Pilotstudie beschreibt Abbau- und Auslaugungsprozess von Kunststoff-Konsumgütern

Plastikmüll in Flüssen und Meeren setzt ständig Chemikalien ins Wasser frei. Wie groß diese Mengen sind und welche Stoffe dabei besonders stark freigesetzt werden, war bislang unbekannt. Im Großprojekt P-LEACH haben nun Experten aus vier Forschungsinstituten der Helmholtz-Gemeinschaft Zusammensetzung und Konzentrationen vieler verschiedener Stoffe analysiert. Im Fokus stand dabei vor allem die Frage, wie die UV-Strahlung der Sonne die Freisetzung von Chemikalien verstärkt.

Hunderttausende Tonnen Plastikmüll schwimmen in Flüssen und Meeren. Durch den Wellengang, die UV-Strahlung der Sonne und das salzige Meerwasser zerfällt der Kunststoff nach und nach in immer kleinere Fragmente und schwimmt schließlich als winzige Mikroplastikpartikel in den Ozeanen.

In zahlreichen Studien haben Forscher untersucht, in welchem ​​Ausmaß Meerestiere diese Partikel aufnehmen und ob sie davon krank werden. Weitaus weniger gut erforscht ist bislang, wie sich die Inhaltsstoffe verschiedener Plastikprodukte – darunter Zusatzstoffe wie Schwermetalle, Flammschutzmittel, Weichmacher, Farbstoffe und viele weitere Zutaten, die dem Plastik seine vielseitigen Eigenschaften verleihen – auf das Leben im Meer auswirken.

Deshalb haben sich vor zwei Jahren mehr als 30 Wissenschaftler in einem großen Projekt der Helmholtz-Gemeinschaft zusammengeschlossen, um im Detail zu untersuchen, wie schnell und in welchem ​​Ausmaß Plastik seine Zusätze ins Wasser abgibt – und inwiefern diese Stoffe dem Meeresleben schaden können.

Die ersten Projektergebnisse der Experten des Helmholtz-Zentrums Hereon in Geesthacht, des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel, des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig liegen nun vor. veröffentlicht im Zeitschrift für GefahrstoffeIm Fokus dieses ersten Forschungsartikels des P-LEACH-Konsortiums steht die chemische Analyse von Kunststoffbestandteilen – und die Frage, wie die UV-Strahlung der Sonne zur Freisetzung chemischer Substanzen aus Kunststoffen beiträgt.

Fokus auf gängige Kunststoffarten

Für ihre Experimente kauften die Wissenschaftler zunächst acht typische Massenartikel aus häufig verwendeten Kunststoffen und zerschnitten sie in wenige Millimeter große Stücke – darunter Gewächshausfolie aus Polyethylen (PE), Schläuche aus Polyvinylchlorid (PVC) und PET-Stopfen. Diese Stücke legten sie anschließend in ein Wasserbad und bestrahlten sie mehrere Monate lang mit einer speziellen UV-Lampe, die das Sonnenlicht über Mitteleuropa nachahmt. Zum Vergleich lagerten sie einen Teil des Kunststoffs in Wasserbehältern, die sie nicht bestrahlten.

Nach dem Experiment wurden die Plastikpartikel mithilfe von Filtern entfernt und das Wasser anschließend gründlich auf mögliche Freisetzungen von winzigen Plastikpartikeln und Plastikzusätzen – insbesondere Metallverbindungen und bestimmten organischen Substanzen – untersucht. Von besonderem Interesse waren dabei jene Chemikalien, die im Verdacht stehen, gesundheits- und umweltschädlich zu sein, aber weder verboten noch reguliert sind.

Die Ergebnisse waren verblüffend: Im Wasser der UV-bestrahlten Proben fanden sich deutlich höhere Konzentrationen an Metallionen als in den unbestrahlten Proben. Bei den organischen Substanzen war das Bild differenzierter: Einige Stoffe waren auch in den UV-bestrahlten Proben in deutlich höheren Konzentrationen vorhanden. Bei anderen organischen Molekülen waren die Konzentrationen dagegen überraschend niedrig.

