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Understanding the human health impacts of environmental micro- and nanoplastics
test material development and environmental exposure studies
Lukas Wimmer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Pharmazie
Betreuer*in
Lea Ann Dailey
DOI
10.25365/thesis.79522
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11790.90884.609436-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kunststoffe ermöglichten beachtliche technologische Fortschritte, doch das stetig steigende Produktionsvolumen bei gleichzeitig inadäquater Entsorgung resultierten in der Akkumulation dieser Materialien in der Natur. Kunststoffe stellen mittlerweile eines der größten Umweltprobleme der Moderne dar, denn sie sind einerseits sehr langlebig, aber fragmentieren andererseits unter Umwelteinflüssen in immer kleinere Mikro- und Nanoplastikpartikel (MNP). Diese Größenreduktion begünstigt ihre Verbreitung durch Wind oder Wasser, was zu einer nahezu unvermeidbaren Exposition über die Nahrung oder Luft führt. Trotz der zunehmenden Anzahl von Studien, in denen MNP in verschiedenen Bereichen des menschlichen Körpers nachwiesen wurden, bestehen Unsicherheiten bezüglich möglicher gesundheitlicher Auswirkungen. Von besonderer Relevanz sind Partikel < 10 µm, da sie leicht inhaliert werden können und mit akuten sowie langfristigen negativen gesundheitlichen Folgen verbunden sind. Während dies besonders auf verkehrsbedingte Aerosole zutrifft, sind die Auswirkungen von inhalierten MNP nach wie vor unzureichend erforscht. Ein Grund für die bestehenden Wissenslücken ist der Mangel an geeigneten Testmaterialien. Kommerziell erhältliche MNP sind oft nicht für den Einsatz in biologischen Assays konzipiert und können nicht deklarierte oder sogar potenziell interferierende Substanzen enthalten. Wissenschaftliche Publikationen von Methoden zur Eigenproduktion von Testmaterialien vernachlässigen hingegen oft die Charakterisierung biologisch relevanter Eigenschaften. Ein weiterer Grund für Unsicherheiten bezüglich der gesundheitlichen Auswirkungen sind die sehr limitierte Verfügbarkeit von Daten zu Umweltkonzentrationen inhalierbarer MNP, insbesondere in Aerosolen. Während erste Studien größere Mikroplastikpartikel (MP) in Meeres-Aerosolen nachweisen konnten, wurden jedoch die inhalierbaren Partikel < 10 µm nicht untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab die beschriebenen Wissenslücken zu schließen, erstens durch die Entwicklung von MP und Nanoplastikpartikel (NP) als Testmaterialien, speziell für die Anwendung in biologischen Assays und zweitens durch die Implementierung und Validierung einer neuartigen Methode zur Probenahme und Quantifizierung von MNP in Aerosolen. Die Testmaterialien wurden mithilfe eines systematischen Ansatzes, bekannt als "Quality-by-Design”, entwickelt. Dabei wurden entscheidende Materialeigenschaften vorab definiert, um die Produktqualität bereits von der Konzeptphase an zu gewährleisten. Das erste entwickelte Material waren Polypropylen (PP) MP (1-10 µm) für inhalationstoxikologische Studien. PP wurde einem Mahlprozess unterzogen, um den Fragmentierungsprozess in der Umwelt zu imitieren, gefolgt von einem mehrstufigen Verfahren zur Größenklassierung. Die erhaltenen Partikel wurden anschließend in Glycerol suspendiert, als biokompatibles