So entsteht Mikroplastik

Im Zusammenhang mit der Belastung der Umwelt durch Kunststoffe spielt Mikroplastik (MP) eine zunehmende Rolle. Bis zu fünf Gramm, entsprechend dem Gewicht einer Kreditkarte, sollen wir laut einer Studie des WWF pro Woche durch den Konsum von Nahrung, Trinkwasser oder durch bloßes Atmen im Durchschnitt in unseren Körper aufnehmen. Die Resonanz des wissenschaftlichen Diskurses in der Gesellschaft ist beachtlich. Offene Fragestellungen zu den Auswirkungen von Mikroplastik auf die Natur und die Gefahren für Tier und Mensch müssen dringend wissenschaftlich untersucht und verstanden werden. Trotz intensiver Auseinandersetzung mit der Thematik sind viele grundlegende Fragestellungen weitestgehend unerforscht. Deshalb hat sich ein interdisziplinäres Team im Sonderforschungsbereich „SFB 1357 – Mikroplastik“ zusammengefunden, um die komplexen Zusammenhänge von der Entstehung und des Zerfalls makroskopischer Plastikteile zu mikroskopischen Partikeln über den Transport in der Umwelt, bis zur Aufnahme von Mikroplastik in die Zellen eines Lebewesens aufzudecken. Aus den Erkenntnissen sollen passende Lösungsansätze entwickelt werden.

Die Wissenslücke beginnt bereits bei der Suche nach einer standardisierten Definition: Der Begriff Mikroplastik (MP) geht auf das Jahr 2004 zurück. Gemeint waren damals Akkumulationen von mikroskopischen Plastikstücken in maritimen Gewässern. 14 Jahre später existiert immer noch keine einheitliche Definition des Begriffs. Der Vorschlag aus dem Jahr 2009 eines oberen Größenlimits von 5 mm findet allerdings Einklang in der Forschungs-Community und gilt seitdem als eine Art ungeschriebenes Gesetz. Unabhängig von der Geometrie oder der Kunststoffart umfasst der Begriff Mikroplastik demnach alle Arten von Plastikpartikeln mit einer lateralen Dimension kleiner 5 mm. Dazu werden Fasern, Plättchen und sphärische Partikel gezählt. Die Abgrenzung zu Nanoplastik wird in der Literatur teilweise durch ein unteres Größenlimit von 1 µm, in manchen Arbeiten auch von 100 nm angegeben, was den dringlichen Bedarf an einer einheitlichen Definition und Klassifikationen wiederspiegelt.

Kategorisierung und Quellen von Mikroplastik

Anteilige Menge der Pro-Kopf-Emissionen an MP in Deutschland im Jahr 2018. (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Grundsätzlich wird MP anhand seines Ursprungs in zwei Kategorien eingeteilt – primäres und sekundäres MP. Die Herstellung von primären MP erfolgt bewusst und zu einem bestimmten Zweck, beispielsweise als Kunststoffgranulat oder Abriebmedium zur mechanischen Reinigung. Bedeutende Eintragsquellen sind folglich die Kunststoff- sowie Kosmetikindustrie. Sekundäres MP entsteht als Folge von witterungsbedingter Degradation in der Umwelt oder Fragmentierung von Makroplastik während der Nutzungsphase. Sekundäres MP erfüllt keinen Zweck, sondern stellt eine Folgeerscheinung von externen Umwelteinflüssen wie UV-Strahlung, mechanischem Abrieb, Mikroorganismen und/oder Oxidation dar. Die Eintragsquellen sind aufgrund der Verkettungen der Umwelteinflüsse und der hohen Verweildauer in der Umwelt deutlich komplexer und umfangreicher, wodurch eine Vermeidung nur schwer zu realisieren ist. Je nach den etwaigen Lebensumständen sind die entstehenden Mengen von sekundärem MP in der Umwelt stark schwankend. Schätzungen zufolge stellte in Deutschland im Jahr 2018 Reifenabrieb mit Abstand den größten Eintragsweg dar, gefolgt von der Freisetzung bei der Abfallentsorgung und dem Abrieb von Bitumen in Asphalt. Im Allgemeinen ist der Anteil von sekundärem MP mit circa 82 % des Gesamtanteils von Mikroplastik in der Umwelt deutlich höher als der des primären MPs.

