Mikroplastik in den Ozeanen und Meeren

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Seit gut 60 Jahren steigt die weltweite Kunststoffproduktion kontinuierlich an, sodass Plastik in verschiedensten Formen weitgehend in den heutigen Lebensstil integriert ist. Damit verbunden hat auch die Menge der Kunststoffabfälle in den Weltmeeren kontinuierlich zugenommen. Da Kunststoffabfälle, die ins Meer gelangen, kaum biologisch abgebaut werden (können), können diese mehrere Jahrhunderte in der Umwelt verbleiben. [a, b]

„Jedes kleine Stück Kunststoff, das in den letzten 50 Jahren hergestellt wurde und ins Meer gelangte, ist dort immer noch irgendwo.“ – Tony Andrady, Chemiker des amerikanischen Research Triangle Institute

 Plastik und Mikroplastik im Meer | Plastikpartikel einer Probe unter dem Lichtmikroskop.
 Plastikpartikel einer Probe unter dem Lichtmikroskop. Abbildung von Martin Löder/AWI.

Chemische und physikalische Alterungsprozesse führen dazu, dass Kunststoffteile während ihrer Lebensdauer in immer kleinere Bruchstücke, das sogenannte Mikroplastik, zerfallen. „Mikroplastik“ ist also ein Sammelbegriff für kleine Kunststoffteilchen unterschiedlicher Zusammensetzung und Herkunft. [a, b]

Die in der Meeresumwelt vorhandenen Kunststoffteile werden in kleinere Partikel, das Mikroplastik, zerfallen, die hartnäckiger sind und sich nur langsam abbauen. Jüngste Studien haben zudem gezeigt, dass Mikroplastikfragmente annähernd in allen Weltmeeren, einschließlich der Antarktis, vorkommen. [a]

Da Kunststoffe giftige Substanzen anreichern können und nach der Aufnahme durch verschiedene Meerestiere Verdauungsprozessen wieder abgeben, gelangen Mikroplastik und Giftstoffe in die Nahrungskette und somit schlussendlich auch zum Menschen. [a, b]

Inhaltsverzeichnis

Kunststoffe

Mit dem Begriff „Kunststoff“ bzw. „Plastik“ wird eine breite Palette synthetischer Verbindungen bezeichnet, die aus vielen, sich wiederholenden Einheiten (Monomeren) bestehen. Diese Monomere wurden durch eine chemische Reaktion, die Polyreaktion, zu Polymeren zusammengefügt. Die Plastizität von Kunststoffen erlaubt es, sie in viele verschiedene Formen zu pressen oder zu extrudieren. Aufgrund ihrer manchmal sehr langen bzw. großen Strukturen können sie sehr flexibel aber auch fest sein. [a]

Je nach Eigenschaft des Materials teilt man die Kunststoffe grob in die Thermo- bzw. Duroplasten sowie Elastomere ein:

  • Thermoplasten: Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen.
  • Elastomere: Formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe.
  • Duroplaste: Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können.

Eine kurze Geschichte der Kunststoffe

Der Begriff „Plastik“ ist demgriechischen Wort „πλαστική“ (plastikḗ) entlehnt, das „bildende, gestaltende, formende Kunst “ bedeutet. [a]

Kunststoffe wurden seit der Antike entwickelt, um erschöpfte natürliche Ressourcen zu ersetzen. [a]

  • Polymere wurden zuerst 1600 v. Chr. von den Mesoamerikanern verwendet, die als erste Naturkautschuk verarbeiteten, um Figuren und Bänder herzustellen.
  • Im 19. Jahrhundert wurden mehrere halbsynthetische Kunststoffe wie Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) entdeckt, was den Beginn des „Kunststoffzeitalters“ markiert.
  • 1909 wurde der erste echte synthetische Phenol-Formaldehyd-Kunststoff (Bakelit) entdeckt. Er wurde in vielen verschiedenen Produkten verwendet, vom Telefonhörer bis zu Motorteilen.

Danach folgten:

  • 1926 wurde PVC als weichgemachtes Polyvinylchlorid (Vinyl) entdeckt.
  • 1933: Polyvinylidenchlorid (PVDC)
  • 1937: Polyurethan (PUR)
  • 1938: Polystyrol (PS) und Polytetrafluorethylen (PTFE)
  • 1939: Nylon und Neopren
  • 1941: Polyethylenterephthalat (PET)

Der Zweite Weltkrieg erhöhte die weltweite Nachfrage nach Kunststoffen, weil Kupfer, Aluminium und Stahl für militärische Zwecke verwendet wurden. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs wurden zivile Absatzmärkte für Kunststoffe benötigt, um die Fabriken am Leben zu erhalten. Der Markt wurde schnell mit Kunststoffprodukten „geflutet“, die von der Gesellschaft als „billig und wegwerfbar“ angesehen wurden. [a]

So wurden in den 1950er Jahren wurden weltweit etwa 1,5 Millionen Tonnen Kunststoff im Jahr produziert. [n]

  • 1951 wurden Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polypropylen (PP) erfunden.
  • 1954 wurde Styropor erfunden.
  • Thermoplastischer Polyester, der auf Polybutylenterephthalat (PBT) basiert, wurde 1970 eingeführt.

Im Jahr 1979 überstieg die Kunststoffproduktion in den USA erstmals die Stahlproduktion. [a]

Im Jahr 2016 wurden weltweit 348 Millionen Tonnen Plastik produziert. [n]

Arten

Kunststoffe werden nicht nur nach ihren Materialeigenschaften eingeteilt ( Thermo-, Duroplasten oder Elastomere) sondern auch ihrer chemischen Zusammensetzung.

Je nach Zusammensetzung der Polymere aus diversen Monomeren und Additiven …

[…]
Übersicht über die verschiedenen Kunststoffe und ihre Verwendung.
Übersicht über die verschiedenen Kunststoffe und ihre Verwendung. (Grafik: eskp.de/CC-BY).

Herstellung

„Den Herstellungsgang eines vollsynthetischen Kunststoffes kann man im wesentlichen [sic] in zwei Abschnitte unterteilen. Im ersten Abschnitt werden die Rohstoffe, wie z. B. Erdöl, Kohle und Erdgas, in Verbindung mit Kalk, Kochsalz, Wasser und Luft zu niedermolekularen Kunststoffausgangsstoffen, den sogenannten Monomeren, verarbeitet. Im zweiten Abschnitt werden diese Monomere mit sich selber oder in Verbindung mit anderen Monomeren zu langen Kettenmolekülen oder ausgedehnten Netzwerken, den Polymeren oder Makromolekülen, verknüpft“ (Wagner, 1974: 38 f.)

Additive

Neben der grundlegenden Bandbreite verschiedener Eigenschaften von Polymeren, können durch Additive zusätzliche Merkmale ergänzt bzw. verbessert werden:

  • Weichmacher (z. B. Diethylhexylphthalat (DEHP) in PVC) können zur Verringerung der Sprödigkeit und Härte beitragen
  • Stabilisatoren können zur Verbesserung chemischer Eigenschaften angewandt werden. Typische Stabilisatoren sind beispielsweise bromierte Flammschutzmittel (organische polybromierte Diphenylether (PBDE)), Wärmestabilisatoren (organische Zink-, Barium- und Zinnverbindungen) oder Antioxidationsmittel (Dialkyldithiocarbamate oder Bisphenol A)

Grundsätzlich besteht die Gefahr der Verflüchtigung des Additivs aus der Polymermatrix und eine ubiquitäre Verteilung in der Umwelt.

Einige Polymere und mögliche, enthaltene Additive: [s]

PolymerArt des AdditivsAnteil am/im Polymer (%w/w)Potentiell gefährliche Substanzen
PP Antioxidantien 0.05-3 Bisphenol A; Octylphenol; Nonylphenol
  Flammschutzmittel 12-18 Bromiertes Flammschutzmittel; Borsäure; Tris-(2-Chlorethyl)-Phosphat
HDPE Antioxidantien 0.05-3 Bisphenol A; Octylphenol; Nonylphenol
  Flammschutzmittel 12-18 Bromiertes Flammschutzmittel; Borsäure; Tris-(2-Chlorethyl)-Phosphat
PVC Weichmacher 10-70 Phthalate
  Weichmacher 0.5-3 Bisphenol A; Nonylphenol
PUR Flammschutzmittel 12-18 Bromiertes Flammschutzmittel; Borsäure; Tris-(2-Chlorethyl)-Phosphat

UV-Absorber

UV-absorbierende Substanzen im Produkt sollen den Zerfall verzögern, denn Sonnenlicht ist der wichtigste Motor der Verwitterung von Plastik. Gleichzeitig werden Lebensmittel durch die Materialeigenschaften besser konserviert. Zu den Plastik-Additiven, die sich in der küstennahen und marinen Umwelt wiederfinden können, zählen sogenannte UV-Stabilisatoren, Antioxidantien und UV-Filter. Generell setzen diese Additive die UV-Absorption des lichtabsorbierenden, farbgebenen Molekülteils, den sogenannten chromophoren Gruppen, im Produkt herab. [k]

