnten nur geringste Spuren von Silber mit den neuesten, hochgenauen Analysemethoden nachgewiesen werden. Im Mondsee landen daher nur so geringe Mengen an Partikeln, woraus kein Risiko hinsichtlich einer toxischen Belastung resultierten sollte. Auch in Gewebeproben von Fischen, die durch das Team von Dr. Wanzenböck am Mondsee genommen wurden, konnten in umfangreichen Messungen der Projektpartner keine Nanopartikel detektiert werden.
Parallel zu diesen Feldstudien wurden in Laborstudien die ökotoxikologische Wirkung und die Bioakkumulation von synthetischen Titandioxid und Silber Nanomaterialien in Kläranlagenausläufen unter Verwendung einer dreistufigen Nahrungskette (Alge, Wasserfloh, Fisch) untersucht. Zur Simulation der Kläranlagenprozesse wurden am Fraunhofer Institut IME in Schmallenberg Modellkläranlagen im Labormaßstab betrieben und deren Zulauf mit den Nanomaterialien angereichert. Durch die Reaktion mit Schwefel verlassen die wenigen nachweisbaren Silbernanopartikel die Kläranlage zum großen Teil als weniger toxisches Silbersulfid. Für Prof. Schlechtriem steht fest, dass „die Kläranlagenprozesse für die getesteten Silbernanomaterialien zu einer signifikant niedrigeren Bioverfügbarkeit und reduzierten chronischen Effekten führten“. Das verwendete Titandioxidnanomaterial zeigte keinerlei Effekte im umweltrelevanten Konzentrationsbereich, so dass hier erfreulicherweise eine vorläufige Entwarnung gegeben werden kann.
Die weitergehende Betrachtung eines realistischen Expositionsszenarios von Silbernanopartikel auf die aquatische Umwelt hat in Laborstudien des Instituts für Biologie an der Universität Siegen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Echtzeit Lernsysteme gezeigt, dass Silbernanopartikel in Ausläufen aus einer Modellkläranlage im Vergleich zu unbehandelten Silbernanopartikeln über sechs Generationen hinweg keine Effekte auf die Reproduktion und die Mortalität von Wasserflöhen aufwiesen. „Auch hinsichtlich der Bewegungsmuster zeigten die Wasserflöhe keine Veränderung, wenn sie Silbernanopartikeln aus einer Modellkläranlage ausgesetzt wurden“, so Professorin Witte, „wohl aber, wenn sie sich in einer Lösung mit reinen Silbernanopartikeln aufhielten.“ Ein ähnliches Bild zeigt sich bei Verhaltensstudien an Zebrafischen.
Die abschließende Bewertung aller Projektergebnisse unter Einbeziehung der biologischen Effekte der Nanopartikel in den Algen, Wasserflöhen und Fischen vor allem auf biochemischer Ebene, die von Dr. Isabel Lopez und ihrem Team an der Universität Aveiro untersucht wurden, steht noch aus. Jedoch weisen die bislang bekannten Teilergebnisse, die in enger Kooperation aller Partner umfassend, d.h. chemisch, mikroskopisch, molekular und biochemisch untersucht wurden, darauf hin, dass für die im Projekt untersuchten Gewässer aufgrund des minimalen Partikeleintrags keinerlei Auswirkungen von Silber- oder Titandioxid-haltigen Nanomaterialien festgestellt werden konnte. In den Laboruntersuchungen am Fraunhofer IME konnte jedoch gezeigt werden, unter welchen Bedingungen und ab welchen Konzentrationen die untersuchten Nanopartikel Auswirkungen auf die verschiedenen Stufen der Nahrungskette haben. Diese Konzentrationen liegen zumeist weit oberhalb der in den Feldstudien gefundenen Konzentrationen, so dass kein Anlass zur Sorge hinsichtlich toxischer Effekte besteht. Dies steht im Einklang mit den Ausführungen Prof. Gethmanns (Forschungskolleg „Zukunft menschlich gestalten“ der Universität Siegen), der ethische Fragen beim Herstellen und In-Verkehrbringen von Nanomaterialien im Workshop diskutierte und dabei auf die Risiko-Chancen-Abwägungen und das Vorsorgeprinzip hinwies.
