Partikel aus alltäglichen Wandfarben können lebenden Organismen schaden, aber eine neuartige Membran zeigt hohe Filterwirkung

Dispersionsfarben werden im Haushalt meist zum Streichen von Wänden und Decken verwendet. Ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Bayreuth hat nun die chemische Zusammensetzung zweier typischer Dispersionsfarben analysiert und darin eine Vielzahl von Feststoffpartikeln entdeckt, die nur wenige Mikro- oder Nanometer groß sind. Untersuchungen an biologischen Testsystemen zeigten, dass diese Partikel lebenden Organismen schaden können.

Mit einer neuartigen Membran, die an der Universität Bayreuth entwickelt wurde, können diese Partikel aus dem Wasser herausgefiltert werden, bevor sie in die Umwelt gelangen.

Inhaltsstoffe von Dispersionsfarben

Die Wissenschaftler wählten zwei handelsübliche Dispersionsfarben aus, die häufig in Haushalten verwendet werden. Diese unterscheiden sich vor allem in ihren Abtropfeigenschaften, da der eine für die Wandmalerei und der andere für die Deckenmalerei entwickelt wurde. Die beiden Farben haben Feststoffgehalte von 49 bzw. 21 Gewichtsprozent, während ihr jeweiliger organischer Gehalt 57 bzw. sieben Gewichtsprozent beträgt. Charakteristische Feststoffbestandteile im Mikro- oder Nanometerbereich sind Partikel aus Siliziumdioxid, Titandioxid und Calciumcarbonat sowie Partikel verschiedener Kunststoffarten, insbesondere Polyacrylat.

„Viele dieser winzigen Partikel gelangen beispielsweise durch Abrieb der Farbschichten oder Witterungseinflüsse in die Umwelt. Unsere Studie zeigt nun, dass beim Streichen von Wänden und Decken beim Streichen von Pinseln, Rollen, Spachteln und Eimern Farbreste ausgewaschen werden Partikel aus den Dispersionsfarben können ins Abwasser und damit auch in die Umwelt gelangen.Die Auswirkungen auf die Umwelt müssen gründlich untersucht werden, was angesichts der weltweiten Verbreitung von Dispersionsfarben und ihrer vielfältigen Materialzusammensetzung umso dringender ist wir haben uns nicht auf die chemische Analyse von Lackbestandteilen beschränkt, sondern auch deren Auswirkungen auf lebende Organismen und Zellen untersucht“, sagt Prof. Dr. Andreas Greiner, stellvertretender Sprecher des Sonderforschungsbereichs Mikroplastik.

Auswirkungen auf lebende Organismen

Für ihre Untersuchungen wählten die Bayreuther Wissenschaftler zwei in der Forschung etablierte Testsysteme aus: Wasserflöhe der Art Daphnia magna und eine Zelllinie der Maus. Die Wasserflöhe wurden gemäß den OECD-Richtlinien für die Prüfung von Chemikalien getestet. Bei diesem Test wird die Mobilität der Organismen berücksichtigt. Es zeigte sich, dass die Mobilität der Wasserflöhe deutlich reduziert war, wenn das Wasser einen hohen Anteil an gelösten und ungelösten anorganischen Nano- und Mikroplastikpartikeln enthielt. In Mauszellen wurde eine Abnahme der Zellaktivität beobachtet, die in der Regel durch Partikel im Nanometerbereich verursacht wurde. Der Stoffwechsel in den Mauszellen wurde vor allem durch Titandioxid-Nanopartikel und Kunststoffe erheblich gestört.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Inhaltsstoffe von Dispersionsfarben in Organismen und Zellen Reaktionen unterschiedlichen Ausmaßes hervorrufen können. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Inhaltsstoffe umweltschädlich sein könnten. Weitere Forschungen auf diesem Gebiet sind zumal dringend erforderlich wir wissen noch viel zu wenig darüber, ob Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln aus Kunststoff und anorganischen Nanopartikeln zusätzliche Schäden auslösen können“, erklärt Prof. Dr. Christian Laforsch, Sprecher des Sonderforschungsbereichs Mikroplastik.

„Ebenso noch weitgehend ungeklärt ist die Frage, wie die Inhaltsstoffe von Dispersionsfarben mit anderen Stoffen in unterschiedlichen Umweltkompartimenten – etwa in der Luft, im Boden oder in Flüssen – interagieren. Allerdings ist schon jetzt klar, dass Dispersionsfarben nicht sein sollten achtlos in die Umwelt entsorgt werden“, sagt Prof. Dr. Ruth Freitag, Inhaberin des Lehrstuhls für Prozessbiotechnologie an der Universität Bayreuth.

Die Studie zu Inhaltsstoffen von Dispersionsfarben und deren möglichen Auswirkungen auf Lebewesen ist in der Fachzeitschrift erschienen Ökotoxikologie und Umweltsicherheit. Es basiert auf einer engen interdisziplinären Vernetzung im Sonderforschungsbereich 1357 Mikroplastik der Universität Bayreuth.

Eine neuartige Membran mit hoher Filterwirkung

Parallel zu den Untersuchungen zu Dispersionsfarben und ihren möglichen Wirkungen haben sich Forscher um Prof. Dr. Andreas Greiner einem weiteren Projekt gewidmet: Sie haben ein neues Verfahren entwickelt, um potenziell schädliche Partikel aus Dispersionswandfarben durch Filtration aus dem Abwasser zu entfernen. Dabei kommt eine Membran aus funktionalisierten Fasern zum Einsatz, die im Elektrospinnverfahren hergestellt werden. Die Membran hält Partikel in Mikro- und Nanometergröße auf unterschiedliche Weise zurück. Die Poren der Membran sind so fein, dass Mikropartikel nicht passieren können, während Wechselwirkungen zwischen Membranfasern und Nanopartikeln dazu führen, dass sie an der Membranoberfläche haften bleiben, obwohl sie in die Poren passen würden. In beiden Fällen ist die Filterwirkung nicht mit einer schnellen und großflächigen Verstopfung der Poren verbunden. Daher kann beispielsweise Wasser leicht durch die Membran hindurchtreten und ablaufen.

Im Tagebuch Makromolekulare Materialien und Technikbeschreiben die Bayreuther Wissenschaftler die erfolgreiche Anwendung der Membran. Sie testeten 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 Farbbestandteile – insbesondere Nanopartikel aus Titandioxid und Polyacrylat sowie Mikropartikel aus Calciumcarbonat – zurückzuhalten.

„All diese Farbbestandteile werden im Alltag gemeinsam ins Abwasser geleitet. Dort vermischen sie sich und verändern durch ihre Wechselwirkungen teilweise sogar ihre Strukturen und Eigenschaften. Deshalb haben wir die Filtrationsleistung unserer elektrogesponnenen Membran gezielt an solchen Mischungen getestet. Die von uns erzielten hohen Filterwirkungen zeigen, dass dieses Verfahren großes Potenzial hat, Wasser von Partikeln im Mikro- und Nanometerbereich zu reinigen, wie sie in weltweit gebräuchlichen Farben enthalten sind“, so Greiner.