Eine wichtige Klasse von UV‑Stabilisatoren im Plastik sind Phenol-Benzotriazole. Sie neigen zur Anreicherung in der Nahrungskette (Bioakkumulation) und lagern sich tendenziell leicht an anderen Substanzen oder Materialien, so potentiell auch an Mikroplastik, an (Sorption). Diese Klasse von UV-Stabilisatoren weist größtenteils hohe Oktanol/Wasser‑Verteilungskoeffizienten auf (kalkulierte logKow > 5). Der Verteilungskoeffizient ist ein Modellmaß für die Oktanol-/Wasserlöslichkeit der Chemikalie und zeigt die Tendenz eines Stoffes an, sich z.B. im Fettgewebe von Organismen anzureichern. Ein wichtiges Indiz für das Umweltverhalten von Schadstoffen. Im Labor durchgeführte Abbaustudien deuten auf eine hohe Stabilität und Lebensdauer in Sedimenten hin. [k]

Viele UV-Stabilisatoren haben ein nachgewiesenes endokrines Potential, d.h. sie können auf das Hormonsystem einwirken. Des Weiteren gibt es Hinweise, dass einige UV-Filter zum Ausbleichen von Korallenriffen beitragen können. [k]

Unterteilung von Kunststoffen in der Umwelt

[…]

Im Allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Mikroplastikpartikeln diejenigen Partikel, deren Durchmesser kleiner als fünf Millimeter ist. [a-g]

Kunststofftrümmer (bzw. Plastikfragmente) werden in drei Klassen eingeteilt: [a]

  • Makroplastik (> 20 mm Durchmesser),
  • Mesoplastik (5 – 20 mm) und
  • Mikroplastik (< 5 mm)

Einige Wissenschaftler empfehlen auch andere Größengrenzen, z. B. [a, b, f, g]

  • Makroplastik (> 25 mm Durchmesser),
  • Mesoplastik (5 – 25 mm),
  • Mikroplastik (5 – 1 mm),
  • Mini-Mikroplastik (1 mm – 1 μm) und
  • Nanoplastik (< 1 μm)

Die Europäische Arbeitsgruppe zu marinem Müll hat folgende Größenklassifizierung für Kunststoffpartikel vorgeschlagen (EG 2008):

  • 25 mm $\rightarrow$ Makroplastik
  • 5 – 25 mm $\rightarrow$ Mesoplastik
  • 1 – 5 mm $\rightarrow$ Große Mikroplastikpartikel
  • < 1 mm $\rightarrow$ Kleine Mikroplastikpartikel

Das Fraunhofer Institut schreibt in einer Studie: „Die Existenz von kleinen Kunststoffpartikeln, die sich in marinen Umweltkompartimenten anreichern, ist seit den 60er Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Der Begriff ‚Mikroplastik‘ wurde erstmalig 2008 definiert. […] Ein kritischer Blick auf die Chronologie zeigt, dass die Begriffsbildung auf Basis physikalischer Eigenschaften (Form, Größe, Material) und formaler oder pragmatischer Erwägungen (Abgrenzung zu Nanopartikeln, verfügbare Messtechnik etc.) erfolgte. Eine problemorientierte Begriffsschärfung, die sich aus umweltwissenschaftlicher Perspektive die Festlegung einer Ober- und Untergrenze sowie die Eingrenzung der relevanten Stoffgruppen zum Ziel setzte, hat es bis heute nicht gegeben. Die Definitionen können daher nicht mehr bieten als eine grobe Orientierung und Einengung des Anwendungsbereichs. Öko- oder humantoxikologische Erkenntnisse liegen der Definition nicht zugrunde.“ [b]

Die Experten des Fraunhofer Instituts schlagen daher folgende Definition vor:

  • Mikroplastik“ und „Makroplastik“ bezeichnen unter Standardbedingungen feste Objekte aus thermoplastischen, elastomeren oder duroplastischen Kunststoffen, die direkt oder indirekt durch menschliches Handeln in die Umwelt gelangen.
  • Mikroplastik = Partikel und Faser
  • Makroplastik = größere Objekte aus Kunststoff

Durch die ständige Bewegung im Meer und durch Kollisionen mit anderen Plastiktrümmern oder durch die Einwirkung von UV-Strahlung und photo-oxidativem Abbau können Plastikfragmente in kleinere Stücke zerfallen und Mikroplastik bilden. [a]

Mikroplastik kann leicht von filtrierenden Organismen aufgenommen werden […]

Weitere Unterteilungsmerkmale

  • Schwimmfähigkeit: Etwa 49 % aller produzierten Kunststoffe sind schwimmfähig, so können sie durch Meeresströmungen zu fast jedem Ort der Welt gelangen. [a]

Eintrag von Plastik in die Umwelt

Die Freisetzung von Kunststoffen in die Umwelt ist das Ergebnis einer unangemessenen Abfallentsorgung, des fragwürdigen menschlichen Umgangs mit Abfällen oder einer zufälligen Verschmutzung. [a]

Das sog. Littering beschreibt den achtlosen Umgang von Menschen mit Produkte wie Kaffeebecher, Zigarettenstummel oder Plastiktüten, die oft einfach liegengelassen oder weggeworfen werden. [n]

Zu entsorgende Kunststoffe werden häufig auf Deponien gelagert oder im Rahmen der Energieversorgung verbrannt. Deponien sind geschlossene Systeme, die mit Erde oder synthetischen Materialien bedeckt werden um den Müll an Ort und Stelle zu halten. [a]

Da Kunststoffe nicht biologisch abbaubar sind können sie über Jahrhunderte gelagert werden oder durch die Ökosysteme wandern, bis sie verbrannt oder dem Recycling zugeführt werden. [a]

So ist, nach Angaben des Umweltbundesamtes, eine Hauptursache für die weltweite „Plastikflut“ in der Umwelt fehlendes oder unzureichendes Abfall- und Abwassermanagement. [n]

Der Teil des Plastikabfalls, der nicht dem Recycling zugeführt, verbrannt oder auf Mülldeponien gelagert wird, „wandert“ durch den terrestrischen Lebensraum, bis er durch Flüsse (oder auf direktem Wege) ins Meer gelangt. In stark besiedelten Gebieten dominiert der Eintrag von Land die Verschmutzung der Meere mit Kunststoffabfällen; Schiffsabfälle und -trümmer sind die Hauptquelle für den Eintrag von Kunststoffabfällen innerhalb des marinen Lebensraums. [a, f]

Neben der absichtlichen oder durch Nachlässigkeit verursachten Verschmutzung der Umwelt mit Plastikabfällen kommt es auch zu unbeabsichtigter Verschmutzung z. B. durch den Verlust von Seecontainern. [a, f]

Die US-Akademie der Wissenschaften schätzte 2009 den jährlichen Gesamteintrag von Kunststoffabfällen in die Ozeane auf etwa 6,4 Millionen Tonnen. Darüber hinaus gelangen täglich schätzungsweise acht Millionen Plastikfragmente aus verschiedenen Quellen in die Ozeane und Meere. [a]

Mikroplastik

Je nach Ursprung der Mikroplastikpartikel unterscheidet man drei Arten von Mikroplastik: [b, f]

  • primäres Mikroplastik Typ A = bereits bei der Herstellung eines Produktes erzeugtes Mikroplastik, z. B. Reibkörper in Kosmetik, polymere Strahlmittel, Lasersinterpulver für den 3D-Druck oder Kunststoffpellets, die in der Industrie ein wichtiges Halbzeug darstellen.
    • Die Freisetzung von primärem Mikroplastik Typ A kann intendiert, bewusst in Kauf genommen oder durch einen Unfall verursacht sein.
  • primäres Mikroplastik Typ B = entsteht erst in der Nutzungsphase. z. B: Abrieb von Reifen, beim Waschen freigesetzte synthetische Fasern oder die Verwitterung von Farben.
    • Die Freisetzung von primärem Mikroplastik vom Typ B kann schwer vermieden werden.
  • Sekundäres Mikroplastik = Durch Verwitterung und Fragmentierung von Makroplastik in der Umwelt entstandenes Mikroplastik.
    • Dabei gelangt das Makroplastik vor allem durch unzureichende Abfallentsorgung in die Umwelt.
Mikroplastik: wie kommt das Plastik ins Meer? (Grafik: eskp.de, CC-BY)

Landseitiger Mikroplastikeintrag

Einige ausgewählte Möglichkeiten, wie Mikroplastik aus besiedelten Gebieten in die Umwelt gelangen kann.

Littering

[…]
Situation in Deutschland

Detaillierte Angaben zum „Littering“ liegen derzeit nicht vor, innerhalb des Umweltbundesamtes (UBA) wird für das Littering in Deutschland derzeit eine Größenordnung von 50.000 t jährlich angenommen.

Reifenabrieb

  • Straßen- und Reifenabrieb sind eine relevante Quelle von Kunststoffen in der Umwelt. Genaue Verbreitungswege und Gegenmaßnahmen sind jedoch noch unbekannt.

