Geschäftsfeld 5

Sicherheit bei Prozessen, Chemikalien und Pflanzenschutzmitteln: Herausforderung Umwelt- und Verbraucherschutz

Zusammenfassung

Neue Gesetze und Verordnungen wie REACH sowie zunehmendes ökologisches Verantwortungsbewusstsein steigern den Bedarf an gutachterlicher Beurteilung und Absicherung von neuen und bereits im Umlauf befindlichen Stoffen. Um Sicherheitsbedürfnis, Rechtssicherheit und Wirtschaftlichkeit in Einklang zu bringen, müssen teure analytische Untersuchungen sorgfältig geplant werden. Anhand von Expositions- und Umweltszenarien und Struktur-Wirkungsbeziehungen kann der Fraunhofer-Verbund Life Sciences erste Rahmendaten erheben. Besonders vorteilhaft dabei sind verschiedenste Datenpools, die dem Verbund aufgrund seiner vernetzten Struktur zur Verfügung stehen. Außer den klassischen Methoden der Stoffprüfung nach GLP und in akkreditierten Labors (DIN EN ISO/IEC 17025) können zur Bewertung von Pflanzenschutzmitteln auch komplexe Umweltsimulationen wie Fate-Studien, Mikro- und Mesokosmosstudien durchgeführt werden.

Mit neuen aussagekräftigen Screening-Methoden wie In-vitro-Gewebemodellen oder Hochdurchsatzsystemen für toxikologische In-vitro-Tests ist der Verbund wegweisend: mehr Sicherheit bei weniger Tierversuchen. So bieten zum Beispiel die Fischzelllinien des Verbunds eine viel versprechende Alternative zu konventionellen Fischtests. Die Diskussion, ob und welche Risiken für Mensch und Umwelt durch die Nanotechnologie entstehen, ist noch nicht abgeschlossen. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences beteiligt sich mit seiner ganzen Kompetenz an einer schnellen Bewertung.

Ein funktionierender Wasserhaushalt ist ein zentrales Bedürfnis jeder Zivilisation – ob es um die Bereitstellung sauberen Trinkwassers geht oder um die hygienisch einwandfreie Entsorgung des Abwassers. Das Ergebnis von DEUS 21, einem Forschungsprojekt mit maßgeblicher Beteiligung des Verbunds, ist ein interessantes Modell für effiziente Abwasserreinigung – dezentral ohne aufwändige Leitungssysteme und adaptierbar an lokale Anforderungen. Mit dem Online-Breitbandsensor AquaBioTox leistet der Verbund einen Beitrag zur Sicherheit des Trinkwassers.

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Prüfung und Bewertung von Chemikalien, Bioziden und Arzneimitteln

Verschiedene EU-Richtlinien fordern die intensive Prüfung von Chemikalien und Bioziden, auch für bereits auf dem Markt befindliche Stoffe. So erfordert beispielsweise die REACH-Verordnung (Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals) der EU umfangreiche Untersuchungen von Industriechemikalien.



Beratung und Unterstützung

Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences berät Sie von den ersten Fragen bis zum erfolgreichen Projektabschluss in allen Phasen der Prüfung und Bewertung von Chemikalien, Bioziden und Arzneimitteln. Anhand eines strukturierten Prozessplans nähern wir uns schrittweise dem Ziel. Dabei nutzen und vernetzen wir bestehendes Wissen aus unterschiedlichsten Datenpools als einen ersten wichtigen Schritt, um bestehende Datenlücken zu schließen. In der Entwicklung stoffspezifischer Strategien zur Generierung valider Daten für nicht belegte Endpunkte haben wir langjährige Erfahrungen. Dabei kommen die Bewertung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen (QSAR), Read-across sowie Stoffgruppen- und Analogiekonzepte zum Einsatz. In Expositionsszenarien beschreiben wir die Möglichkeit, mit einer Substanz exponiert zu werden; hierdurch kann auch geklärt werden, ob expositionsbezogenes Waiving – also der Verzicht auf die Durchführung bestimmter Studien aufgrund fehlender Expositionsrelevanz – zum Tragen kommen kann. Umweltszenarien geben Aufschluss über das Verhalten und den Verbleib des chemischen Stoffes in der Umwelt. Alle Schritte dieses Prozesses haben zum Ziel, nachfolgend mit einem Minimum an Untersuchungen auszukommen.

