Forskare vid Wageningen University tillhandahåller världens första spatiotemporala explicita modell som simulerar beteendet och ödet för tekniska nanopartiklar (ENP) i ytvatten. Wageningen-forskaren Bart Koelmans:"Detta är viktigt för att säkerställa säker nanoteknik. Vi behöver ha en bedömning av riskerna med ENP för människan och miljön."

Nanotekniken utvecklas snabbt, med det snabbt växande utsläppet av mindre än 100 nm konstruerade nanopartiklar som följd. ENP är svåra att mäta i miljön så att exponeringsbedömningar måste förlita sig på modellering. Tidigare modeller kunde endast förutsäga genomsnittliga bakgrundskoncentrationer på kontinental eller nationell skala.

NanoDUFLOW

Den nya NanoDUFLOW-modellen utvecklad av Joris Quik, Jeroen de Klein och Bart Koelmans och nyligen beskrivna i Water Research magazine, kan simulera koncentrationerna av ENP, och deras homo- och heteroaggregat i rum och tid, för alla hydrologiska flöden i en flod. Under huven på NanoDUFLOW finns en "motor" som beräknar alla relevanta interaktioner mellan 35 typer av partiklar inklusive ENP, och som avgör aggregering, sättning eller långvarigt flöde i floden. Hastigheten för dessa interaktioner beror på flödesförhållandena i floden, som beräknas i hydrologimodulen i NanoDUFLOW. Den här modulen kan ställas in för att matcha kanalstrukturen för alla avrinningsområden som definierats av användaren, ger stor flexibilitet.

Utveckling av modellen

Utvecklingen av modellen tog en lång och slingrig väg. ENP är framväxande kemikalier med unika egenskaper, vilket innebär att några nya processbeskrivningar behövde utvecklas. En av huvudparametrarna i denna nya typ av modeller är infästningseffektiviteten. Fästningseffektiviteten är chansen att två partiklar håller ihop när de kolliderar, en chans som beror på arten av de kolliderande partiklarna och vattnets kemi. En smart beräkningsmetod behövde utvecklas som möjliggjorde uppskattning av fästeffektiviteten från laboratorieexperiment med ENP och naturliga partiklar och vatten som samlats in i fält.

Använder NanoDUFLOW för riskbedömning av nanomaterial

För att säkerställa säker nanoteknik, samhället efterlyser en bedömning av riskerna med ENP för människan och miljön. En riskbedömning för ENP kräver en bedömning av ENP-exponering, och effekterna av ENP, som sedan kan jämföras i en riskkarakterisering. Medan tidigare modeller på screeningnivå fortfarande kan vara förstahandsvalet för lägre nivåer i riskbedömningen, NanoDUFLOW tros vara användbart för högre nivåer av riskbedömningen, där platsspecifika risker måste hanteras. Simuleringar med NanoDUFLOW visade förekomsten av tydlig ENP-kontamination "hot spots" i vattenpelaren och i sediment. Vidare, NanoDUFLOW kunde simulera artbildningen av ENP över fraktioner av olika storlek. Denna art definierar de ekotoxikologiskt relevanta fraktionerna av ENP, för en mängd olika artegenskaper. Även i detta avseende kommer NanoDUFLOW att bidra till att förfina riskbedömningen för ENP.