Reifenabrieb entsteht durch die Reibung zwischen Reifen und Fahrbahnbelag, wobei sich häufig aus beidem Partikel ablösen. Es handelt sich somit meist um Reifen- und Straßenabrieb. Ersteres ist die größte Staubemissionsquelle beim Betrieb von modernen Fahrzeugen. Diese Staubemissionen aus Reifenabrieb bestehen zu einem großen Teil (ca. 40 Prozent) aus Kunststoffen. Als Feinstaub schädigen diese Partikel die menschliche Gesundheit, spezielle Wirkungen von luftgetragenem Kunststoff auf Ökosysteme sind bisher nicht belegt. [n]

Im Gegensatz zu Schadstoffemissionen aus dem Auspuff enthält Staub aus Reifenabrieb aber auch sedimentierbare Partikel mit größeren Partikeldurchmessern, die sofort zur Erdoberfläche absinken oder überhaupt nicht in die Luft gelangen. Insgesamt ist von rund 100 Kilotonnen totaler Reifenabriebsmasse im Jahr auszugehen, davon rund 10 Prozent Schwebstaub (TSP). [n]

Situation in Deutschland

Die direkte Wirkung des sedimentierbaren Staubanteils auf Wasser und Boden ist von der Straßenentwässerung abhängig. Die meisten Straßen in Deutschland werden am Straßenrand mittels Bankettstreifen durch Versickerung entwässert. [n]

aus dem Jahr 2010 beträgt die Gesamtreifenabriebmenge in Deutschland etwa 111.420 Tonnen im Jahr. Den größten Anteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43.000 Tonnen und Ruß mit etwa 38.000 Tonnen aus. [n]

Es ist damit zu rechnen, dass der sedimentierbare Anteil des Reifenabriebs in Böden und über Niederschlagswasser auch direkt in Gewässer oder in die Kanalisation eingetragen wird. Besonders kritisch ist hier das Abwasser der Trennkanalisation zu bewerten – auf diesem Wege können Kunststoffe aus Reifenabrieb direkt in die Umwelt gelangen. [n]

Abwassersysteme

Aus kommunalen Abwassersystemen können Kunststoffe auf vier verschiedenen Wegen in die Umwelt gelangen: [n]

  • über den Ablauf der Kläranlage, wenn behandeltes Abwasser aus Kläranlagen in die Gewässer eingeleitet oder zur Bewässerung eingesetzt wird. Der überwiegende Teil des im Rohabwasser vorhandenen Kunststoffes wird allerdings vorher entfernt und befindet sich im Klärschlamm;
  • über Mischwasserabschläge, wenn bei starken Niederschlägen Mischwasser aus den Kläranlagen in Oberflächengewässer geleitet wird, um Schäden an der Infrastruktur (Kanäle, Pumpen, Kläranlage) zu verhindern;
  • über die Niederschlagswassereinleitungen, wenn Niederschlagswasser aus der Trennkanalisation – dabei meist ohne effektive Reinigung – in die Gewässer gelangt;
  • über den Klärschlamm, wenn dieser in Landwirtschaft, Landschaftsbau und zur Rekultivierung verwendet wird, gelangen Kunststoffe, die in der Kläranlage aus dem Abwasser oder über Kovergärung eingetragen werden, auf und in die Böden.

Mariner Mikroplastikeintrag

Mikoplastik im Meer | Arten der  Verwitterung von Plastik im Meer

Arten der Verwitterung von Plastik im Meer (Klick auf den Link öffnet die original Abbildung) | Abbildung von der Wissensplattform eskp.de – veröffentlicht unter CC BY 4.0 Lizenz.

Kunststoffe, die in die Meere gelangen, schwimmen an der Oberfläche, sinken auf den Meeresboden oder werden an Land gespült. Schwimmende Kunststoffe scheinen sich in Gewässern anzusammeln und sind in den Meereswirbeln der Welt sehr häufig anzutreffen. Man geht davon aus, dass etwa 70% aller schwimmenden Kunststoffobjekte schließlich auf den Meeresboden sinken. [a]

Häufige Anwendungen und spezifisches Gewicht einiger Kunststoffarten (Andrady et al., 2011): [r]

Polymer(-gemisch)Produkte/AnwendungsartenSpezifische Dichte
Polyethylen (PE)Plastiktüten, Six-Pack-Ringe, Ausrüstung0.91-0.94  
Polypropylen (PP)Seilwerk, Flaschenverschlüsse, Ausrüstung, Verpackung0.90-0.92
Polystyrol (PS)Verpackung, Becher0.01-1.05
MeerwasserCirca 1.02
Polystyrene (PS)Verpackung1.04-1.09
Polyvinyl chloride (PVC)Verpackung, Rohre,1.16-1.30
Polyamid / NylonSeilwerk, Textilien1.13-1.15
Polyethylenterephthalat (PET)Flaschen, Verpackung, Ausrüstung1.34-1.39
PolyesterTextilien>1.35
Cellulose Acetat Zigarettenfilter1.22-1.24

Eintragsquellen von Mikroplastik in aquatische Ökosysteme (Bannick et al., 2014):

  • Eintrag von Schiffen: Seehandelsverkehr (Cargo, etc.), Militär- und Forschungsschiffe, Private Freizeitboote, Öffentlicher Schifffahrtsverkehr (Kreuzfahrtschiffe, Fähren)
  • Fischerei: Fischereiboote, Verlassene, verlorene oder anderweitig ausrangierte Fischereiausrüstung, Aquakultur Aufbauten
  • Weitere: Legale und illegale Abfallentsorgung auf See; Offshore Öl- und Gasbohrinseln-Offshore, Windkraftanlagen

Kunststoffemissionen in Deutschland

In Deutschland fielen im Jahr 2009 insgesamt etwa 4,9 Mio. t Kunststoffabfälle an, von denen 96 % stofflich oder energetisch wieder verwertet wurden (Derksen et al., 2012: 102).

Die Kunststoffemissionen in Deutschland bestehen derzeit (Stand: 2018) in Deutschland zu 26 % aus Makroplastik und zu 74 % aus Mikroplastik. Die gesamten Kunststoffemissionen in Form von primären Mikroplastik wird vom Fraunhofer Institut auf 330.000 t/a geschätzt. Die Gesamtmenge der Kunststoffemissionen in Form von Makroplastik beträgt nach Schätzungen des Fraunhofer Institutes ca. 116.000 t/a. [b, f]

Insgesamt kommt man für Deutschland im Jahr 2018 auf eine Gesamtemission von circa 446.000 Tonnen Kunststoff pro Jahr.

Die folgende Tabelle enthält Monitoringdaten von Müll in verschiedenen Meereskompartimenten. Sie stammen aus den regulären Monitoringaktivitäten: [n]

  • an Stränden – also im Spülsaum – und
  • am Meeresboden der deutschen Nord- und Ostsee sowie
  • der Mageninhalte von Eissturmvögeln, die die Belastungssituation mit Kunststoffteilen an der Meeresoberfläche der deutschen Nordsee abbilden.
KompartimentMüll im SpülsaumMüll im SpülsaumMüll an der Meeres oberflächeMüll am Meeresboden
Untersuchungs-zeitraum2009–20142011–20152010–20142011–20162012–2015
Untersuchungs-gebietNordseeOstseeNordseeSüdliche NordseeOstsee
MüllMittlere Anzahlvon 389 Müll-teile/100 m Strand-abschnitt (saisonale Erfassung)Mittlere Anzahl von 47 Müll-teile/100 m Strand-abschnitt (saisonale Erfassung) Kunststoff- teile in 94 % der Mägen von Eissturm-vögeln, im Durchschnitt 38 Kunststoff-teile mit einer Masse von400 Müllteile (in 339 Grund-schleppnetzhols innerhalb der 12 Seemeilen- Zone)6.35 ± 11.5 kg/km2200 Müllteile (in 289 Grund-schleppnetzhols innerhalb der 12 Seemeilen- Zone)
Anteil von Kunststoffen an den Gesamtfundstücken 88,6 % 69 % 91,3 % 42,0 %

Kunststoffeintrag durch Schifffahrt und Fischerei

Die Fischereiindustrie ist weltweit für den größten Input (50-90%) des gesamten Kunststoffabfalls in die Ozeane verantwortlich. [a]

Situation in Deutschland

An den deutschen Stränden der Nordsee stammen 51 Prozent der Müllfunde aus seebasierten Quellen, hierbei vor allem Schifffahrt und Fischerei (Schernweski et al. 2018). Dagegen ist die Lage an der Ostsee etwas anders: An den deutschen Ostseestränden stammt der meiste Müll aus Tourismus- und Freizeitaktivitäten (50 Prozent), gefolgt von Einleitungen durch Abwässer (25 Prozent), Schifffahrt (zehn Prozent), Offshore-Installationen von z. B. Windkraftanlagen (acht Prozent) und Fischerei (sieben Prozent) (Schernewski et al. 2018). [n]

  • Laut WWF gingen allein im Jahr 2011 in der Ostsee 5.500 bis 10.000 Stellnetze verloren.
    • Diese sogenannten Geisternetze sind über Jahrzehnte hinweg eine tödliche Gefahr insbesondere für Meeressäuger, Seevögel und Fische.
    • Auch auf dem Meeresgrund können sie aufgerichtet bleiben und weiter „fischen“.
      • Fischereikapazität herrenloser Netze: Sechs bis 20 Prozent dessen, was sie im aktiven Einsatz fangen (WWF Polen 2011)

An der Fishing for Litter-Initiative nehmen aktuell (Stand 2019) etwa 150 Fischer aus 15 deutschen Häfen an Nord- und Ostsee teil. Der als Beifang anfallende Meeresmüll wird an Bord der Kutter in sogenannten Big Bags gesammelt und kann in Containern im Hafen für die Fischer gebührenfrei entsorgt werden.