 

Klassische Methoden

Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences vereint toxikologische und ökotoxikologische Kompetenz sowie laborexperimentelle Prüfkapazität und bringt jahrzehntelange Erfahrung in den klassischen Methoden der Stoffprüfung mit. So prüft und evaluiert der Verbund die Exposition und das toxikologische und ökotoxikologische Gefährdungspotenzial verschiedener Chemikaliengruppen nach internationalen Richtlinien. Die Prüfungen werden GLP-konform beziehungsweise in akkreditierten Labors (DIN EN ISO/IEC 17025) durchgeführt. Gutachten und Dossiers werden erstellt und eine abschließende Risikobewertung angefertigt. Für bestehende Datenlücken optimiert der Fraunhofer-Verbund Life Sciences Prüfstrategien, begleitet die Prüfungen wissenschaftlich und bereitet sie für die Zulassung auf.

 

Innovative Screening-Methoden

Je nach Stoffart und Prüfumfang sind die klassischen Methoden oft zu teuer. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences entwickelt neue, zeit- und kostensparende Verfahren, insbesondere zur Gefährdungsbeurteilung von Chemikalien und zum Screening von Stoffeigenschaften. Er verbessert bestehende Expositionsmodelle für Mensch und Umwelt und erstellt Datenbanken für Struktur-Wirkungsbeziehungen. Neben den Kompetenzen auf den Gebieten Structure Activity Relationship (SAR) und Inhalationstoxikologie etabliert der Fraunhofer-Verbund Life Sciences zum Beispiel In-vitro-Testmodelle. Hierdurch können toxikologische Basisinformationen ohne Tierversuche ermittelt werden. Die dreidimensionalen In-vitro-Gewebemodelle besitzen viele der typischen Eigenschaften, die das jeweilige Organ im Körper auszeichnen. Zell- und molekularbiologische Analysen zur Toxizität von Chemikalien wie Zell-, Gen- oder Embryotoxizität können realitätsnah durchgeführt werden. An einem zertifizierten In-vitro-Hautmodell kann die Penetration von Chemikalien durch die Haut nachgestellt werden, ebenso können damit Tests zur Toxizität durchgeführt werden. Durch die Kopplung von 3-D-Zellsphäroiden mit einem Kapillarchip sind sogar Hochdurchsatzsysteme für toxikologische In-vitro-Tests möglich.

Validierte Fingerprints aus der Genexpressionsanalyse ermöglichen, das Potenzial für chronische und besonders auch kanzerogene Wirkungen zuverlässig abzuschätzen.

Marine Ökosysteme – Entwicklung alternativer Methoden zur Chemikalienprüfung und -bewertung

Der zunehmende anthropogene Schadstoffeintrag in die Umwelt stellt für die marine Lebensgemeinschaft ein beträchtliches Gefährdungspotenzial dar. Durch die ständig steigende Zahl von chemischen Verbindungen, die in das sensible Ökosystem Meer gelangen, wird es nötig, Informationen über eine möglicherweise toxische Wirkung auf marine Organismen zu gewinnen.