Lagermedium und Dispergierhilfe. Eine umfassende Materialcharakterisierung zeigte, dass unregelmäßig geformte Fragmente mit einer hoch reproduzierbaren medianen Partikelgröße erhalten wurden. In keinem der in Glycerol gelagerten MP-Suspensionen wurden lebensfähige Mikroorganismen nachgewiesen, selbst bei Partikeln die 2.5 Jahre gelagert wurden. Darüber hinaus war das Material nach der Produktion in biorelevantem Medium (Dulbecco's Modified Eagle's Medium, DMEM) vollständig redispergierbar, zeigte jedoch nach 2.5 Jahren Anzeichen von Agglomeration. Der praktische Nutzen wurde jedoch durch die geringe Partikelausbeute pro Charge stark eingeschränkt. Als zweiter Materialtyp wurden Polyethylenterephthalat (PET) und PP NP für den Einsatz in In-vitro- und In-vivo-Assays entwickelt, mit einem angestrebten Größenanteil unter 1 µm von > 85 %. Hohe Ausbeuten pro Charge wurden durch Lösen und anschließende Repräzipitation (Nanopräzipitation) der Polymere erzielt, was die Herstellung hochkonzentrierter Stammsuspensionen in Glycerol für Dosis-Eskalations-Studien ermöglichte. Eine detaillierte Untersuchung des Glycerol-Vehikels zeigte, dass die Zytotoxizität durch Hyperosmolarität verursacht wurde, was jedoch für die üblicherweise getesteten NP-Konzentrationen unproblematisch war. Die produzierten NP waren frei von Verunreinigungen und ihre chemische Zusammensetzung wurde durch die Produktion nicht verändert. Die Batch-zu-Batch-Variabilität des fertigen Glycerolprodukts war gering und der angestrebte Größenanteil < 1 µm wurde für beide Polymere übertroffen. Die Endotoxinkonzentrationen lagen unterhalb der Nachweisgrenze und die physikalische sowie mikrobielle Stabilität war über 12 Monate hinweg gegeben. PET NP konnten in biorelevantem Medium vollständig redispergiert werden, während die hydrophoberen PP NP agglomerierten. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein Glas-Flüssigkeits-Impinger (GLI) als neuartiges Probenahmegerät für MNP in Aerosolen untersucht. Aufgrund der erwarteten geringen Konzentrationen wurde die thermische Extraktions-Desorptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) für die Probenanalyse gewählt. Da der GLI kein Standardgerät in der Umweltwissenschaft ist, wurde eine umfassende Methodenvalidierung zur Bewertung der Leistungsfähigkeit durchgeführt. Die Robustheit des Wasch- und Probenahmeverfahrens wurde durch hohe Wiederfindungsraten von dotierten NP demonstriert. Die Vernebelung von PET und PP NP zur Bestimmung ihrer Abscheidungsmuster im Gerät erwies sich jedoch als herausfordernd. Die hydrophoberen PP NP konnten nicht vernebelt werden, was mit ihrem Agglomerationszustand nach der Vernebelung korrelierte. Während geringe Mengen an PET innerhalb des GLI nachgewiesen wurden, verblieb der Großteil im Verneblerreservoir, obwohl die Partikel während des gesamten Experiments gut dispergiert blieben. Abschließend wurden zwei Feldstudien durchgeführt, um die MNP-Konzentrationen in Aerosolen an See- und Meeresstandorten zu vergleichen, wobei das entwickelte GLI und TED-GC-MS-Verfahren angewendet wurde. Vorläufige Daten aus der See-Studie zeigten keine MNP-Konzentrationen über den prozeduralen Blindwerten. Die Nachweisgrenzen und somit letztendlich die Eignung der Methode müssen in zukünftigen Arbeiten bestimmt werden, da die Datenanalyse noch läuft.