Kunststoffakkumulation und -abbau

[…]

Akkumulation von Plastik

[…]
Mikroplastik im Meer | Die fünf größten Driftströme der Erde. Der Nordpazifikwirbel ist in der Mitte oben dargestellt.

Die fünf größten Driftströme der Erde. Der Nordpazifikwirbel ist oben in der Mitte dargestellt. Abbildung wurde erstellt vom NOAA und ist gemeinfrei.

Am Äquator treffen unterschiedliche Meeresströmungen von Norden und Süden aufeinandertreffen und bilden dabei riesige „Strudel“ (Meeresdriftströmungswirbel). Entscheidend für ihre Entstehung sind:

  • das Zusammentreffen warmer Winde aus den Tropen und kalter Winde aus den Polargebieten,
  • Unterschiedliche Wassertemperaturen, der
  • Salzgehalt des Wassers und die
  • Erdrotation

Die Rotation der Meeresströmungen bewegt schwimmendes Plastik zum Wirbelzentrum, wo es sich ansammelt – dies führt zu einer erheblichen Verdichtung des schwimmenden Plastiks und hat zu der Entstehung von fünf riesigen „Müllinseln“ bzw. „Müllteppichen“ geführt: [a]

  1. Nordpazifischer Müllstrudel: Der „Great Pacific Garbage Patch“ (Großer Pazifischer Müllteppich) im nordpazifischen Strömungskreis ist der bekannteste, weil größter Müllteppichen der Erde.
  2. Indischer Müllstrudel: Der Müllstrudel ist im Südindischen Strömungskreis.
  3. Südpazifischer Müllstrudel – südpazifischer Strömungskreis
  4. Nordatlantischer Müllstrudel – nordatlantischer Strömungskreis
  5. Südatlantischer Müllstrudel – südatlantischer Strömungskreis
[…]

Der Durchmesser der schwimmenden Partikel im Wirbelzentrum reicht von mehreren Millimetern, bis hin zu großen, mit Plastik gefüllten „Geisternetzen“ mit einem Gesamtgewicht von teilweise mehr als 2.000 kg. [a]

Plastik im Meer | Pazifischer Müllstrudel.
Pazifischer Müllstrudel. Abbildung von der Wissensplattform eskp.de, veröffentlicht unter der Lizenz CC BY 4.0.
  • Moore et al. (2001) sammelten 11 Oberflächenwasserproben im Osten des Nordpazifischen Müllstrudels, ihre Analysen ergaben einen Gehalt von 334.271 Partikel/km2 mit einer Masse von 5.114 g/km2.
    • Plankton wurde in fünfmal höhen Konzentrationen gemessen als die von Plastik, aber die Masse der Plastikpartikel war ungefähr sechsmal so groß, wie die von Plankton.
  • Moore et al. (2005) untersuchten später auch Wasserproben aus 10 bis 30 Metern Tiefe. Die mittlere Teilchendichte betrug 0.017 Partikel/m3, also eine um den Faktor 100 niedrigere Teilchendichte als im Oberflächenwasser.

Übersichtskarte – LITTERBASE

Die schiere Anzahl der weltweit durchgeführten Studien macht das Thema „Mikroplastik“ zunehmend ungreifbar, um dem entgegen zu wirken, hat das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in der LITTERBASE die Ergebnisse von 2.046 wissenschaftlichen Studien in einer interaktiven Karten zusammengefasst.

Abbau

Die meisten Polymere werden erst durch eine Kombination von Faktoren abbgebaut, darunter thermische Oxidation, photooxidativer Abbau, biologischer Abbau und Hydrolyse. [a, b]

Wobei „Abbau“ hier als der Verlust der nützlichen Eigenschaften verstanden wird. Ist das Polymer vollständig abgebaut, existiert die Polymerstruktur nicht mehr.

Üblicherweise sind Kunststoffe nicht biologisch abbaubar und zerfallen hauptsächlich durch photo-oxidativen Abbau. Die Wellenlänge der Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, liegt zwischen 298 nm im ultravioletten (UV) und 2.500 nm im nahen Infrarotbereich. Da kurze Wellenlängen gleichbedeutend mit mehr Energie ist, sind UV-Strahlen in der Lage, starke Bindungen zu brechen. Daher findet der meiste photo-oxidative Abbau im UV-Wellenlängenbereich der Sonnenstrahlung (298-420 nm) statt. Unabhängig von der Intensität kann eine bestimmte Wellenlänge jedoch nur dann Schäden an einer Oberfläche verursachen, wenn das Material in der Lage ist, die bestimmte Wellenlänge zu absorbieren. Daher hängt die Wirkung der Sonnenstrahlung auf den Kunststoff (1) von der Wellenlänge und der Strahlungsmenge ab, die ein Polymer absorbieren kann, und (2) von der Stärke der chemischen Bindungen innerhalb des Polymers. [a]

Es gibt zwei wesentliche Reaktionsmechanismen, durch die Sonnenstrahlung Polymere abbauen kann: (1) eine Reaktion wird durch Photolyse der Chromophore als Ergebnis der Absorption von UV-Strahlung eingeleitet, die ein Hydroxy-Radikal erzeugt, und (2) eine photo-oxidative Kettenreaktion wird durch die, von Verunreinigungen, absorbierte Energie eingeleitet. Die durch diese beiden Wege erzeugten Radikale reagieren mit Sauerstoff und dem Polymer, um Vernetzungsbindungen zu erzeugen. Daher verliert das Polymer an Zugfestigkeit, Elastizität und Dehnung; es wird spröder und bricht leichter. Die Photolyse der Chromophore reduziert die Färbung und führt somit zum Ausbleichen des Polymermaterials. Der Anteil der UV-Strahlum im solaren Spektrum macht an der Erdoberfläche nur 1% aus; daher ist der Photo-oxidative-Abbau von Polymeren ein lang anhaltender Prozess.

Die auf der Meeresoberfläche schwimmenden Kunststoffe können, im Gegensatz zu den an Land freiliegenden Kunststoffen, keinem Hitzestau aufgrund der Absorption von Infrarotstrahlung bekommen und werden daher kaum thermisch oxidiert (Andrady 1994, 2003). So werden Kunststoffe, die sich unter Wasser befinden, deutlich langsamer abgebaut als jene an Land. [a]

Martin Sonneborn würde wohl in leicht sarkastischem Ton sagen: „FCKWs zu verwenden reduziert also signifikant das Mikroplastik – dann lasst uns doch Feuer mit Feuer bekämpfen – dann ballern die Deo’s wenigstens wieder richtig.“

Ökotoxikologie

[…]

„Ergreifen wir jetzt keine Maßnahmen, haben wir im Jahr 2050 mehr Plastik als Fisch in unseren Ozeanen.“ (UNEP)

[…]

Potentielle Wirkungen

In der Wissenschaft besteht ein allgemeiner Konsens darin besteht, dass neben Größe und Form auch Farbe und Alter der Partikel für eine potenzielle Ingestion ausschlaggebend sind. Die Größe der Partikel ist dabei sowohl für die Aufnahme-, als auch für die Ausscheidefähigkeit des Zielorganismus entscheidend. Synthetische Partikel im passenden Größen- und Formspektrum werden als Nahrung identifiziert und aufgenommen. Durch die Aufnahme von Mikroplastikpartikel können auch adsorbierte Schadstoffe, Additive und anhaftende Mikroorganismen in den Zielorganismus gelangen. [p]

Direkte Wirkungen Indirekte Wirkungen
Partikelgehalt Vektorwirkung durch chemische Additive
Material (Dichte) der Polymere Vektorwirkung durch chemische Adsorptive
Größe der Partikel Vektorwirkung für (pathogene) Mikroorganismen
Form der Partikel
Oberflächenbeschaffenheit der Partikel

Chemische Substanzen haben in der Regel nur eine rein chemisch-toxisch induzierte Wirkung auf Organismen (z. B. endokrin oder kanzerogen), während Partikel unter Umständen auf mehreren Wirkungsebenen wirken können. Die allgemein praktizierte Toxizitätsbestimmung sowie die Bewertung von Chemikalien basiert jedoch auf der oben genannten Methodik, die nicht für Partikel entwickelt wurde. Diese Diskrepanz ist auch aus dem Umgang und der Bewertung von Nanomaterialien bekannt (Maletzki 2014), mit diesen ist es ebenfalls schwierig Konzentrations-Wirkungsbeziehungen aufzustellen.