In den letzten Jahren haben vor allem In-vitro-Toxizitätstests an kultivierten Fischzellen stetig an Bedeutung gewonnen. Primäre Fischzellen und permanente Fischzelllinien stellen nicht nur eine ausgezeichnete Alternative zu konventionellen Fischtests (In-vivo-Fischtest DIN 38412) in der aquatischen (Öko-)Toxikologie dar, sondern bieten auch die Möglichkeit, Mechanismen der Toxizität chemischer Verbindungen zu untersuchen. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences hat bereits mehrere Fischzelllinien etabliert und Expertise auf diesem Gebiet gesammelt. Die Fischzellkulturen besitzen ein hohes Selbsterneuerungspotenzial und sind somit für den Einsatz in In-vitro-Toxizitätstests hervorragend geeignet. Dies gilt insbesonders für Untersuchungen toxischer Substanzen, die sich in der Nahrungskette von Meeresorganismen anreichern. Im Vergleich mit entsprechenden Langzeitkulturen humaner und muriner Zelllinien zeigten sich Fischzelllinien sensitiver gegenüber umweltrelevanten Giften, die in Wasserkörper eingeleitet werden.

Weitere Informationen zur Chemikalienprüfung und -bewertung im Rahmen der europäischen Chemikalienverordnung REACH finden Sie in der Broschüre des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences »REACH Beratung und Unterstützung«.

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Pflanzenschutzmittelzulassung

Pflanzenschutzmittel sind für eine ökonomisch tragfähige Landwirtschaft unerlässlich, belasten jedoch die Umwelt als Fremdstoffe. Um das ökologische Gleichgewicht zu erhalten und die Gesundheit des Menschen zu schützen, muss sichergestellt werden, dass die Auswirkungen auf Ökosysteme nur geringfügig und temporär sind.

 

Minimierung von Bewertungsunsicherheiten

Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences prüft und bewertet Pflanzenschutzmittel gemäß der nationalen und internationalen Pflanzenschutzgesetzgebung. Neben standardisierten Testverfahren zur Ermittlung intrinsischer Stoffeigenschaften setzen die Fraunhofer-Wissenschaftler dabei auch komplexe Umweltsimulationen ein. Experimentelle Schwerpunkte sind Studien zum Verhalten und Verbleib in der Umwelt (zum Beispiel in Lysimetern), Mikro- und Mesokosmosstudien, Fish-Full-Life-Cycle-Tests und Art-Empfindlichkeitsverteilungen. Ergänzt wird das Leistungsspektrum durch Expositions- und Wirkungsmodellierung, Gutachten und Beratung. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences identifiziert und quantifiziert Risiken und minimiert Bewertungsunsicherheiten (Higher Tier Risk Assessment). Durch eine frühzeitige Einbindung dieser Methoden in den Produktentwicklungsprozess können unnötige Entwicklungskosten vermieden werden. Der Verbund versteht sich auch als wissenschaftliche Vermittlungsinstanz zwischen Industrie und Behörden.

 

Metabolismusuntersuchungen

Für die Zulassung von Pflanzenschutzmitteln werden neben Informationen zum Wirkstoff selbst auch Daten zu Abbau und Reaktionsprodukten (Metabolite) gefordert. Untersuchungen hierzu erfolgen in relevanten Pflanzen sowie landwirtschaftlichen Nutztieren; weiterhin sehen die rückstandsanalytischen Untersuchungen auch Verarbeitungsstudien vor, die über den Einfluss der Be- und Verarbeitung des Ernteguts beziehungsweise Lebensmittels Aufschluss geben. Darüber hinaus ist zu klären, ob Nachbaukulturen die Wirkstoffe aus dem Boden aufnehmen und metabolisieren oder anreichern.

Bei diesen Studien zum Metabolismus von Pflanzenschutzmitteln in Böden, Pflanzen und Nutztieren ist eine wesentliche Herausforderung die Aufklärung der chemischen Struktur der Umwandlungsprodukte. Hierfür steht im Fraunhofer-Verbund Life Sciences eine moderne analytische Geräteausstattung mit hochauflösender MS und LC-NMR zur Verfügung. Metabolismusuntersuchungen können in Freilandanlagen, Gewächshäusern oder Klimakammern durchgeführt werden. Das Spektrum der einsetzbaren Pflanzen reicht von verbreiteten mitteleuropäischen Flächenkulturen, Gemüse- und Obstkulturen bis hin zu Kulturen subtropischer Nutzpflanzen, wie zum Beispiel Erdnuss, Baumwolle und Reis. Hierbei ist, je nach Fragestellung, die Verwendung unterschiedlicher Böden möglich; es besteht jederzeit Zugriff auf behördlich akzeptierte Referenzböden.

