Synthetisch hergestellte Nanomaterialien in Konsumprodukten und deren Verbleib am Ende ihrer Nutzungsphase

Als Nanoprodukte werden jene Produkte bezeichnet, die ein Nanomaterial beinhalten oder z. B. eine Beschichtung in der Dimension von 1 bis 100 nm haben (AGES 2016; ISO/TS 80004-1:2015). Im Allgemeinen können Nanomaterialien in unterschiedlichen Formen in Konsumprodukten eingesetzt werden. So können Nanomaterialien beispielsweise in Kunststoffe fest eingearbeitet werden oder in Sonnenschutzcremen in dispergierter Form vorkommen. Um die Entwicklung der Nanotechnologie dokumentieren zu können, wurde im Jahre 2014 die NanoTrust-Datenbank, die von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften geführt wird, aktualisiert. Nach dem letzten Update im Juli 2014 wurden in dieser Datenbank mehr als 490 Einträge von Nanoprodukten registriert, die am österreichischen Markt erhältlich sind (Greßler and Gazsó 2014). Die aktualisierte Datenbank diente wiederum als Grundlage, um für die gegenständlichen Materialflussanalysen sechs repräsentative Produktbeispiele auszuwählen. Anhand von durchgeführten ExpertenInneninterviews wurden Auswahlkriterien festgelegt, mithilfe derer die Produktbeispiele gewählt wurden. In Abb. 1 wird der „Kriterien-Entscheidungsbaum“ näher dargestellt. Nach „Priorität 1“ wurden zwei Produktbeispiele ausgewählt, die gemäß gesetzlichen Grundlagen eine Kennzeichnung von nanoskaligen Inhaltsstoffen aufweisen müssen (z. B. gemäß EU-Kosmetikverordnung mit „Nano“ gekennzeichnete Sonnencremen). Des Weiteren wurden zwei Produkte aufgrund der vorliegenden hohen Informationsdichte bzw. anhand der Anzahl an wissenschaftlich publizierten Studien ausgewählt („Priorität 2“). Eine weitere Auswahl wurde so getroffen, dass auch Nanomaterialien berücksichtigt werden, welche im Verdacht stehen, eine negative Auswirkung auf die Umwelt und/oder auf abfallwirtschaftliche Prozesse zu haben („Priorität 3“).

Auf Basis der festgelegten Kriterien bzw. Priorität wurden folgende sechs repräsentative Nanoproduktbeispiele ausgewählt, die als Ausgangsszenarien für die gegenständlichen Materialflussanalysen dienten:

Um quantitative Aussagen über die potenzielle Verteilung von Nanomaterialien in der Umwelt tätigen zu können, müssen zuerst deren Einsatz- bzw. Produktinhaltsmengen abgeschätzt werden. Hierbei ist anzumerken, dass für die ausgewählten Szenarien keine österreichspezifischen Marktanalysen hinsichtlich Produktionsmengen sowie Marktanteilen vorlagen. Aus diesem Grund wurden für die Hochrechnung der eingesetzten Mengen vorwiegend Daten (über chemische Zusammensetzung, Inhaltsmenge etc.) aus wissenschaftlichen Publikationen und – so vorhanden – teilweise aus Produktbroschüren herangezogen. Hinsichtlich „Szenario 1“ wird geschätzt, dass der Marktanteil für Sonnencremen mit anorganischen Inhaltsstoffen (z. B. Nano-TiO₂) ca. 20 % am Gesamtmarkt beträgt (Davis et al. 2010). In einer Studie von Lorenz et al. (2011) wird davon ausgegangen, dass pro Anwendung ca. 8 g Sonnencreme aufgetragen werden. Mit den weiteren Annahmen, dass 40 % der mitteleuropäischen bzw. der österreichischen Bevölkerung für 20 Tage im Jahr Sonnencreme auftragen (Lorenz et al. 2011) und der Stoffgehalt an Nano-TiO₂ in Sonnencremen ca. 2 bis 15 % beträgt (Davis et al. 2010), wurde ein jährlicher Verbrauch von ca. 5.450 bis 40.840 kg Nano-TiO₂ für Österreich berechnet. Somit konnte für die Materialflussanalyse der niedrigere Verbrauchswert als Inputmenge für das „Minimum-“ und der höhere Berechnungswert für das „Maximum-Szenario S1“ herangezogen werden. Hierbei ist anzumerken, dass diese hohe Schwankungsbreite die Unsicherheiten einer solchen Materialflussanalyse widerspiegelt. Im Rahmen des „Szenarios S2“ wurde angenommen, dass 1 kg Wandfarbe ca. 6 mg Nano-Ag enthält (Kaegi et al. 2010). ExpertInnen schätzen, dass in Österreich jährlich ca. 45.000 t Wandfarben vertrieben werden, wobei der Marktanteil an Nanomaterial-haltigen Wandfarben derzeit bei geschätzt 0,2 % liegt. Unter Berücksichtigung der Anzahl an österreichischen Herstellern solcher Wandfarben (mindestens 1 bis maximal 5 Hersteller) konnte für Österreich eine Inputmenge von ca. 0,6 bis 3,1 kg Nano-Ag pro Jahr in Wandfarben berechnet werden. Auffallend ist, dass im Vergleich zu Nano-TiO₂ in Sonnenschutzcremen die Einsatzmenge von Nano-Ag in Wandfarben um ein Vielfaches niedriger ist, vermutlich auch deshalb, da im Gegensatz zu Kosmetika für die Produktkategorie Baustoffe keine Produktkennzeichnungspflicht für inkludierte Nanomaterialien besteht. Basierend auf einer Studie von Boldrin et al. (2014) zum weltweiten Aufkommen von CNT-haltigen Tennisschlägern konnte für das „Szenario S3“ eine Inputmenge von ca. 0,5 bis 1,4 kg CNTs pro Jahr für Österreich abgeschätzt werden. Für „Szenario 4“ sowie „Szenario 5“ konnten keine relevanten wissenschaftlichen Studien gefunden werden, sondern es musste, sofern vorhanden, auf Herstellerangaben (Befragungen) sowie im Internet veröffentlichte Marktumfragen zu Nanoprodukten und Produktbroschüren zurückgegriffen werden. Des Weiteren wurden die getroffenen Annahmen durch eingeholte ExpertInnenmeinungen gestützt (NanoMia 2015). Unter zusätzlicher Verwendung von Daten der STATISTIK AUSTRIA für das Bezugsjahr 2014 wurden so erste, vereinfachte Mengenabschätzungen von Nanomaterialien auf Produktebene dargestellt. So wurde z. B. der österreichweite Jahresverbrauch an Nano-SiO₂ in Autoversiegelungen anhand der Anzahl zugelassener Autos – wobei geschätzte 10 % der FahrzeugbesitzerInnen solche Lackschutze verwenden – und anhand eines Marktanteils für selbstreinigende, Nanomaterial-basierte Oberflächen von ca. 3 % abgeschätzt („Szenario 4“). Auf ähnliche Weise wurde der Jahresverbrauch an Nano-Ag in Putzlappen („Szenario 5“) abgeschätzt, wobei die Anzahl an österreichischen Haushalten zur Hochrechnung herangezogen wurde. Mittels solcher Vereinfachungen war es letztendlich möglich, für „Szenario 4“ eine Inputmenge von ca. 120 bis 1.200 kg Nano-SiO₂ für Autoversiegelungen sowie für „Szenario 5“ eine Inputmenge von ca. 0,01 bis 0,04 kg Nano-Ag pro Jahr für Putztücher zu berechnen. Alle Annahmen und Berechnungsschritte, die für diese Materialflussanalysen notwendig waren, werden im Endbericht des Projektes „NanoMia“ (2015) genauer erläutert. Beim letzten „Szenario S6“ stellte sich im Zuge der Recherchen heraus, dass Quantenpunkte laut Herstellerangaben und wissenschaftlichen Publikationen bereits in hochauflösenden Bildschirmen eingesetzt werden, der derzeitige Stand des Wissens bzw. die verfügbare Datenlage aber keine Abschätzung von eingesetzten Mengen zulässt. Dieses Nanoprodukt ist daher ein Beispiel dafür, dass ein systematischer Informationsmangel hinsichtlich der Produktinhaltsstoffe dazu führt, dass potenzielle Umweltauswirkungen bzw. deren Umwelteintrag derzeit nicht eingeschätzt werden können.

Somit konnten nur für „Szenario S 1 bis S 5“ die österreichweiten Verbrauchsmengen abgeschätzt werden. Diese wurden als Inputmengen für die gegenständlichen Materialflussanalysen herangezogen, um nachfolgende Materialflüsse sowohl für die Nutzungs- als auch Entsorgungsphase berechnen zu können. Diese Produktlebenszyklusphasen stellten die Systemgrenze der Materialflussanalyse dar (Bezugsjahr 2014); die Produktionsphase wurde aufgrund der nicht verfügbaren Grundlagendaten nicht berücksichtigt. System-Outputmengen, wie der Export von Nanoprodukten, konnten aufgrund der Datenlage nicht abgeschätzt werden. Des Weiteren war es aufgrund fehlender Informationen nicht möglich, die genaue Nutzungsdauer der jeweiligen Nanoprodukte zu berücksichtigen. Zur Vereinfachung wurde somit angenommen, dass diese Produkte auch im selben Jahr (d. h. in 2014) entsorgt wurden. Senken für die Nutzungsphase – d. h. jene Nanomaterialmengen, die während der Nutzungsdauer in der Produktmatrix verbleiben – konnten aus diesem Grund ebenfalls nicht abgeschätzt werden. Um marktdynamische Prozesse, zeitliche Veränderungen sowie Produktnutzungsdauern entsprechend zu berücksichtigen, könnten für zukünftige Studien sogenannte dynamische Materialflussanalysen angewendet werden (insofern eine fundierte Datengrundlage dies ermöglicht).