Adsorption von Schadstoffen

Aufgrund der Oberflächen- und Materialeigenschaften sind Kunststoffe grundsätzlich in der Lage organische Stoffe und Schwermetalle zu adsorbieren und so anzureichern. Es wirkt dann wie ein Passiv-Sammler. Die adsorbierten Schadstoffe können xenobiotische Wirkungen hervorrufen, die als indirekte Wirkungen von Mikroplastiken bezeichnet werden. Die Adsorption von Schadstoffen durch Polymere ist vor allem mit Mikroplastik untersucht worden. Hydrophobe organische Schadstoffe können von Kunststoffe wie Polyethylen, Polypropylen und PVC besser adsorbiert werden, als natürliche Sedimente das können. [a, p]

Rios et al. (2007) zeigten beispielsweise nicht unerhebliche Konzentrationen von adsorbierten organischen Schadstoffen wie polychlorierte Biphenyle (PCB), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und dem Insektizid Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) an MP-Partikeln (PP, PE) aus Strandsedimenten. [a, p]

Allerdings bildet sich auch auf Kunststoffen in der Natur ein Biofilm – mikrobieller und pflanzlicher Aufwuchs – dieser verändert wahrscheinlich die Adsorptionseigenschaften von (Mikro-)Plastik sehr stark verändert werden. Durch die im Biofilm enthaltenen eher polaren extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) kann es auch dazu kommen, dass Substanzen, wie zum Beispiel Antibiotika, die sich ansonsten tendenziell eher im Wasser lösen und verteilen würden, nun an Mikroplastik angereichert werden. [j]

Inwiefern beide „Varianten“ ökologisch relevant sind, kann bei der aktuellen Datenlage nicht beurteilt werden. [p]

PCBs

Polychlorierte Biphenyle (PCBs) sind eine Gruppe organischer Verbindungen, die früher als Isolier- und Kühlmittel, als Weichmacher und Stabilisierungszusätze in PVC, als Flammschutzmittel, als elektronische Komponenten und vieles mehr verwendet wurden. [a]

Obwohl die Verwendung von PCBs inzwischen häufig verboten sind, wurden sie durch Leckagen, Deponierung und Auslaugung in der Umwelt verbreitet – sie sind in Gewässern auf der ganzen Welt vorhanden. [a]

Die Verwendung von PCB ist aufgrund ihrer problematischen Eigenschaften inzwischen international weitgehend verboten.

PBDEs

Polybromierte Diphenylether, PBDEs, sind organische Verbindungen, die als Flammschutzmittel in Plastik eingesetzt werden

Deren Verwendung ist aufgrund ihrer problematischen Eigenschaften inzwischen international stark reguliert („Stockholm Konvention“).

BDE-209 (Decabromdiphenylether) ist das häufigste Flammschutzmittel in Sedimenten der Deutschen Bucht. [j]

Übergang von Schadstoffen auf marine Organismen

Meeresorganismen können Schadstoffe aus verschluckten Kunststoffen aufnehmen. Die mit dem Plastik aufgenommenen Schadstoffe können in die Verdauungsflüssigkeiten austreten und sich dann, bei weiterer Aufnahme, im Organismus verteilen. [a]

Giftstoffe können sich so bioakkumulieren und hohe Konzentrationen erzeugen. Die Konzentrationen können innerhalb eines Nahrungsnetzes ansteigen (Biomagnifizierung). Organismen auf höherer trophischer Ebene sind dann über ihre Beute angereicherten Konzentrationen von Schadstoffen ausgesetzt. Einige Schadstoffe (wie z. B. PAKs) biomagnifizieren auf höherer trophischer Ebene auch weniger. [a]

In den letzten Jahren haben Mikrokunststoffe zunehmend Aufmerksamkeit erhalten, da sie leicht aufgenommen werden können und somit einen Weg für den Eintritt von Chemikalien in Organismen, einschließlich Planktonarten, bilden. Da Planktonarten die Grundlage jedes Nahrungsnetzes bilden, kann jede Bedrohung für sie ernsthafte Auswirkungen haben. [a]

Die Übertragung von Schadstoffen innerhalb von Nahrungsnetzen ist überall im marinen Nahrungsnetz verbreitet und kann auch nicht-marine Arten wie Eisbären und Menschen betreffen. [a]

Untersuchungen an Fischen in San Diego Bay zeigten, dass natürlich verwittertes Plastik (PE) stärker hormonell wirksam (endokrine Disruptoren) ist als das industrielle Polyethylen (PE). PE und Polypropylen, wie man sie beispielsweise in Trinkhalmen, der Innenausstattung von Autos, Teppichfasern und Textilien findet, erwiesen sich in Untersuchungen als deutlich stärkere Adsorbentien für PCB und PAKs als PET und PVC. Beim Zerfall von Plastik werden im Plastik enthaltene Chemikalien aber auch gleichzeitig freigesetzt. [j]

Bisherige Modellierungen zeigen jedoch, dass die Aufnahme von Schadstoffen über Plastik und deren Anreicherung im Körper wahrscheinlich im Vergleich zu anderen Aufnahmewegen (in der Nahrung, in Sedimenten, im Wasser) eine untergeordnete Rolle spielt. Letztlich ist die Gesamtmenge der bioverfügbaren Schadstoffe im Meer entscheidend. [j][…]

Toxikologische Wirkung der Additive

Die Freisetzung von Additiven verändert die Eigenschaften der Polymere und beeinflusst lebende Organismen. [a]

Flammschutzmittel

Flammschutzmittel sind verbreitete Additive in Kunststoffen, da sie die Materialeigenschaften nur in geringem Maße beeinflussen und sehr effektiv die Entzündung verhindern. Flammschutzmittel sind häufig bromierte Moleküle und werden als bromierte Flammschutzmittel (engl. brominated flame retardants – BFR) bezeichnet. Durch ihre weite Verbreitung und den massiven Kunststoffeintrag sind sie als Schadstoffe fast überall in der Umwelt vorhanden; sie kommen in der Luft, in Flüssen und Gewässern bis in die arktischen Regionen vor und bioakkumulieren sich im marinen Nahrungsnetz – z. B.: [a]

  • in kanadischen arktischen Belugas (Tomy et al. 2008) und in
  • Miesmuscheln (Gustafsson et al. 1999 ).

Einige BFR-Kongenere verursachen reproduktive und karzinogene Effekte, stören endokrine Systeme und verursachen neurotoxikologische Auswirkungen auf Säugetiere und Wasserorganismen. [a]

Bisphenol A

Bisphenol A (BPA) ist ein konstruktives Monomer, das als Weichmacher, Stabilisator und Antioxidationsmittel in Kunststoffen wie Polycarbonaten oder PVC verwendet wird. [a]

Es gibt viele Studien, die sich mit der Auslaugung von BPA aus Polycarbonat oder anderen Kunststoffen in die aquatische Umwelt befassen; aus Polycarbonaten kann es so z. B. bei 37°C leicht ins Meerwasser ausgelaugt werden kann. [a]

Die Auslaugungsrate hängt unter anderem von der Temperatur des Wassers ab. [a]

BPA ist ein endokriner Disruptoren, als solcher stört BPA die Funktion des Hormonsystems und kann die Fortpflanzung beeinträchtigen, die Entwicklung beeinträchtigen und genetische Aberrationen in einer Vielzahl von Organismen hervorrufen. [a]

Anmerkung: Die größte und älteste endokrinologische Fachgesellschaft der Welt, die Endocrine Society, widerspricht explizit den Beteuerungen von Herstellern und staatlichen Risikobewertungsinstituten, wonach bei Einhaltung der aktuellen Grenzwerte keine Gesundheitsgefahr bestehe, und weist darauf hin, dass es keine Grenze gebe, unterhalb derer von einer gesundheitlichen Unbedenklichkeit ausgegangen werden könne. [t]

Phthalate

Phthalate sind, vor allem in PVC-Polymeren, verbreitete Weichmacher weit verbreitet sind. [a]

Wie BPA sind auch Phthalate endokrine Disruptoren und stören die Funktion des Hormonsystems.[a]

Art der Beeinflussung mariner Lebewesen

In der LITTERBASE sind auch die „Interaktionen“ der Lebewesen mit Plastikabfällen dargestellt. Bisher wurden Wechselwirkungen für 2.249 Arten von Mikroben, Pflanzen und Tieren gemeldet. Diese Zahl wird laufend aktualisiert, und alle Berichte werden in einer globalen Verbreitungskarte eingezeichnet. Die Datenbank enthält aber auch Aufzeichnungen über Interaktionen mit Wildtieren aus Wasserläufen und von Land aus. [h]

In dieser ESKP-Bildergalerie werden für einige, funktional wichtige Tier- und Pflanzenarten die ökologischen Folgen vombeschrieben.

[…]

Laut einer aktuellen Publikation der EU Technical Group Marine Litter sind 817 marine Arten regelmäßig von schädlichen Auswirkungen des Mülls im Meer betroffen, darunter 519 von der Verstrickung oder Strangulierung und dem Verschlucken von Müllteilen. Vor allem Verpackungsmaterialien und ring- und schnurartige Müllteile sowie Netzreste, Leine und Taue bergen ein hohes Gefährdungspotenzial für marine Lebewesen. Circa 17 Prozent dieser Arten stehen auf der Roten Liste oder sind bereits als bedroht oder gefährdet eingestuft (Werner et al. 2016).