Im Bereich Tiermetabolismus werden Metabolismusuntersuchungen mit landwirtschaftlichen Nutztieren und Fischen angeboten. Alternative Konzepte für Fischstudien auf Basis von in vitro-Tests und Modellierungen sind in der Entwicklung.

Alle Studien können mit 14C-markierten Materialien und gemäß GLP durchgeführt werden. Langjährige Erfahrungen erlauben die gezielte Modifikation von Testsystemen, angepasst an die spezifischen Fragestellungen unserer Kunden.

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Risikobewertung neuer Technologien

Wer Zukunftstechnologien wie beispielsweise die Nanotechnologie effizient und nachhaltig nutzen will, muss sich auch frühzeitig mit potenziellen Technikfolgen und Risikobewertung aktiv auseinandersetzen.

Ihre vielen Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Umweltschutz, Verpackungs- oder auch Produktionstechnik sowie ihr wirtschaftliches Potenzial machen die Nanotechnologie verlockend. Sie ermutigen geradezu, den Fortschritt konsequent zu nutzen. Der Blick in die Geschichte zeigt aber auch, dass mit technologischen Innovationen Risiken verbunden sein können. Deshalb gebietet allein schon das Vorsorgeprinzip verstärkte Anstrengungen in der Gefährdungsabschätzungs- und Sicherheitsforschung. Viele Fragen sind noch offen, beispielsweise: »Was passiert mit Nanopartikeln, wenn sie in den menschlichen Körper oder die Umwelt gelangen?«

Die besonderen Eigenschaften und die hohe Reaktivität von Nano-Objekten beruhen auf ihrer geringen Größe. Doch gerade weil deren Strukturen so winzig sind, müssen bestehende Verfahren zur Gefährdungs- und Expositionsanalyse modifiziert werden, um den nanospezifischen Aspekten gerecht zu werden.

Die Institute des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences erforschen die Nanotechnologie in verschiedener Weise. Sie suchen nach neuen Anwendungen in der Medizin. Oder sie entwickeln für den Umweltschutz innovative Verfahren zum Schadstoffabbau. Ebenso wichtig ist dem Fraunhofer-Verbund Life Sciences aber auch das Thema Nachhaltigkeit, deren oberstes Prinzip die Balance zwischen Ressourcenschutz und Ressourceneinsatz ist. Daher befassen sich die Fraunhofer-Forscher auch intensiv mit potenziellen Gefährdungen durch die Nanotechnologie und sind Vorreiter dieser neuen wissenschaftlichen Disziplin – der Nanotoxikologie. Sie erarbeiten Methoden, die zeigen, inwieweit und unter welchen Voraussetzungen Nanomaterialien toxisch relevant werden könnten. Sie erforschen, ob sich Nano-Objekte auf Lebensräume wie Wasser oder Boden auswirken, wie sie sich in biologischen Systemen wie Zellen, Organen und Organismen verhalten und in welchem Maß Nanopartikel aus Verpackungsmaterialien aus- und auf verpackte Ware übertreten können. Auch potenzielle Emissionen von Nanopartikeln bei der Bearbeitung von nanopartikelhaltigen Kompositen werden untersucht, ebenso wie die Wirkung nanopartikulärer Zusätze in Produkten.

Durch die Ausarbeitung vorbeugender Empfehlungen ist ein hohes Maß an Sicherheit im Umgang mit der Nanotechnologie realisierbar. Fraunhofer-Wissenschaftler und -Wissenschaftlerinnen handeln hier nach dem Vorsorgeprinzip – für Mensch und Umwelt.
Weitere Informationen zur Nanotechnologieforschung im Fraunhofer-Verbund Life Sciences finden Sie in unserer Broschüre: »Nanotechnologieforschung für Mensch und Umwelt.«

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Wassermanagement

Mit der Entwicklung einer funktionierenden Abwasserentsorgung wurden in Europa die großen Seuchen besiegt. Und selbst wenn das Menschenrecht auf Zugang zu sauberem Trinkwasser letztendlich nicht festgeschrieben wurde, macht doch die internationale Diskussion die zentrale Bedeutung des Lebensmittels »Wasser« deutlich. Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences tragen dazu bei, dass auch bei steigendem Bedarf dieses Grundbedürfnis sicher, menschen- und umweltgerecht gestillt werden kann.