Die Folgen von Mikroplastik

Die raue und unregelmäßige Oberfläche von sekundären MP in Folge von Alterung und Fragmentierung bietet eine große Adhäsionsfläche für Schwermetalle und persistente organische Schadstoffe, sogenannte „POPs“ und Biofilme. Der Zusatz von Verarbeitungs- und Funktionsadditiven und die mögliche Freisetzung dieser niedermolekularen Substanzen während des Zerfallsprozess darf ebenfalls bei der Abschätzung des Toxizitätspotentials nicht außer Acht gelassen werden. In Bezug auf das Schadpotential von MP und deren Adhäsionsprodukten lassen sich bis heute große Wissenslücken feststellen. Das Gefahrenpotential aus der Kombination von Polymerpartikeln und Additiven ist nahezu unerforscht, was aufgrund der zunehmenden Präsenz von MP in unserem täglichen Leben zu einer starken Verunsicherungen in der Gesellschaft führt; denn eins ist klar: Mikroplastik ist allgegenwärtig – in maritimen Gewässern, in Seen, in Flüssen, in Böden und in der Atemluft. Die Aufnahme der Kleinstpartikel durch den Eintrag in die Nahrungskette und in unser Trinkwasser ist nahezu unvermeidbar. Doch wie sieht es aus mit einer zusammenfassenden Risikobewertung? Dafür sind die vorhandenen Daten bei weitem noch nicht ausreichend. Höchste Zeit also, sich eingehend mit den Konsequenzen zu befassen.

Derzeitige Forschungen zu Mikroplastik

Das Thema Mikroplastik beschäftigt eine Reihe von Wissenschaftlern der unterschiedlichsten Fachrichtungen in der ganzen Welt. Die aktuellen Forschungsvorhaben befassen sich mit der Untersuchung der Eintragswege und -pfade über die Identifizierung von MP-Kontaminations-Hotspots und der Entwicklung von einheitlichen und standardisierten Methoden bis hin zu Probennahme und Analyse. Um allerdings auf weitreichende Folgen für das Ökosystem und Lebewesen schließen zu können, gilt es zunächst, die Grundlagen zu erforschen um ein umfassendes Gesamtbild zu gewinnen.

Um der Komplexität der Thematik gerecht zu werden, wurde an der Universität Bayreuth, Bayreuth, Anfang 2019 ein neuer Sonderforschungsbereich (SFB) eingerichtet, der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Unter der Leitung von Prof. Christian Laforsch und Prof. Andreas Greiner haben sich im „SFB 1357 – Mikroplastik“ Wissenschaftler der Fachrichtungen Biologie, Chemie, Physik, Ingenieurwissenschaften und Geowissenschaften zusammengeschlossen, um eine interdisziplinäre Untersuchung des Themas Mikroplastik durchzuführen. Zur Strukturierung des umfassenden Projekts wurden drei Säulen eingerichtet, welche über ein gemeinsames Dach stark miteinander interagieren:

• Entstehung und Degradation von MP,
• Migration von MP in und zwischen einzelnen Umweltkompartimenten und
• die biologischen Effekte von MP in limnischen und terrestrischen Systemen.

Das sind die drei Säulen des Projektes

Zusammenwirken unterschiedlicher Projektsäulen im SFB 1357 – Mikroplastik. (Bildquelle: Uni Bayreuth)

Aufgrund der bereits erwähnten Brisanz von sekundärem MP beschäftigen sich die Wissenschaftler im Teilbereich „Entstehung und Degradation“ mit den Vorgängen des Zerfalls von Makro- zu Mikroplastik und dessen weiteren Abbau. Dazu werden physikalische und chemische Abbaumechanismen untersucht, aber auch der biologische Abbau durch Enzyme und Mikroorganismen ist Gegenstand aktueller und zukünftiger Forschung. Dadurch sollen wichtige Abbauprozesse identifiziert und resultierende Eigenschaften der entstandenen Partikel aufgeklärt werden. Sind die Partikel entstanden, so verteilen sie sich auf unterschiedlichsten Wegen in der Umwelt.