„Das ist allerdings keine Entwarnung“, sagt Umweltchemiker Dr. Frank Menger, Erstautor der Forschungsarbeit und Experte für Organische Chemie am Hereon. „Wir gehen davon aus, dass diese Stoffe auch aus dem Plastik ins Wasser gelangen, dort aber durch UV-Licht in kleinere organische Verbindungen umgewandelt werden, so dass die ursprünglichen Verbindungen nicht mehr direkt nachweisbar sind.“

Suche nach bekannten und unbekannten Chemikalien

Bei der Analyse der organischen Stoffe nahmen die Forscher zwei Dinge im Detail unter die Lupe. Zum einen wurden Wasserproben auf 71 bekannte Stoffe untersucht, die in vielen Kunststoffprodukten vorkommen – darunter auch das UV-Schutzmolekül UV-328, das vor einem Jahr auf die Liste der Stockholmer Konvention gesetzt wurde – eine Liste besonders gefährlicher Chemikalien, deren Verwendung eingeschränkt oder in manchen Fällen ganz verboten ist.

Die Wissenschaftler suchten in den Wasserproben auch nach unbekannten Substanzen und Abbauprodukten. Dabei kamen spezielle Massenspektrometer zum Einsatz, die bestimmte Molekülstrukturen oder Molekülfragmente erkennen und so Rückschlüsse auf die ursprüngliche Substanz ziehen können. Damit lassen sich auch Chemikalien identifizieren, die noch relativ neu auf dem Markt und relativ unbekannt sind – zum Beispiel neue Weichmacherklassen. Bedenkt man, dass weltweit rund 16.000 verschiedene Additive bei der Kunststoffproduktion zum Einsatz kommen, wird deutlich, wie anspruchsvoll die Analytik trotz moderner Massenspektrometrie ist.

Dr. Menger ist vom Umfang der Studie und dem gesamten Projekt begeistert. Er erklärt: „Wir haben die Analysetechnologien und das entsprechende Know-how von vier Forschungsinstituten zusammengeführt.“ Nur so sei es möglich gewesen, die Wasserproben so umfassend zu analysieren.

Dr. Lars Hildebrandt, einer der Hereon-Wissenschaftler, der im Rahmen der Studie an der komplexen Analytik von Mikroplastikpartikeln und Schwermetallen gearbeitet hat, ergänzt: „Mir sind bislang kaum vergleichbare Studien bekannt, in denen die Freisetzung von Metallverbindungen sowie bekannten und unbekannten organischen Verbindungen und auch kleinen Plastikpartikeln aus Kunststoffprodukten unter besonderer Berücksichtigung der Verwitterung durch UV-Strahlung so umfassend untersucht wurde.“

Dabei ist allerdings zu bedenken, dass UV-Strahlung nur ein Faktor ist, der Plastik in der Umwelt beeinflusst. Hinzu kommen Salzgehalt oder Abbau durch Mikroorganismen. Auch Alter, Größe, Form und Porosität des Plastiks beeinflussen, in welchem ​​Ausmaß Additive ins Wasser gelangen. Insofern sind in Zukunft weitere Studien nötig, die diese Parameter berücksichtigen und ihre vielfältigen Auswirkungen untersuchen.

„Das Projekt P-LEACH bietet uns die einmalige Möglichkeit, Freisetzungen von organischen und anorganischen Chemikalien sowie Mikroplastikpartikeln aus verwitternden Plastikgegenständen und mögliche Auswirkungen unter Berücksichtigung verschiedener Disziplinen wie Umweltchemie, Ökotoxikologie und Humantoxikologie umfassend zu untersuchen“, sagt Prof. Dr. Annika Jahnke vom UFZ, die das Projekt koordiniert.

In den nächsten Monaten sollen weitere wissenschaftliche Artikel des P-LEACH-Teams erscheinen. Darin werden unter anderem Ergebnisse dazu präsentiert, wie sich mit Plastiksubstanzen verunreinigtes Wasser auf Bakterien, den Stoffwechsel von Algen, Schnecken und lebenden Zellen, darunter auch Zellen des menschlichen Körpers, auswirkt.