Abwasserentsorgung zum Schutz von Mensch und Umwelt

Abwässer enthalten neben anorganischen und organischen Verunreinigungen, die beseitigt werden müssen, Krankheitserreger, die bei ungenügender Behandlung über die Stoffkreisläufe verteilt werden und Erkrankungen hervorrufen können. In den industrialisierten Ländern sind in vielen Bereichen Lösungen auf hohem technischem Niveau zugänglich und werden meist in zentralen Systemen und Behandlungsanlagen realisiert. Die Qualitätsstandards sind dabei hoch, ihr Betrieb und die Instandhaltung verursachen allerdings auch hohe Kosten, die auf die Nutzer umgelegt und damit sozialisiert werden. Einen enormen Kostenfaktor stellen die weit verzweigten Rohrleitungssysteme dar. Ihre Instandhaltung verschlingt hohe Summen und es erfordert einen großen Aufwand, um das Eintreten von Verunreinigungen ins Trinkwassernetz dauerhaft zu vermeiden oder der Kontamination der Umwelt mit Abwässern vorzubeugen. Trotz des damit verbundenen Aufwands werden die Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen in der Regel gut beherrscht.

Treten bei zentral organisierten und komplexen Strukturen jedoch unvorhergesehene Störfälle auf, sind die Folgen insbesondere bei großen und wachsenden Städten unübersehbar. In dezentralen Ver- und Entsorgungssystemen lassen sich Störfälle rascher lokalisieren und unerwünschte oder schädliche Auswirkungen mit geeigneten Maßnahmen begrenzen.

Dezentrale Systeme sind überschaubar und mit den heute üblichen Steuer- und Regelungseinheiten mit deutlich geringerem Personalaufwand zu betreiben, als das noch vor wenigen Jahren denkbar und möglich war. Das vom BMBF geförderte Forschungsprojekt DEUS 21, das von Fraunhofer initiiert, koordiniert und gemeinsam mit Industriepartnern realisiert wurde, zeigt, dass dezentrale Systeme in der Lage sind, adaptiert an die Anforderungen der jeweiligen Standorte, sehr effizient und sicher in kleineren Einheiten Abwässer zu reinigen (Schema 2).

Überwachung von Wasserinfrastruktursystemen

Die Anlagen zur Behandlung von Abwässern oder zur Aufarbeitung von Trinkwasser werden in Deutschland regelmäßig überwacht, um sicherzustellen, dass sie den gesetzlichen Anforderungen zum Schutz des Verbrauchers entsprechen. Trinkwasser gilt als Lebensmittel und bedarf damit einer besonders sorgfältigen Überwachung. Im Trinkwasserbereich erfolgt diese derzeit durch regelmäßige Probenahme und eine umfassende chemische und mikrobiologische Analyse des Wassers. Hohe Qualitätsanforderungen der Trinkwasserverordnung (2001, 2006) müssen von den Trinkwasserversorgern eingehalten werden. Die routinemäßig eingesetzten Verfahren zur Überwachung insbesondere der Rohrleitungsnetze sind meist zeitaufwändig. Messverfahren, die unvorhersehbare Ereignisse, wie Unfälle oder gezielte Anschläge, die die Wasserversorgungsnetze bedrohen, anzeigen, sind erforderlich, so dass unverzügliches Handeln zur Abwehr von Gefahren erfolgen kann.

Schema 2: Dezentrale Kläranlage in Heidelberg-Neurott. Quelle: Fraunhofer IGB



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