Nanodeeltjes duiken in steeds meer producten – van tandpasta en verf tot textiel en plastic – op. Maar zijn ze eigenlijk wel veilig?

Het is een vraag die hoogleraar ecotoxicologie Martina Vijver bezighoudt. Zeker nu steeds meer wetenschappelijke studies aantonen dat sommige nanodeeltjes schadelijk zijn voor mens en milieu. “Keer op keer blijken gesynthetiseerde stoffen het milieu sterker te verontreinigen dan labtesten kunnen voorspellen,” aldus Vijver tijdens haar recent uitgesproken oratie aan de Universiteit Leiden waar ze sinds december 2017 is aangesteld als hoogleraar Ecotoxicologie.

Wat is een nanodeeltje?
“Je kunt ieder materiaal op de nanoschaal maken,” stelt Vijver. “Dus hoeveel stoffen zijn er? Duizenden. Zoveel nanomaterialen zijn er in theorie ook te maken, zelfs meer. Je kunt ze namelijk op verschillende grootte maken en in verschillende vormen.” Het ene nanodeeltje is rond, het andere heeft de vorm van een ster of een naaldje. Of ze zijn beiden stervormig, maar gemaakt van titaniumdioxide of zilver. Het enige dat nanodeeltjes eigenlijk met elkaar gemeen hebben is hun minuscule schaal: van 1 tot 100 nanometer.

Ondanks de zorgen die wetenschappers omtrent nanodeeltjes hebben, neemt het gebruik ervan jaarlijks met circa 18% toe. De EU schat dat er nu al minimaal 11 miljoen ton nanomaterialen per jaar wereldwijd op de markt komt. Maar dat is een grove schatting: de registratie van nanomaterialen in producten is wereldwijd nog nauwelijks geregeld. We weten wel dat dit soort stoffen in veel producten zit: van tandpasta, textiel, keukenspullen, verf, elektronica tot beton, plastics en coatings. Maar niet in welk product, dat van merk A of merk B. En ook niet in hoeverre deze stoffen vrijkomen tijdens gebruik.

Risico’s
Wat de laatste jaren wel duidelijk is geworden is dat sommige van deze nanodeeltjes schadelijk zijn voor de gezondheid. In de afgelopen tien jaar is bijvoorbeeld uit een heel scala aan wetenschappelijk onderzoek gebleken dat een aantal van deze stoffen kanker kunnen veroorzaken, net zoals asbest. Sommige nanodeeltjes zijn namelijk zo klein dat ze door het hele lichaam kunnen zwerven, tot in de hersenen en longblaasjes aan toe. “Nanodeeltjes die één tot vier nanometer groot zijn, kunnen de bloedhersenbarrière passeren,” aldus Vijver. De mogelijke gevolgen hiervan worden nu pas onderzocht. Net als andere gezondheidsrisico’s die nanodeeltjes met zich mee kunnen brengen. Sommige nanodeeltjes worden geassocieerd met het toebrengen van schade aan DNA. Andere weer met de aantasting van het zenuwstelsel, de lever en nieren. Of het doden van cellen, het ontsteken van weefsels en het verminderen van het vermogen tot voortplanting.

“Een nanodeeltje gaat makkelijker naar een plek waar het niet hoort. Zo simpel is het”

Vijver stelt: “Aan de ene kant geven nanomaterialen veel groeimogelijkheden voor de economie en de welvaart. Je hebt weinig nodig om hetzelfde te bereiken, omdat nanodeeltjes hoog reactief zijn. Er zijn zo weinig metalen nodig om bijvoorbeeld een batterij op te laden of om zonnepanelen efficiënt te laten zijn. Maar het heeft ook een kostprijs, namelijk dat de veiligheid in geding kan komen. We hebben daar nu geen idee van. Een chemische stof is niet per definitie veilig: deze geeft ook een reactie buiten de plek waar het hoort. En een nanodeeltje gaat makkelijker naar een plek waar het niet hoort. Zo simpel is het. Dat is iets waar we ons bewust van moeten worden en wat we moeten begrijpen, voordat we de hele wereld vol gesynthetiseerd hebben.”

Levend Lab: een nieuwe aanpak
Vijver pleit voor meer onderzoek naar de veiligheid van nanodeeltjes en voegt de daad bij het woord. Ze heeft namelijk een wereldwijd unieke manier ontwikkeld om te testen welke impact nanodeeltjes op het milieu hebben: het Levend Lab.

Het Levend Lab. Afbeelding: Levendlab.com.