Diese Vorgänge untersucht der Teilbereich „Migration“. Dabei werden Prozesse in Wasser, Boden und Atmosphäre sowie die Übergänge zwischen den Kompartimenten untersucht. Es wird geklärt, welche chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Partikels den Transport in einem bestimmten Gebiet beeinflussen, oder auch, wo Quellen und Senken für Mikroplastik liegen können. Dadurch ergibt sich schließlich der Eintragsweg in den Lebensraum von Lebewesen.

Wie sich Mikroplastik auf unterschiedliche Organismen auswirkt, wird in der dritten Säule im Teilbereich „biologische Effekte“ betrachtet. Es wird untersucht, wie und in welchen Mengen Mikroplastik von Modellorganismen aufgenommen wird und wie der Metabolismus der Organismen davon beeinflusst wird. Zudem wird die Einlagerung in Gewebe und Zellen überprüft. Durch diese biologischen Untersuchungen können erste Einschätzungen des Gefahrenpotentials von Mikroplastik in Abhängigkeit von grundlegenden Materialeigenschaften getroffen werden. Durch die enge Verzahnung der einzelnen Teilprojekte ist es an der Universität Bayreuth möglich, Materialien und Datensätze zwischen den Teilbereichen weiterzugeben und Ergebnisse zu korrelieren, wodurch im Gegensatz zu vorhergegangenen Einzeluntersuchungen eine ganzheitliche Betrachtung von der Bildung der Partikel bis zu den biologischen Wechselwirkungen ermöglicht wird.

Deshalb ist künstliche Alterung notwendig

Der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Bayreuth, unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt ist im Sonderforschungsbereich im Teilbereich Degradation eingebunden und beschäftigt sich mit dem physikalischen und chemischen Abbau von Kunststoffen unter Umwelteinflüssen. In der Natur sind Kunststoffe unter anderem UV-Strahlung, wässrigen Medien und mechanischer Belastung ausgesetzt. Es ist bekannt, dass all diese Faktoren Kunststoffe schwächen und zu ihrem Versagen führen können. Der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe hat es sich zum Ziel gesetzt, die dahinterstehenden Mechanismen genauer zu untersuchen und daraus abzuleiten, wie und in welchen Zeitskalen Mikroplastikpartikel entstehen. Dabei soll grundsätzlich auch die Frage geklärt werden, welche Mechanismen zum Zerfall zu MP-Partikeln einer zum Beispiel unbeschädigten PET-Flasche beitragen und mit welcher Geschwindigkeit der Prozess verläuft.

Da Degradationsprozesse in der Natur oft über viele Jahrzehnte und Jahrhunderte ablaufen, werden beschleunigte Alterungsverfahren angewendet. Es soll gezeigt werden, wie sich einzelne Umweltfaktoren und deren Kombinationen auf die mechanischen Eigenschaften, insbesondere auf die Rissbildungs- und -wachstumsvorgänge von Kunststoffteilen auswirken. Aufgrund der großen Vielfalt an Kunststoffen sind unterschiedliche Abbaumechanismen zu erwarten. Deshalb werden sowohl die Kunststofftypen variiert als auch eine Bandbreite an verschiedenen Additiven einbezogen. Um den Einfluss der einzelnen Komponenten auf den Abbau besser zu verstehen, bildet der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe ein Team mit Lehrstühlen der Chemie an der Universität Bayreuth (Anorganische Chemie III, Prof. Jürgen Senker und Makromolekulare Chemie I, Prof. Peter Strohriegl). Die Kooperation ermöglicht zusätzlich das Betrachten der Veränderungen auf molekularer Ebene und den Abbaumechanismus sowie die Migration von Additiven. Das Wissen um die Degradationsprozesse stellt die Basis für die weitere Forschung um den Transport und die biologischen Effekte von Mikroplastik dar.

Das Team der Universität Bayreuth hofft, mit den gewonnenen Erkenntnissen einen entscheidenden Beitrag zur Klärung der zahlreichen offenen Fragestellungen zum Thema Mikroplastik beitragen zu können und damit die teilweise sehr emotional geführte Diskussion mit sachlichen Argumenten zu bereichern.

Quelle: Universität Bayreuth