So konnte zum Abschluss des von den Nachwuchswissenschaftlern der Universität Siegen organisierten Workshops für die Auswirkungen von Silber und Titandioxid Nanomaterialien auf aquatische Ökosysteme, im Rahmen der untersuchten Gewässer und Laborexperimente, vor allem aufgrund der experimentell in Feldproben bestimmten sehr geringen Nanopartikelkonzentrationen vorläufig Entwarnung gegeben werden.
M36 Meeting at Fraunhofer IME, March 19th & 20th 2018
The final Project Meeting, i.e. the M36 Project Meeting of FENOMENO took place at Fraunhofer IME in Schmallenberg.
The Project results were compiled and resulted in a first press release in 2018.
M24 Meeting at the University of Aveiro, Portugal, March 28th & 29th 2017
The M24 Project Meeting of FENOMENO took place at the Department of Biology of the University of Aveiro. In addition to the meeting, a dedicated workshop on Ethics and Risk Assessment was organized on March 30th, in which among others Dr. Bruno Gransche (FoKoS, University of Siegen) lectured on “Nano beyond risk – An introduction to applied ethics and the specific challenges of nano‐ethics”.
Paper and presentation at the 23rd International Conference on Pattern Recognition (ICPR 2016) - Workshop for Visual observation and analysis of Vertebrate And Insect Behavior (VAIB 2016), Cancun, Mexico, December 4-8, 2016.
Jan Kunze, Sarah Hartmann, Klaudia Witte, Klaus-Dieter Kuhnert. Daphnia magna as biosensor for Ag-nanoparticles in water Systems.
Demonstrator: Daphnia magna computer vision system for behaviour recognition
Dipl. Inform. Jan Kunze, M.Sc. Sarah Hartmann, Prof. Dr. Klaudia Witte, and Prof. Dr.-Ing. Klaus-Dieter Kuhnert (Universität Siegen Echtzeit Lernsysteme): Biological impact of MNMs on Daphnia magna and implementation of a new computer vision system for behaviour recognition - a short clip of planned methods. https://www.youtube.com/watch?v=uYq_KEY9RJ4
M12 Meeting at Mondsee, Austria, April 7th & 8th 2016
(Press release, University of Innsbruck, NANOPARTIKEL - der Mondsee als Modellökosystem, https://www.uibk.ac.at/limno/news/)
International Poster award for FENOMENO Partner
The poster entitled “New Possibilities for the Separation and Charaterization of Nanoparticles Using CE-spICP-MS” by Bastian Franze, Ingo Strenge (photo, left), Darya Mozhayeva (photo, right), and Carsten Engelhard, was awarded the International Poster award at the Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, Tucson, AZ, USA, 01/2016.
FENOMENO Kick-Off Meeting in Siegen
(Press release, University of Siegen, http://www.uni-siegen.de/presse/press_releases/635585.html)
Text & Photograph: Press Office of the University of Siegen
Researchers investigate the impact of nanomaterials on the environment.
In sunscreen and functional sportswear one finds more than the human eye still can see: Small particles, so-called nanoparticles. These nanoparticles are tiny (smaller than 100 nm [Nanoparticles are particles with a diameter smaller than 100 nm; 1 nanometer is one billionth of a meter; a typical human hair is thousand times thicker than a nanoparticle with 100 nm diameter.]) and may be found in many products that are commonplace and used sometimes even on a daily basis. During normal use, e.g. during washing, these nanoparticles find their way into household waste water and hence via waste water treatment plants into the environment. But what has happened to the nanoparticles on their passage? Are the particles altered by the waste water treatment and what does this mean for our environment and our health? Researchers of the University of Siegen tackle these and related questions in the framework of the project “FENOMENO” (Fate and effect of wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems).
FENOMENO is a European project located in the SIINN ERA-NET program (http://www.siinn.eu) and will be jointly executed with Prof. Dr. Christian Schlechtriem of the Fraunhofer Institute IME (Schmallenberg, Germany), the Research Institute for Limnology of the University of Innsbruck at the lake Mondsee (Austria) and the University of Aveiro (Portugal). National funding comes from the Federal Ministry of Education and Research (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF). The 36 month project started on April 1st 2015 and receives in total more than 1.1 million Euros funding. From the School of Science and Technology of the University of Siegen (Faculty IV) specialists from the fields of chemistry, biology, informatics and ethics participate in FENOMENO. The interaction between these different Departments within the School of Science and Technology renders the highly multidisciplinary research project feasible.