Een echt ecosysteem is natuurlijk een woeste wereld vergeleken met de steriliteit van een laboratorium. Een veelgebruikt proefdier is bijvoorbeeld de zebravis, een tropisch visje dat in het lab in een warm bad wordt gehouden. Zonder andere dieren die erop jagen en met elke dag genoeg voedsel. “Maar dat is niet echt,” aldus Vijver. “Dieren leven in het milieu onder moeilijke condities. Ze moeten zoeken naar eten, er is competitie, er zijn stressoren als kou en wind en allerlei andere fluctuaties. Als je onder zulke condities leeft, hoeveel last heb je dan van chemische stoffen?” Vijver heeft het Levend Lab opgericht om deze vraag te kunnen beantwoorden. In 2016 zijn op het terrein van het BioScience park 36 sloten aangelegd, vlak naast een grote plas die uitmondt in de Oude Rijn. “De grond is anderhalve meter afgegraven, tot een laag uit de Romeinse tijd. Dus we zijn begonnen met helemaal schone grond. We hebben een jaar lang getest of dat ook echt zo bleef. Dit is misschien wel het schoonste stukje Nederland. In ieder geval het meest geteste stukje,” lacht Vijver. Het eerste half jaar stonden de proefsloten in direct contact met de plas, zodat deze al het leven uit de plas konden opnemen. Van watervlooien, bootsmannetjes en libellenlarven tot zaden van planten aan toe. Alleen vissen waren niet welkom, vanwege het verbod in Nederland om op deze dieren te testen. Hierna werd de verbinding met de plas verbroken en kon het testen beginnen, bijvoorbeeld van bestrijdingsmiddelen. “Wij testen hier alleen chemische stoffen die snel afbreken, en geen persistente stoffen. Daar zou ik niet aan beginnen in deze testfaciliteit,” verduidelijkt Vijver. “Tijdens het testen blijven de sloten afgesloten, anders zouden onze stoffen door het hele milieu gaan zitten. Als de test over is, pompen we de sloten leeg en worden de schuiven naar de plas weer opengezet tot de volgende test.”

Wereldwijd uniek
Mesokosmossen, ofwel mini-ecosystemen, maken al sinds de jaren ’90 deel uit van wetenschappelijk onderzoek. Het gaat daarbij meestal om een losstaande betonnen bak of een ingegraven vijverbak. “Daar wordt dan een voedselketen in gezet, die vaak bestaat uit drie soorten. Bijvoorbeeld 15 algen, 10 watervlooien en 3 waterjuffers. Dan ben je weer aan het manipuleren. Dat heeft niets te maken met natuur,” aldus Vijver. “Wij hebben wel 140 soorten in de sloten, die er vanzelf in zijn gekomen. Dat zijn naar schatting 60.000 beestjes,” vervolgt Vijver. Haar promovendi controleren regelmatig met een schepnet hoe het dierenbestand in de sloten ervoor staat. Niemand ter wereld beschikt volgens Vijver over een soortgelijk levend laboratorium. In Canada hebben ze weliswaar in het Lake District proefmeren, maar dat doorstaat volgens haar niet de vergelijking met deze proefsloten. “Het mooie van een sloot is dat deze veel sediment heeft en niet zo diep is. Aan de kant staan dan weer wat planten, dan weer niets. Dat trekt unieke beesten aan, die op het land zitten en in het water. Het is heel divers.”

In het Levend Lab zijn tal van diersoorten te vinden, waaronder watervlooien. Hierboven zie je er eentje. De watervlo is ongeveer vier millimeter groot en het afgebeelde exemplaar heeft eitjes in de buik. Afbeelding: Dieter Ebert (via Wikimedia Commons).

“Een meer is heel groot, met veel bulkwater. Alleen de kant kent variëteit. Midden in het meer is het vrij homogeen. Per liter water is er nogal een verschil tussen het leven in een meer en dat in een sloot. Een sloot is ook onderhevig aan fluctuaties. Als het warm weer is, warmt de sloot snel op. Je kunt dus in de realiteit zien hoe een beestje zich gedraagt onder fluctuerende condities. Dat is veel sneller te testen in een sloot dan in een meer. Het duurt veel langer totdat een meer 2 graden warmer is.”

Eerste resultaten Levend Lab
De testen in de open sloten laten zien dat een echt ecosysteem tot wel 2.500 keer gevoeliger is voor effecten van bijvoorbeeld bestrijdingsmiddelen dan in het lab tot uiting komt. Dit bleek uit het onderzoek van Vijver naar neonicotinoïden, dat wereldwijd het meest verkochte middel tegen insecten is. Watervlooien gaan in sloten die met dit landbouwgif geïnfecteerd zijn veel sneller dood dan in labtesten. Ook nam het aantal soorten af, omdat er minder voedsel – lees watervlo – beschikbaar was. “Soms zit het leven mee voor beestjes en zijn ze niet al hun energie kwijt om zich te weren tegen de natuur. Dan kunnen ze best goed omgaan met chemische stress,” legt Vijver uit. “En soms zie je dat ze opeens heel gevoelig worden, als ze ook al veel energie kwijt zijn om zich staande te houden. Die fluctuaties zijn inherent aan de natuur.”