Abstract
(Englisch)
Plastics enabled significant technological advancements but the ever-increasing production volume and insufficient waste management lead to accumulation of those materials in nature. Consequently, plastics have become major environmental pollutants. While plastics are durable, they continuously fragment under environmental influences forming micro- and nanoplastics (MNPs). This size reduction enhances their spread via wind or water bodies, leading to almost unavoidable exposure to MNPs through food or air. Despite the increasing number of reports detecting MNPs in various regions of the human body, knowledge gaps exist regarding possible health implications. Particularly particles < 10 µm are of concern as they can be inhaled and are associated with both acute and long-term negative health effects. While this is especially true for traffic related aerosols, the impact of inhaled MNPs remains understudied. One reason for the existing knowledge gaps is the lack of suitable test materials. Commercially available MNPs are often not designed for use in biological assays and can contain undisclosed or even potentially interfering substances. Published methods to produce materials in-house on the other hand often neglect characterization of biologically relevant properties. Another reason for uncertainties regarding health implications is limited data on environmental concentrations of inhalable MNPs, particularly in aerosols. While initial research detected MPs in seaside aerosols, the inhalable fraction < 10 µm remained unstudied. This thesis aims to address these gaps, firstly by developing microplastic (MP) and nanoplastic (NP) test materials specifically for use in biological assays, and secondly through implementation and validation of a novel sampling technique for the quantification of MNPs in aerosols. Test materials are developed following a systematic approach known as quality-by-design, where critical material attributes are pre-defined to ensure product quality already from the conceptual phase onwards. Polypropylene (PP) MPs for use in inhalation toxicology studies with a size range from 1-10 µm was the first material developed. PP was subjected to milling to mimic the environmental fragmentation process, followed by a multi-step procedure for size fractionation. The obtained material was then suspended in glycerol as biocompatible storage medium and dispersion aid. Thorough material characterization showed that irregularly shaped fragments with a highly reproducible median particle size were obtained. In none of the MP suspensions in glycerol were viable microorganisms detected, including particles stored for 2.5 years. Furthermore, the material was fully redispersible in biorelevant medium (Dulbecco's Modified Eagle's Medium, DMEM) after production but showed signs of agglomeration after 2.5 years of storage. The practical utility, however, was severely constrained by the low particle yield per batch. NPs comprised of polyethylene terephthalate (PET) and PP for use in in vitro and in vivo assays were the second material type developed with a targeted size fraction < 1 µm of > 85%. High yields per batch were achieved through polymer dissolution and subsequent reprecipitation (nanoprecipitation), which enabled the creation of highly concentrated stock suspensions for dose escalation studies. In-depth investigation of the glycerol vehicle revealed that cytotoxicity was caused by hyperosmolarity but was not problematic for usually tested NP concentrations. The produced NPs were free of contaminants and their bulk chemistry was not altered through production. Batch-to-batch variability of the final glycerol product was low and the size fraction < 1 µm exceeded the target for both polymers. Endotoxin levels were below the limit of detection and physical and microbial stability was demonstrated over 12 months. Full dispersibility in biorelevant medium was achieved for PET NPs, whereas the more hydrophobic PP NPs agglomerated. In the last part of this thesis, a glass liquid impinger (GLI) was explored as a novel sampling device for MNPs in aerosols. Due to the low expected concentrations, thermal extraction-desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) was chosen for sample analysis. Since the GLI is not a standard device in air pollution science, extensive method validation was conducted to assess its performance. The robustness of the washing and sample collection was demonstrated through high recovery rates of spiked NPs. However, nebulization of PET and PP NPs to establish their deposition patterns was challenging. The more hydrophobic PP could not be nebulized, which correlated with their agglomeration status after nebulization. While small amounts of PET were detected inside the GLI, the majority stayed in the nebulizer reservoir although the particles remained well dispersed throughout the experiment. Finally, two field sampling campaigns were conducted comparing MNP concentrations in lakeside versus seaside aerosols, utilizing the developed GLI and TED-GC-MS method. Preliminary data from the lakeside campaign did not detect MNPs above procedural blank levels. The limit of detection and, thus, the methods suitability need to be determined in future work, as data analysis is ongoing.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroplastik Nanoplastik Quality-by-Design Testmaterialien Referenzmaterialien Inhalative Exposition In-vitro Assays In-vivo Assays Nanopräzipitation
Schlagwörter
(Englisch)
Microplastics Nanoplastics Quality-by-Design Test materials Reference materials Inhalation exposure In vitro assays In vivo assays Nanoprecipitation
Autor*innen
Lukas Wimmer 
Haupttitel (Englisch)
Understanding the human health impacts of environmental micro- and nanoplastics
Hauptuntertitel (Englisch)
test material development and environmental exposure studies
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xxvi, 175 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Wendel Wohlleben ,
Jana Asselman
Klassifikationen
44 Medizin > 44.39 Toxikologie ,
44 Medizin > 44.40 Pharmazie. Pharmazeutika
AC Nummer
AC17689879
Utheses ID
77577
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |