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Gefahr für den Menschen?

Mikroplastik in der Umwelt

von Prof. Dr. Gerd Liebezeit

Der Mensch schafft sich seine eigene Umwelt und zu dieser ­gehören seit den 1950er- Jahren ­vermehrt auch ­Produkte, die aus synthetischen Polymeren, vulgo Plastik oder Kunststoffe, ­bestehen. Plastikmüll in der Umwelt wird uns vermutlich über Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte erhalten bleiben. Lassen sich aber Plastik und vor allem Mikroplastik aus der Umwelt entfernen?

Zwar waren auch schon vor der Begründung der Polymerchemie solche Verbindungen bekannt (Abb.?1), die entscheidenden Struktur­vorschläge wurden aber durch Hermann Staudinger 1920 gemacht [1]. Von bescheidenen 1,7 Mio. Tonnen im Jahr 1950 stieg die globale Plas­tikproduktion im Jahr 2013 auf 299 Mio. Tonnen, davon 57 Mio. Tonnen in Europa (EU-27+CH+N) (www.plasticseurope.de) mit einer mittleren jähr­lichen Rate von 0,9%. Von dieser Produktion machen Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS) und Polyurethane (PU) den höchsten Anteil aus.

Ein nicht unerheblicher Anteil der globalen Polymerproduktion wird für Einmalartikel, haupt­sächlich Verpackungen (in der EU etwa 40%), verwendet. Zwar werden europaweit gesehen nur 38% deponiert, allerdings gibt es hier ausgeprägte Nord-Süd- und Ost-West-Gefälle, sodass in Ländern, in denen die Ablagerung von Plastik­abfall in offiziellen Deponien noch erlaubt ist, zwischen 37% und 87% dieses Mülls dort enden. Zahlen zur wilden Deponierung liegen naturgemäß nicht vor, hier zeigt aber der Augenschein, dass dieser Entsorgungsweg in einigen euro­päischen Ländern erheblich zur Vermüllung der Landschaft beitragen kann. Nach Zahlen von Jambeck et al. [2] gelangen von den 275 Mio. Tonnen Plastikabfall der 192 Küstenstaaten jährlich zwischen 4,8 und 12,7 Mio. Tonnen in den Ozean (Daten für 2010).

Der große Vorteil der aus synthetischen Poly­meren hergestellten Produkte ist aus Umwelt­gesichtspunkten gleichzeitig auch ihr größtes Manko – ihre Langlebigkeit. In der Tat ist Widerstandsfähigkeit gegen mikrobiellen Ab­bau eins der Schlüsselcharakteristika von Plas­tik in der aqua­tischen und terrestrischen Umwelt. Es kann bis zu 600 Jahre dauern, bis bestimmte Plastiktypen aus der Umwelt verschwunden sind (Tab.1).

Die tatsächliche Abbaugeschwindigkeit hängt aber von der Zusammensetzung des Polymers und den jeweiligen Umweltbedingungen ab. Bei diesen Werten muss auch noch berücksichtigt werden, dass sie in der Regel durch Bestimmung des Verlustes von mechanischen Eigenschaften während der Alterung erhalten wurden; der vollständige Abbau zu Wasser und Kohlendioxid wurde bisher nur wenig untersucht.

Mikroplastik – woher kommt es?

Was also tatsächlich im ersten Schritt mit Makroplastik in der Umwelt geschieht, ist vor allem eine Fragmentierung zu kleineren Partikeln über Meso- und Mikro- bis hin zu Nanoplastik (Tab.2; Abb.2). Nach Zahlen des Umweltbundesamtes verbraucht jeder Deutsche im Jahr 65 Plastik­tüten. Das entspricht einer jährlichen Nutzung von 5,3 Mrd. Plastiktüten oder 10.000 Tüten pro Minute. Deutschland gehört damit neben Spa­nien und Groß­britannien, beim Plastiktütenverbrauch, zu den Spitzenreitern in Europa.
Dabei sind zum einen die illegal entsorgten Plastiktüten, Getränke­flaschen oder Fast-Food-Verpackungen betroffen. Zum anderen tragen auch Mulchfolien aus dem kommerziellen Acker- und Gartenbau zur Partikelbelastung bei. Diese bestehen in der Regel aus Polyethylen, das per se nicht schnell zerfällt. Also werden Metallsalze, z.B. Kobaltverbindungen, zugesetzt, die dann bei UV-Bestrahlung und Sauerstoffeinwirkung für eine Fragmentierung sorgen.

Styromull (expandiertes Polystyrol) oder Hygro­mull (Formaldehyd-Harnstoff-Harz) werden als Bodenhilfsstoffe mit Korngrößen im Millimeter­bereich eingesetzt. Während der geschlossene Styromull für eine bessere Durch­lüftung sorgt, verbessert der offenporige Hygromull die Wasserkapa­zität. Vor allem der spe­zifisch sehr leichte Styromull (Dichte 15 bis 90?mg/cm³) kann leicht verweht und so großräumig in der Umwelt verteilt werden (Abb.3).

Auch biologische Prozesse können zur Mikro­plastikbelastung führen. So zernagen marine Asseln Auftriebsblöcke aus Styropor, um sich eine Behausung und Zuflucht zu verschaffen; Seevögel tragen zur Mikroplastikbelastung durch Zerpicken von Makroplastik bei [3]. Hier sind häufig Stücke aus expandiertem Polystyrol Gegenstand solcher Aktivitäten (Abb.4).

Neben diesen in der Umwelt stattfindenden Zerfallsprozessen wird Mikroplastik aber auch direkt eingetragen. Quellen sind hier Kosmetika und Reinigungsmittel, in denen vor allem Polyethylenpartikel, aber auch Polypropylen oder Polyamid als Schleifmittel verwendet werden, und Abrasiva aus der Metallbearbeitung, die den herkömmlichen Sand bei der Oberflächenbehandlung ersetzen.

Jedes Bekleidungsstück setzt beim Tragen, Waschen und Trocknen Fasern frei. Dabei wird beim Tragen offensichtlich der relativ größte Teil freigesetzt, ohne dass hier genaue Zahlen vorlägen. Beim Waschen von Polyester- oder Polyacrylkleidung werden zwischen 0,01 und 0,06 Gewichts­prozent an Fasern freigesetzt. Diese gelangen über das Abwasser in Kläranlagen, wo sie nicht vollständig zurückgehalten werden und mit dem geklärten Wasser in die Umwelt abgegeben werden [4]. Wird der Klärschlamm, in dem sich nach ersten Messungen der größte Teil der Fasern findet, als Dünger in der Landwirtschaft genutzt, können die zurück­gehaltenen Fasern in die Atmosphäre gelangen und so weiträumig verteilt werden. Aus der Luft können sie sich auf allen Oberflächen ab­lagern, u.a. auch auf Blüten und so z.B. in Honig gelangen [5].

Thermoplastische Kunststoffe werden als Roh­produkte in Form so genannter „preproduction pellets“ verschifft. Diese einige Millimeter großen granulären Partikel können beim Verladen verloren gehen und gelangen so in die Umwelt (www.pelletwatch.org).

Mikroplastik ist also überall zu finden, in der Luft, im Wasser, im Boden und in aquatischen Sedi­menten. Von hier kann es in Lebensmittel, auch in Trinkwasser und in Organismen gelangen.

Welche Effekte hat Mikroplastik?

Synthetische Polymere in reiner Form sind in der Regel ungefährlich, zwei Dinge tragen dann aber doch zu einer Gefährdung der Umwelt bei: Zum einen kann Plastik Spuren von Monomeren enthalten wie Bisphenol A, das als Ausgangsverbindung von z.B. Polycarbonaten dient, oder Mono-, Di- oder Tristyrol. Zum anderen gibt es so gut wie kein synthetisches Polymer, das ohne Additive auskommt. Besonders auffällig hier sind bromierte Flammschutzmittel und Weichmacher, vor allem Phthalate, die in PVC-Produkten mit bis zu 60 Gewichtsprozent enthalten sein können. Viele dieser Additive wirken hormonell. Im wässrigen Milieu werden sie aus dem Plastik ausgelaugt und gelangen so in die Umwelt (z.B. www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_120_phthalate.pdf). An der Luft können einige Verbindungen ausgasen, besonders bei hoher Sonneneinstrahlung.

Plastik ist in der Regel hydrophob. Wegen dieser Eigenschaft dienen z.B. Polyethylenfolien als Langzeitsammler für lipophile organische Kontaminanten wie z.B. PCBs, PAKs oder DDT, DDE und DDD. Mikroplastik hat zudem ein ­hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis, ist also in der Lage, solche Schadstoffe in großem ­Umfang zu adsorbieren [5]. Werden solche belas­teten Partikel von Organismen aufgenommen, können diese Schadstoffe, aber auch Additive im Magen/Darmtrakt wieder freigesetzt, in das tierische Gewebe eingelagert werden und Schäden hervorrufen [6].

Auch reines Mikroplastik wird, wie in verschiedenen Laborversuchen nachgewiesen, wenn es klein genug ist, d.h. etwa <5µm, von z.B. Zooplanktern, Miesmuscheln oder Wattwürmern aufgenommen und im Gewebe eingelagert werden, wo es zu entzündlichen Reaktionen führen kann [7]. Aber auch größeres Mikroplastik wird von Organismen aufgenommen, dann aber im Nahrungsnetz weitergegeben. Auf der ersten Stufe frisst tierisches Plankton Mikroplastik. Von hier gelangt es in Muscheln, Fische, Seevögel oder marine Säuger wie Seehunde, Kegelrobben oder Schweinswale. Auch bei auf dem oder im Sediment fressenden Tieren wie Wattwürmern oder Seegurken konnte Mikroplastik nachgewiesen worden [8]. Für den Menschen gibt es hier noch keine Daten, obwohl z.B. die negativen Effekte sehr kleiner Partikel bei der Aufnahme über die Lunge seit Langem bekannt sind (Asbestose, Silikose).

Viele Meeresvögel suchen ihre Nahrung an der Wasseroberfläche und nehmen dabei alles auf, was dort treibt, also auch Plastik. Möwen als Allesfresser ernähren sich aber nicht nur von Fischen, Krebsen oder Muscheln, sondern suchen ihre Nahrung auch an Land, z.B. auf Müllkippen. Auch hier nehmen sie sowohl Makro- als auch Mikroplastik auf, die dann mit den Speiballen wieder ausgewürgt [9] und vor allem in den Vogelkolonien konzentriert werden. Eissturmvögel zerkleinern mit ihrem Kaumagen das aufgenommene Plastik und tragen so zur Mikroplastikproduktion bei.

Die Aussichten

Plastikmüll in der Umwelt wird uns vermutlich über Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte erhalten bleiben. Lassen sich aber Plastik und vor allem Mikroplastik aus der Umwelt entfernen? Anders als beim Makroplastik ist Einsammeln von sehr kleinen Plastikteilchen keine tragfähige Alternative und das Herausfischen aus Flüssen, Seen oder dem Meer mit kleinmaschigen Netzen bedeutet einen massiven Eingriff in aquatische Ökosysteme, weil hier auch Zooplankton und damit die Basis des Nahrungsnetzes entfernt würde.

Der Druck von Umweltverbänden und Verbrauchern hat dazu geführt, dass es in Deutschland keine Zahnpasten mehr mit Mikroplastik als Schleifmittel gibt, auch haben fast alle großen Kosmetikaproduzenten nach massivem Druck durch Umweltverbände und Verbraucher erklärt, in naher Zukunft auf Mikroplastik in Pee­lings etc. verzichten zu wollen. Auch die vielerorts geführte Diskussion über plastiktütenfreie Gemeinden trägt sicher dazu bei, das Problem des großen und kleinen Plastikmülls in das allgemeine Bewusstsein zu tragen. Daneben müssen auch Klärwerksbetreiber in die Pflicht genommen werden und technische Anlagen einbauen, die Mikrofasern aus dem Abwasser entfernen. Trotzdem wird wegen der vermutlich langen ­Lebensdauer von Plastik in der Umwelt auch politisch entschieden werden müssen, wie die Plastikflut eingedämmt werden kann, z.B. durch Verbote von Einmalverpackungen, d.h. vor allem Plastiktüten, wie sie zurzeit in der EU diskutiert werden. Was jedem Konsumenten selbst bleibt, ist Plastikmüll zu vermeiden. Alternativen gibt es genug bei Kosmetika, Kleidung, Ver­packung und anderen Gebrauchsgegenständen.

Literatur
[1] Staudinger, H. (1920) Ber. Dt. Chem. Ges. 53: 1073?–1085
[2] Jambeck, J.R. et al. (2015) Science 347: 768–771
[3] Cadée, G.C. (2002) Mar. Poll. Bull. 44: 1294–1295
[4] Dubaish, F. & Liebezeit, G. (2013) Water Air Soil Poll. 224: 1352
[5] Liebezeit, G. & Liebezeit, E. (2013) Food Add. Contam. A 30: 2136–2140
[6] Teuten, E.L. et al. (2009) Phil. Trans. R. Soc. B 364: 2027–2045
[7] Avio, C.G. et al. (2015) Environ. Poll. 198: 211–222
[8] Graham, E.R. & Thompson, J.T. (2009) J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 368: 22–29
[9] Schulz, C. (2012) Bachelorarbeit Universität Giessen 44 pp.

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