“Polystyreen nanodeeltjes kleiner dan 50 nanometer zijn zelfs in de ogen van zebravissen terug te vinden”

Nanodeeltjes terugvinden
Vijver heeft nog geen testen uitgevoerd met nanodeeltjes in de proefsloten. Er is nog een lange weg te gaan om dat voor elkaar te krijgen. Haar onderzoeksgroep, die bestaat uit achttien promovendi, heeft ondertussen al wel aangetoond in het lab dat polystyreen nanodeeltjes kleiner dan 50 nanometer in het hele lichaam van zebravisjes zijn te vinden, ook in de ogen. Bij watervlooien gaan de deeltjes veelal rondom ongeboren watervlootjes zitten. “Je moet zo’n nanodeeltje wel weten terug te vinden. In tien meter sloot wordt dat wel een dingetje,” stelt Vijver. De wereld van nanodeeltjes blijkt namelijk nog veel complexer te zijn. Vijver legt uit dat een nanodeeltje eigenlijk een ‘carrier’ van ionen is: “Een ion is 0,0007 nanometer en een nanodeeltje is 1 tot 100 nanometer – dus er zitten nogal wat van die hele kleine ionen in zo’n deeltje. Als een nanodeeltje in contact komt met een vloeistof, lost het niet gewoon op zoals een molecuul doet. Het blijft door de oplossing zweven, en laat beetje bij beetje ionen los. Die ionen lossen wel in de vloeistof op. Die hebben andere karaktereigenschappen en een andere toxiciteit. Het nanodeeltje blijft ionen loslaten tot-ie helemaal weg is. Maar bij bepaalde wrijving of chemische reacties kan synthese ontstaan, waardoor er weer nanodeeltjes worden gevormd.”

Meten nanodeeltjes
Om testen met nanodeeltjes uit te voeren, moet dus eerst detectieapparatuur worden ontwikkeld. Onderzoekers over de hele wereld zijn hiermee bezig, en daar is nog geen eenduidig antwoord op gevonden. “Er is allereerst een microscoop nodig om het deeltje te meten. Dat kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld met een confocale microscoop of een twee-foton laser microscoop. Wij hebben hier een image centre en daar staan wel negen verschillende microscopen. Eén van onze promovendi is nu bezig met testen hoe nanodeeltjes het beste zijn te meten. Omdat het nanodeeltje ook een chemische stof is, moet je ook een chemische bepaling doen. Dat is afhankelijk van welk nanomateriaal je wilt bestuderen. Wil je een metaalhoudend nanodeeltje bestuderen, dan moet je metaal gaan analyseren. Dat kun je ook met allerlei technieken doen. Als het een pesticide nanodeeltje is, zul je organische stoffen moeten gaan meten. Als je nanomedicijnen gaat testen, dan moet je én metalen én organische stoffen meten. Het is dus heel moeilijk om te zeggen hoe je die deeltjes gaat traceren. Elke keer moet je weten welk deeltje het is, hoe het eruit ziet, welke vorm het heeft en welke chemische component het kent.”

Vijver is momenteel bezig met het testen van polystyreen nanodeeltjes op algen in een fles van 5 liter. “Ik wil heel graag terug gaan naar het echte ecosysteem. Maar dat kan niet zomaar. Daarom testen we dit soort losse elementen eerst in het lab. Er zijn al testen gedaan met zebravisjes en watervlooien, en nu met algen. Als die drie zijn getest, kunnen we naar een 65 liter vat. Om daarin een ecosysteem na te bouwen. De zebravis eet de watervlo, de watervlo eet de alg. Dat is een stabiel systeempje om te testen. Als ik dat dan weer snap, kan ik naar een complexer systeem.” Tot nu toe zijn er testen uitgevoerd met nanodeeltjes van koper, zink, titaniumdioxide, lood, goud, zilver en polystyreen. Hieruit blijkt dat elk soort nanodeeltje een eigen weg aflegt. “Het deeltje gaat ergens heen, omdat het een bepaalde grootte en vorm heeft. Het chemische deel, de ionen, gaat ergens ander heen. Dat verschilt per nanodeeltje. Een rond vormpje blijft eerder plakken. Een naaldvorm penetreert sneller omdat het een kleine dimensie heeft aan één kant. Bij stervormige nanodeeltjes weet je zeker dat het veel makkelijker ergens in blijft hangen en iets beschadigt. “Het gaat mij erom een algemene deler te vinden die maakt dat ik kan inschatten wat dat deeltje doet en wat de chemische component doet. Dat is de uitdaging die ik graag aan ga,” aldus Vijver.

Lydia Heida is als journaliste gespecialiseerd in duurzaamheid, recycling, hernieuwbare energie en grondstoffen. Haar artikelen zijn onder meer gepubliceerd in Yale Environment 360, Professional Engineering Magazine, Spektrum der Wissenschaft, Trouw, de Volkskrant en Technisch Weekblad.