Wirkung auf Vögel

Situation in Deutschland

Eine UBA-Studie in der Basstölpelkolonie auf Helgoland in den Jahren 2014 und 2015 zeigte, dass 97 Prozent der Nester Kunststoffe enthielten. Es handelte sich vor allem um Materialien aus der Fischerei (z. B. Netzreste, Leinen, Schnüre und Scheuerschutz von Schleppnetzen), Taue und Verpackungen (Dürselen et al.). [n]

Eissturmvögel gelten in der Nordsee als Indikatorart für die Aufnahme von Plastikpartikeln auf der Meeresoberfläche. 94 Prozent der an Stränden der deutschen Nordsee tot aufgefundenen Eissturmvögel haben Kunststoffe im Magen, 62 Prozent davon mehr als 0,1 Gramm (Untersuchungszeitraum 2010–2015). Für die Ostsee konnte bislang noch keine Indikatorart identifiziert werden. Deshalb sind für die Ostsee derzeit keine vergleichbaren Aussagen möglich. [n]

In der Gesamtbetrachtung stellt das OSPAR Intermediate Assessment 2017 für die Nordsee fest, dass Müll an der Küste ubiquitär (d. h. überall) vorhanden und am Meeresboden weit verbreitet ist. Kunststoffe in Mägen von Eissturmvögeln liegen weit über dem ökologischen Schwellenwert für die Nordsee. Abnehmende Trends in der Müllbelastung der Strände und von Kunststoffpartikeln in Eissturmvogelmägen sind im Beobachtungszeitraum 2009 bis 2014 nicht festzustellen. [n]

Wirkung auf Fische

In einer UBA-Studie (2016) wurde der Verdauungstrakt von 258 im Freiwasser lebenden und 132 am Meeresboden lebenden Fischen verschiedener Arten aus Nord- und Ostsee qualitativ und quantitativ auf Kunststoffe untersucht. In 69 Prozent der Fischproben wurde kleines Mikroplastik unter 1 Millimeter Größe nachgewiesen (Scholz-Böttcher & Gerken). Bei anderen Untersuchungen wurden sowohl Mikro-, Meso- als auch Makropartikel in Fischmägen nachgewiesen (Werner et al. 2016). [n]

Mikroplastik aus dem Magen eines Drückerfisches aus dem subtropischen Wirbel des Nordatlantiks (LITTERBASE/AWI | Kredit: D.M. Lawrence/Sea Education Association) [h]

Wirkung auf Wirbellose

  • Powell & Berry (1990) zeigen beispielsweise, dass der marine Ruderfußkrebs (Eurytemora affinis) sphärische Latexpartikel mit einem Durchmesser von 15 μm aufnehmen und erbrechen bzw. wieder ausscheiden kann.
  • Von Moos et al. (2012) zeigten an Miesmuscheln (Mytilus edulis L.), dass nichtsphärische HDPE Partikel in einer Größenverteilung < 80 μm bei einer Konzentration von 2,5 g/l in Zellen und sogar Zellorganellen eindringen und in den Organen zu schweren pathologischen Schäden führen können. Es bleibt offen, ob dieselben Effekte auch durch sphärische Partikel herbeigeführt worden wären.
  • Holm et al. (2013) untersuchten ebenfalls die Akkumulierung von PE-Partikel (nichtsphärisch) in einer Größenverteilung < 80 μm in Miesmuscheln (Mytilus edulis L.) und konnten eine krankhafte Veränderungen in den Zellen der Mitteldarmdrüsen aufzeigen.
    • Auch die Aufnahme- und Ausscheidefähigkeit von 1 μm großen sphärischen PS-Partikeln an Daphnien (Daphnia sp.) und Pantoffeltierchen (Paramecium sp.) wurde gezeigt.

Es besteht also offensichtlich eine partikelformabhängige Aufnahme- und Ausscheidefähigkeit von Mikroplastikpartikeln für aquatische Organismen, die im Hinblick auf eine weitergehende Umweltbewertung betrachtet werden sollte, bislang jedoch wissenschaftlich wenig diskutiert wird.

Mikroplastik in Ozeanen und Meeren | Auswirkungen von Mikroplastik auf wirbellose Lebewesen, wie Muscheln oder Wattwürmer.

Auswirkungen von Mikroplastik auf benthische Lebewesen, wie Muscheln oder Wattwürmer sind unterschiedlich, bedingt durch die verschiedenen Methoden der Nahrungsaufnahme. (Grafik: Wissensplattform eskp.de, Lizenz: CC BY 4.0)

Neben der Aufnahme von ganzen MP-Partikeln wird auch eine fraktionierte Aufnahme von MP aus Makro- und Mesopartikeln diskutiert: Reisser et al. (2014) zeigten mithilfe von elektronenmikroskopischen Aufnahmen parallele Mulden auf der Oberfläche von Makroplastik (>1 mm) mit einem Abstand von 5 – 14 μm und verweisen auf denselben Abstand der Fresswerkzeuge von Ruderfußkrebsen (Copepode). Sie schlussfolgern, dass die Ruderfußkrebse Algen von der Oberfläche der Makroplastikpartikel fressen und die dabei abgekratzten Plastikpartikel aufnehmen könnten. Damit wird ein rein partikelgrößenabhängiges Aufnahmepotenzial von MP in Frage gestellt. [p]

  • Einige aquatische Organismen die Möglichkeit einer selektiven Nahrungsaufnahme: Graham & Thompson (2009) untersuchten das Futterverhalten von Seegurken (Echinodermata) in PVC-Partikel haltigen Sedimenten. Sie zeigen, dass die Organismen PVC-Partikel den Sandkörnern selektiv vorziehen können. [p]
[…]

Nutzung der Kunststoffabfällen durch Meeresorganismen

Schwimmender Naturschutt, z.B. Baumstämme oder Vulkangestein, hat schon immer einen Weg für den Transport von Organismen über die Weltmeere geboten. Da jedoch in den letzten Jahrzehnten große Mengen an Kunststoffen in die Meeresumwelt eingebracht wurden, wurde über eine Zunahme des Rafting im Meer berichtet. Organismen wie Algen, Muscheln, die mit Meeresorganismen bedeckt sind, wurden im Pazifischen Ozean schwimmend gefunden und werden oft an Land gespült (Aliani und Molcard 2003 ; AMRF 2010). Die meisten natürlichen Trümmer sind schwer und von Strömungen getrieben. Im Gegensatz dazu sind Plastikflöße leichte Objekte, die oft vom Wind angetrieben werden, wenn sie nicht völlig unter Wasser sind. Daher können die Arten, die sich an diesen Plastikgegenständen anheften, in alle Richtungen reisen, um neue Gebiete zu besiedeln. In einer Studie über das Übersiedeln von Organismen auf schwimmenden Trümmern wurde berichtet, dass sich eine exotische Seepocke (Elminius modestus) an Plastiktrümmern, die in der Nähe der Shetlandinseln gefunden wurden, befestigt hat (Barnes und Milner 2005). Das Vorkommen von anthropogenen Trümmern hat die Rafting-Möglichkeiten für Organismen mehr als verdoppelt und stellt eine ernsthafte Bedrohung für die globale Biodiversität dar (Barnes 2002). [a]

Folgen für den Menschen

[…]

“No peer-reviewed papers on in vivo or in vitro toxicity studies of microplastics or nanoplastics in rodent species usually used for toxicity studies have been identified by the CONTAM Panel on which to base risk assessment for humans.” – CONTAM Panel

[…]

Transport von Krankheitserregern

Der Mikrobiologe Gunnar Gerdts (AWI) untersucht die Mikroorganismen auf der Oberfläche der Plastikpartikel. Seine Kollegen und er konnten auf Mikroplastik bereits viele verschiedene Gruppen von Mikroorganismen entdecken, darunter auch Krankheitserreger – zum Beispiel das Bakterium Vibrio parahaemolyticus, das Magen-Darm-Entzündungen und Brechdurchfall auslösen kann. Eventuell könnte Mikroplastik so auch zur Verbreitung von Krankheiten beitragen. [h]

Auch das Umweltbundesamt hält in seinem Bericht „Kunststoffe in der Umwelt“ fest, dass „des Weiteren […] geklärt werden [muss], in welchem Ausmaß Kunststoffmüll im Meer und seine Zersetzungsprodukte die Einwanderung, den Transport und die Ausbreitung von nicht-einheimischen Arten und Krankheitserregern unterstützt.“. [n]

[…]

Mikroplastikanalytik

Mikroplastik auffinden

  • Mikroplastik ist momentan nicht direkt messbar.
  • Andere Parameter (z.B. Gelbstoffe) können möglicherweise indirekt Aufschluss über Ausbreitungswege von Mikroplastik im Meer und Gewässern geben.
  • Die Erforschung direkter Methoden läuft (Kurzwellen-Infrarot-Spektrometer).