“Some nanomaterials may be, similar to all materials, potentially harmful. However, instead of issuing an indiscriminative warning, we want to elucidate this carefully. The aim of the project is to develop methods that enable us to decide on a rational, facts-based and rigorously scientifically-founded basis which of those materials are safe to use.” says Prof. Dr. Holger Schönherr, the project coordinator. Two approaches are being followed: In lake Mondsee in Austria the passage of silver and titanium dioxide particles will be followed in a natural food web (algae, water fleas, young fish and predator fish). In parallel the individual elements of a model food web will be analyzed in the laboratory.
Prof. Schönherr, who heads the research group “Physical Chemistry I“ at the Uni Siegen: ”Our project will elucidate the fate and effect of nanoparticles on the aquatic food web and a final risk assessment, in order to be able to evaluate and judge the risks of the use of nanoparticles for the environment and humans.“
In a first step silver and titanium dioxide nanoparticles that have passed through a waste water treatment plant will be used. With highly sensitive element mass spectrometry and high resolution microscopy any changes of the nanoparticles will be analyzed. The next steps follow in the lab, where an aquatic food web will be investigated step by step starting with algae.
Then Daphnia (water fleas) come into play, which are considered to be key organisms of the aquatic food web. They feed on algae and are themselves food for young fish. In various test runs it will be elucidated how nanoparticles change the behavior of Daphnia, their movements, heart beat rate, or reproduction rate, among others. In addition, their movement will be analyzed automatically to see in how far they can be used as biosensors in water. The related microscopy techniques and behavioral studies will lead to conclusions on uptake nanoparticles by organisms and their overall fate.
The University of Aveiro focusses on the biological effects of nanoparticles in algae, daphnia and fish on the molecular and biochemical level, while the partners of the Research Institute for Limnology at lake Mondsee will take samples of all organisms of the food web in the lake, which will be (bio)chemically and microscopically investigated in close collaboration with all other partners.
The project partners and research groups:
University of Siegen
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/pc/hs/index.html
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/analytische_chemie/engelhard/
http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/biologie/fachgruppen/oekologie/mitarbeiter/index_alt.html
http://www.eti.uni-siegen.de/ezls/index.html
http://www.uni-siegen.de/fokos/organisation/personen_beschreibung/gethmann/
Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME
http://www.ime.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelderAE/Chemikaliensicherheit/Bioakkumulation.html
University of Innsbruck (UIBK)
http://www.uibk.ac.at/limno/
University of Aveiro (UAVR)
http://www.cesam.ua.pt/index.php
FENOMENO is an integrative project aiming at an understanding of the impact of end-of-life manufactured nanomaterials (MNMs) on the environment. Even though MNMs are mostly removed during wastewater treatment (WWT), the remaining MNM levels in the effluents are significant and MNMs may show an increased toxicity for aquatic organisms due to their modification during the WWT. With innovative analytical approaches we study the fate and effect of wastewater-borne MNMs in an aquatic ecosystem, develop the basis for robust evaluation systems, and design analytical sensor systems for quantitative nanoparticle detection using biochemical markers and Daphnia and fish as sensors. We use cutting edge approaches to analyse and monitor the biological impact of TiO2 and Ag MNMs on different trophic levels within a relevant food chain (algae-Daphnia-fish) at different levels, from behavioural to biochemical, from laboratory to complementary field studies.
FENOMENO receives funding in the FP7 ERA-NET on Nanosafety: Safe Implementation of Innovative Nanoscience and Nanotechnology (SIINN) (http://www.siinn.eu/en/).
Contact: Prof. Dr. Holger Schönherr, University of Siegen, Department of Chemistry & Biology, Physical Chemistry I, Germany, http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/pc/hs/index.html
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External links:
Data and knowledge on Nanomaterials 
Information about nanomaterials and their safety assessment
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