Nach der Abschätzung der Einsatz- bzw. System-Inputmengen wurden sogenannte Transferkoeffizienten aus wissenschaftlichen Publikationen herangezogen, um nähere Aussagen hinsichtlich Verteilung und Verbleib von Nanomaterialien in der Umwelt tätigen zu können. Anhand dieser Transferkoeffizienten können die verbleibenden Nanomaterialmengen nach einem bestimmten Prozess (z. B. dem Gebrauch oder Recycling von Nanoprodukten) berechnet werden. Solche Koeffizienten werden häufig durch experimentelle Untersuchungen über die potenziellen Freisetzungsraten von Nanomaterialien – z. B. hervorgerufen durch mechanische oder chemische Einwirkungen – bestimmt. Hinsichtlich „Szenario 1“ ist z. B. aus der Studie von Danovaro et al. (2008) bekannt, dass der Großteil bzw. 75 % der Sonnencreme erst durch den Einsatz von Seifen beim Duschen abgewaschen werden. Demnach werden nur ca. 25 % während des Badens (ohne Seifen) abgewaschen. Des Weiteren zeigte eine experimentelle Studie von Kaegi et al. (2013), dass Nanomaterialien in der Kanalisation über sehr weite Strecken transportiert werden können. Untersuchungen in einer Versuchskläranlage legten dar, dass ca. 90 % der dotierten Menge an Nano-TiO₂ durch den Klärschlamm rückgehalten werden und nur ein geringer Anteil von 10 % diffus in den Vorfluter emittiert wird (Johnson et al. 2011). Gepaart mit der Kenntnis, dass in Österreich ca. 50 % der kommunalen Klärschlämme thermisch behandelt werden (Anm.: nach dem Verbot der direkten Klärschlammdeponierung in 2004) (Egle et al. 2014), konnte in einem weiteren Schritt der anteilsmäßige Verbleib von Nano-TiO₂-haltigen Sekundärabfallströmen in der Umwelt bzw. Abfallwirtschaft abgeschätzt werden (d. h. die Mengenanteile, die zur direkten, landwirtschaftlichen Verwertung oder zur thermischen Behandlung gehen). Zusätzlich ist durch einen in der Schweiz durchgeführten, großmaßstäblichen Versuch über das Verhalten von Nanomaterialien während der Abfallverbrennung bekannt, dass ca. 99,99 % dieser Nanomaterialien in den festen Verbrennungsrückständen wie Schlacken und Flugaschen verbleiben. Im Zuge der gegenständlichen Materialflussanalysen konnte somit die deponierte Masse an Nano-TiO₂ in festen Verbrennungsrückstanden bzw. Reststoffen berechnet werden.

Anhand solcher Nanomaterial-spezifischer Transferkoeffizienten wurde auch der Verbleib von Nano-Ag, -SiO₂ und CNTs nach bestimmten, abfallwirtschaftlichen Behandlungsprozessen abgeschätzt, wobei je nach Szenario auf unterschiedliche Studien zurückgegriffen wurde (z. B.: Kaegi et al. 2010; Mitrano et al. 2014; Mueller et al. 2013). Wenn für bestimmte Prozesse keine nanospezifischen Koeffizienten und Freisetzungsraten verfügbar waren, wurde wie bei vergleichbaren Materialflussanalysen – z. B. von Caballero-Guzman and Nowack (2016) oder Gottschalk et al. (2010) – vereinfacht angenommen, dass Nanoabfälle dieselbe Mengenverteilung wie ihre zugehörigen Abfallströme bzw. -fraktionen aufweisen (probabilistischer Ansatz). Aus dem Bundesabfallwirtschaftsplan (BMLFUW 2011) ist beispielsweise bekannt, dass ca. 91 % der getrennt gesammelten Baurestmassen als mineralischer Bauschutt und ca. 9 % als Baustellenabfälle gesammelt werden. Dem probabilistischen Ansatz entsprechend verteilt sich beispielsweise in den Baurestmassen enthaltenes Nano-Ag („Szenario 2“) mit jener Wahrscheinlichkeit auf die Stoffströme mineralischer Bauschutt und Baustellenabfällen, die der Massenverteilung der Stoffströme entspricht. In weiterer Folge kann so z. B. die deponierte Menge an Nano-Ag-haltigen Reststoffen aus dem Bauschutt-Recycling vereinfacht abgeschätzt werden. Im Endbericht des Projektes „NanoMia“ (2015) wurden diese nicht nanospezifischen Koeffizienten, welche ausschließlich auf allgemeinen Abfallstatistiken basieren (probabilistischer Ansatz), näher erläutert. Diese Untersuchungen zeigen, dass mithilfe einer Materialflussanalyse und unter Verwendung zahlreicher, vereinfachter Annahmen eine erste quantitative Abschätzung des potenziellen (Umwelt-)Verbleibs von Nanomaterialien in Österreich bei bestimmten Produktgruppen möglich ist. Die großen Streubreiten und Unsicherheiten hinsichtlich Einsatzmengen und potenzieller Umweltverteilung, welche die Materialflussanalysen zeigen, spiegeln wider, dass derzeit nur auf eine sehr beschränkte Anzahl an relevanten Studien sowie experimentellen Untersuchungen über das Freisetzungsverhalten von Nanomaterialien zurückgegriffen werden kann.