Derzeit beteiligt sich u. a. das Umweltbundesamt (UBA) an der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des Vorkommens von Mikroplastik im Wasser, einschließlich besonders empfindlicher Methoden, die für die vermutlich sehr geringen Konzentrationen im Trinkwasser ausreichend verlässliche Ergebnisse liefern können. [n]

Kurzwellen-Infrarot-Spektrometer

Anhand der charakteristischen Absorptionseigenschaften von Polymeren im kurzwelligen Infrarotbereich, dem sogenannten SWIR-Bereich (Short Wave-Infrared), könnte zukünftig eine direkte Identifikation und Quantifizierung des auf dem Wasser treibenden Kunststoffabfalls möglich sein. In der Recycling-Industrie wird die SWIR-Bildgebung in der Müllsortierung eingesetzt, um automatisiert die Hauptplastikarten (z.B. PE, PP, PET, PVC, Polystyrol) schnell auseinander zu halten und zu sortieren. [i]

So kann beispielsweise der SWIR-Sensor HySpex-320m-e sowohl im Labor, als auch im Flugzeug eingesetzt werden. Im Labor erzeugt er hyperspektrale Bilder mit einer Pixelgröße von 52 Mikrometern und kann so zur Erkennung von kleinem Mikroplastik aus Gewässerproben eingesetzt werden. Aus dem Flugzeug scannt der Sensor die Erde mit ca. 1 m großen Pixeln ab. Derzeit wird getestet, ob so Plastikmüll an Küsten und Stränden aus der Luft kartiert werden kann. [i]

Probennahme

Mikroplastik wird auf offener See häufig mit Neuston-Netzen aus dem Wasser gesammelt, dieses feinmaschige Netz sammelt eigentlich die Lebewesen nahe der Meeresoberfläche, das sogenannte Neuston, ein – aber eben auch Mikroplastik. [h]

Neben diesen Plantonnetzen werden auch Netz-Kaskaden eingesetzt.

Das Netz wird an einem kleinen Metallkatamaran hinter einem Forschungsschiff hergezogen und anschließend an Bord in Auffangbehälter entleert. Um festzustellen, wie viel Mikroplastik im Meer vorkommt, muss es zunächst vom biologischen Material getrennt und gezählt werden. [h]

Weitere Filtrationsverfahren sind: [o, p]

  • Filterkerzenkaskaden
  • Siebkaskaden

(Bei der Probenahme für Partikel kleiner 10 μm ist eine Druckfiltration notwendig (~ 2-6 bar), bedingt durch die geringe Wasserdurchlässigkeit der Filter.)

Weiterhin bekannte (aber noch nicht hinreichend spezifizierte Probenahmeverfahren: [o, p]

  • Sedimentfallen,
  • Membranfilteranlagen und
  • Durchflusszentrifugen

Weil die statistische Wahrscheinlichkeit, einen repräsentativen Querschnitt der zu untersuchenden kleinen Partikel zu erhalten, bei zahlenmäßig hohen Partikelvorkommen sehr groß ist. Soll bei der Probenahme der gesamte Größenbereich bis in den oberen μm-Bereich abgedeckt werden. Dadurch müssen größere Wassermengen filtriert werden (50 L bis mehrere Kubikmeter). [o, p]

Entfernung der organischen Matrix

Für alle spektroskopischen Detektionsverfahren sind Aufbereitungsschritte zur Entfernung der organischen Matrix notwendig, dass am häufigsten verwendete Verfahren ist die Behandlung der Proben mit oxidierenden Wasserstoffperoxid-Lösungen (Fenton-Reagenz). Eine Alternative ist die Aufbereitung mit Ozon-Wasser. Üblich ist auch die Behandlung der Proben mit verdünnten oder konzentrierten Säuren oder Basen. Eine Alternative ist die enzymatische Aufbereitung. Sie wird als sehr schonend für MP eingeordnet, kritisch sind hier eher die langen Einwirkungszeiten von zwei Wochen und mehr. [o, p]

Achtung: U. a. PA-, POM- (Polyoxymethylen) und NBR- (Nitril-Butadien-Kautschuk) Kunststoffe oxidieren in 30 % H2O2 bereits bei Raumtemperatur. [o, p]

Andere Kunststoffe reagieren ebenfalls empfindlich auf Säuren oder Basen.

Probenuntersuchung

Es wird grundsätzlich zwischen drei verschiedenen Detektionsverfahren unterschieden. Mittels spektroskopischer Methoden werden Merkmale der spezifischen chemischen Struktur von Polymeren erfasst und mittels Referenzspektren zugeordnet. Bei thermoanalytischen Verfahren wird die Probe unter inerten Bedingungen pyrolysiert und spezifischen Zersetzungsprodukte der einzelner Polymere detektiert. Letztlich können auch mit chemischen Verfahren die Proben aufgeschlossen werden und spezifische Fragmente von Polymeren oder Elemente detektiert werden. [o, p]

Untersuchungen

Methodenübersicht – Wichtige Eckpunkte aktuell wichtiger Detektionsverfahren

ParameterRamanFTIRTED-GC-MSChem. Extraktion
Probenmenge1 μg 1 mg20 mg500 mg
Messzeit40 min3–6 h3 h2 h
IdentifikationsmöglichkeitenPE, PP, PS, PETPE, PP, PS, PETPE, PP, PS, PET PS, PET
Quantifizierung?NeinNeinJaJa
Partikelgrößenverteilung?JaJaNeinNein
Bestimmung des Alters?JaJainNeinJa

Spektroskopische Verfahren

Raman-Spektroskopie

Ein Laser bringt im Raman-Spektrometer Moleküle in Schwingung. Das Licht des Lasers überträgt Energie auf die untersuchte Materie. Dieser Energieübertrag bewirkt eine Verschiebung der Wellenlänge des an der Plastikprobe gestreuten Lichtes gegenüber dem eingestrahlten Licht, die sogenannte Raman-Verschiebung, diese ist für jede Verbindung charakteristisch und bildet einen „optischen Fingerabdruck“. Sandkörner beispielsweise haben einen anderen optischen Fingerabdruck als Plastikteile. Mit der Raman-Spektroskopie lassen sich Plastikpartikel zuverlässig und genau nachweisen. [h]

„Das Raman-Spektrometer ist Rekordhalter, wenn es um die Größe der Teilchen geht. Es kann die kleinsten Plastikteilchen aufspüren: bis circa ein Mikrometer kleine Teilchen, was einem Tausendstel von einem Millimeter entspricht. Allerdings sind die Untersuchungen zeitaufwendig und die erforschbaren Mengen sind häufig begrenzt. Dementsprechend lange dauert es, bis man zur Gesamteinschätzung der Belastung eines Gewässers oder von größeren Strandabschnitten kommt. Im Netzwerk für Plastik-Monitoring in Gewässern, PlaMoWa (AWI, GFZ), wird Forschung betrieben, um dieses Gerät zu verbessern und an die Bedürfnisse des Plastikmonitorings anzupassen. Im Optimalfall müsste das Gerät direkt, über vorgeschaltete Filter, auf die Plastikteilchen zusteuern und nicht mehr wie momentan die ganze Probe unter enormem Zeitaufwand scannen.“ [h][…]

ATR-Variante

[…]

FTIR

[…]

ATR-Variante

[..]

Hyperspectral-Imaging-Verfahren

[…]

Anfärbung mit Nil Red und anschließender Fluoreszenz-Detektion

[…]

Thermoanalytische Verfahren

(Mod.) Py-GC-MS

= Pyrolyse Gas Chromatographie Massenspektrometrie mit vorgelagerter thermischer Konditionierung der Probe

= Pyrolyse Gas Chromatographie Massenspektrometrie

[…]

TED-GC-MS

= Thermo Extraktion Desorption Gas Chromatographie Massenspektrometrie

  • Eine Methode für die Analyse und Quantifizierung von komplexen Kohlenwasserstoffen, die bei hohen Temperaturen (bis zu 1100°C) freigesetzt werden und somit auch für die Analyse von Mikroplastiken in komplexen Umweltmatrices geeignet. Möglich wird dies durch die Verbindung einer TGA mit einer TDS-GC-MS über einen Festphasenadsober.

TGA-FTIR/MS

[…]

TGA-GC-MS

[…. ]

Chemische Verfahren

ICP-MS

= Inductively coupled plasma mass spectrometry

  • Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma ist eine robuste, sehr empfindliche massenspektrometrische Analysenmethode in der anorganischen Elementanalytik. Sie wird u. a. zur Spurenanalyse von Schwermetallen, wie Quecksilber, Blei oder Cadmium benutzt. [w1]

Chem. Extraktion

  • Aus Sedimentproben werden durch Dichte-Trennung die leichteren Partikel vom relativ schweren Sediment (Dichte von Sand ca. 2,65 g/cm³) getrennt. Hierzu wird das Sediment mit gesättigter Kochsalzlösung (oder anderen Lösungen) gemischt und geschüttelt. Der Überstand (Suspension) wird auf einen Filter abgegossen und (üblicherweise durch Vakuumfiltration) von der Flüssigkeit getrennt (Hidalgo-Ruz et al., 2012). [q]
    • Die Methodik ist nicht standardisiert und liefert keine konstanten, validierbare Ergebnisse.

Die Lichtmikroskopie

„Eine traditionelle Methode ist die Lichtmikroskopie. Viele Forschergruppen arbeiten noch immer ausschließlich mit Lichtmikroskopen, um Mikroplastik zu bestimmen und dessen Konzentration in einer Meerwasserprobe abzuschätzen. Dabei werden die Proben, die auf einem Objektträger liegen, von einer Lichtquelle meist von unten bestrahlt und durch Linsen stark vergrößert. Neuere Lichtmikroskope nutzen die Fluoreszenz von Stoffen, wenn diese mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden und dann das Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abgeben. Leider sind die Ergebnisse häufig ungenau.“ (aus [h])

Bei der Messung realer Proben unter Verwendung von rein bildgebenden Verfahren (z.B. Licht-, Elektronenmikroskop) und Partikelzählverfahren (z.B. Lichtstreuung, Laserstreuung) besteht eine hohe Gefahr zur Fehlinterpretation.

[….]

Maßnahmen zur Vermeidung und Verringerung der Mikroplastigbelastung

  • Gutes Abfallmanagement ist die zentrale Voraussetzung, um Kunststoffabfälle in der Umwelt zu vermeiden und Stoffkreisläufe zu schließen.
  • Das UBA empfiehlt, einen gemeinsamen EU-Grenzwert für sämtliche Kunststoffverunreinigungen unabhängig von der Teilchengröße und der Kunststoffart einzuführen.

Empfehlungen des UBA

Das Umweltbundesamt empfiehlt: [n]

  • Entwicklung von Monitoringverfahren zur Langzeitüberwachung der Belastung verschiedener Meereskompartimente und Lebewesen durch Meeresmüll (einschließlich Monitoringverfahren für Kunststoffe/ Mikroplastik) im Rahmen der Umsetzung der EU Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie.
  • Festlegung von Baselines und Ableitung ökologischer Schwellenwerte zur Bewertung des Meereszustandes durch die EU Technical Group on Marine Litter
  • Untersuchung des potenziellen Transfers der in Kunststoffen enthaltenen chemischen Substanzen (Additive) und der Schadstoffe, die sich aus dem Meerwasser an ihnen anreichern, innerhalb des marinen Nahrungsnetzes durch die Forschung.
  • Unterstützung einer anspruchsvollen Umsetzung der Aktionspläne gegen Meeresmüll durch den Runden Tisch Meeresmüll in Deutschland, OSPAR, HELCOM, G7 und G20.
[…]

Abbaubare Polymere

[…]

Nach der Europäischen Norm EN 13432 werden Kunststoffe (neben einigen anderen Bedingungen) als biologisch abbaubar zertifiziert, wenn die „Desintegration im Kompost nach 3 Monaten Kompostierung“ erfolgt „und nach anschließender Absiebung durch ein 2 mm Sieb nicht mehr als 10 % Rückstände bezogen auf die Originalmasse verbleiben“. Somit bedeutet die zertifizierte biologische Abbaubarkeit der Biokunststoffe lediglich eine Fragmentierung zu Mikroplastik.

[…]

Prinzipien der deutschen Umweltpolitik

Das deutsche Grundgesetz (GG) definiert in Art. 20a das Umweltpflegeprinzip. Dort heißt es: „Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Le-bensgrundlagen und die Tiere im Rahmen der verfassungsmäßigen Ordnung durch die Ge-setzgebung und nach Maßgabe von Gesetz und Recht durch die vollziehende Gewalt und die Rechtsprechung.“ (GG Art. 20a)

Das Umweltpflegeprinzip fasst damit die Trias der Umweltziele der Bundesrepublik zusammen:

  1. „Dem Menschen eine Umwelt zu sichern, wie er sie für seine Gesundheit und für einmenschenwürdiges Dasein braucht
  2. Boden, Luft, und Wasser, Pflanzenwelt und Tierwelt vor nachteiligen Wirkungenmenschlicher Eingriffe zu schützen
  3. Schäden oder Nachteile aus menschlichen Eingriffen zu beseitigen.“

Weiterhin ist neben der Trias der Umweltziele, eine Trias der Umweltprinzipien im deutschen Umweltrecht verankert. Dazu gehört neben dem Vorsorgeprinzip und dem Verursacherprinzip auch das Kooperationsprinzip.

[…]

Wichtige Wasserrechtliche Rahmenbedingungen bilden:

  • die Wasserrahmenrichtlinie,
  • das Wasserhaushaltsgesetz,
  • die Abwasserverordnung und
  • die Oberflächengewässerverordnung.

Anmerkungen

[Allgemein] Wenn Du Dich weiter informieren möchtest, sind folgende Stichwörter interessant für Dich:

  • Anthropogene Polymere in der Umwelt
  • Anthropogener Polymereintrag
  • […]

Einzelnachweise

[a] Hammer J., Kraak M.H.S., Parsons J.R. (2012) Plastics in the Marine Environment: The Dark Side of a Modern Gift. In: Whitacre D. (eds) Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology (Continuation of Residue Reviews), vol 220. Springer, New York, NY

[b] Wissenschaftlicher Dienst des Bundestages; Einzelfragen zu Mikroplastik; Aktenzeichen:WD 8-3000 -023/19; Abschluss der Arbeit: 4.3.2019, Fachbereich: WD 8: Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung

[c] Bundesamt für Risikoforschung (BfR) „Fragen und Antworten zu Mikroplastik“ , 2014.

[d] Bayrisches Landesamt für Umwelt. „Mikroplastik in Gewässern“ , 2017.

[e] Crawford, Ch. B., Quinn, B.; „Microplastic Pollutants, Microplastics, standardisation and spatial distribution“, Elsevier Inc.; Amsterdam; 2017.

[f] Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik, Fraunhofer Umsicht. „Kunststoffe in der Umwelt: Mikro- und Makroplastik – Ursachen, Mengen, Umweltschicksale, Wirkungen Lösungsansätze, Empfehlungen; Kurzfassung der Konsortialstudie“ , 2018.

[g] National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). „What are microplastics?“ ; 2017.

[h] Tekman, M.B., Gutow, L., Macario, A., Haas, A., Walter, A., Bergmann, M.: Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

[i] https://themenspezial.eskp.de/plastik-in-gewaessern/beobachtung-aus-dem-all-und-im-labor/aus-dem-all-93741/

[j] https://themenspezial.eskp.de/plastik-in-gewaessern/giftigkeit-und-verwitterung-im-meer/schadstoffmagnet-mikroplastik-93732/

[k] https://themenspezial.eskp.de/plastik-in-gewaessern/giftigkeit-und-verwitterung-im-meer/zusatzstoffe-von-plastik-im-meer-93731/

[l] Jambeck, J.R., Andrady, A., Geyer, R., Narayan, R., Perryman, M., Siegler, T., Wilcox, C., Lavender Law, K. , (2015). Plastic waste inputs from land into the ocean, Science, 347, p. 768-771.

 [m] Rist, S. E., Assidqi, K., Zamani, N. P., Appel, D., Perschke, M., Huhn, M. und Lenz, M.(2016): Suspended micro-sized PVC particles impair the performance and decrease survival in the Asian green mussel Perna viridis. Marine Pollution Bulletin, 111 (1-2). pp. 213-220. DOI 10.1016/j.marpolbul.2016.07.006.

[n] https://www.umweltbundesamt.de/presse/pressemitteilungen/kunststoffe-in-der-umwelt

[o] Horton, AA; Walton, A;. Spurgeon, DJ; Lahive, E and Svendsen, C (2017): Microplastics in freshwater and terrestrial environments: Evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities. Science of The Total Environment 586 (Supplement C): S. 127–141.

[p] BMBF (2018): „Diskussionspapier – Mikroplastik-Analytik“, https://bmbf-plastik.de/sites/default/files/2018-10/Diskussionspapier%20Mikroplastik-Analytik.pdf

[q] Timmy Schwarz; Entwicklung, Analyse und Bewertung einer Methodik zur Bestimmung der Mikroplastik-Belastung von Küstensedimenten; Master-Thesis; Universität Bremen; 2012.

[r] United Nations

[s] GESAMP (2019). Guidelines or the monitoring and assessment of plastic litter and microplastics in the ocean (Kershaw P.J., Turra A. and Galgani F. editors), (IMO/FAO/UNESCO-IOC/UNIDO/WMO/IAEA/UN/UNEP/UNDP/ISA Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection). Rep. Stud. GESAMP No. 99, 130p

[t] EDCs Myth vs. Fact | Hormone Health Network. Abgerufen am 11. März 2019.

Einzelnachweise II

Aus der Wikipedia

[w1] https://de.wikipedia.org/wiki/Massenspektrometrie_mit_induktiv_gekoppeltem_Plasma (ABgerufen am 23.02.2020)


Bilder zur späteren Verwendung:

Schema zur Gewinnung von vollsynthetischen Kunststoffen (Endprodukte unten), ausgehend von einfachen Rohstoffen (oben) (Wagner, 1974: 39) [q]