Neue Lang­zeit­stu­die der Uni­ver­si­tät Bay­reuth zeigt die rasche Ent­ste­hung von Mikro- und Nano­pla­stik in der Umwelt

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Die mei­sten Mikro­pla­stik-Par­ti­kel in der Umwelt ent­ste­hen aus grö­ße­ren Kunst­stoff­tei­len. Wie schnell Kunst­stoff unter natür­li­chen Ein­flüs­sen in Frag­men­te zer­fällt, hat ein inter­dis­zi­pli­nä­res For­schungs­team der Uni­ver­si­tät Bay­reuth in einer Lang­zeit­stu­die simu­liert. High-Tech-Labor­un­ter­su­chun­gen an Poly­sty­rol zei­gen zwei Pha­sen des abio­ti­schen Abbaus: Zuerst wird die Sta­bi­li­tät des Kunst­stoffs durch Pho­tooxi­da­ti­on geschwächt. Danach bil­den sich Ris­se, immer mehr und immer klei­ne­re Frag­men­te wer­den in der Umwelt frei­ge­setzt. Die in der Zeit­schrift „Envi­ron­men­tal Sci­ence & Tech­no­lo­gy“ ver­öf­fent­lich­te Stu­die ermög­licht Rück­schlüs­se auf ande­re in der Umwelt ver­brei­te­te Kunststoffe.

Nora Meides M.Sc., Erstautorin der neuen Studie und Doktorandin in der Makromolekularen Chemie, an einer Bewitterungsanlage. Hier werden Kunststoff-Partikel einer simulierten Sonneneinstrahlung und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Foto: C. Wißler.

Nora Mei­des M.Sc., Erst­au­torin der neu­en Stu­die und Dok­to­ran­din in der Makro­mo­le­ku­la­ren Che­mie, an einer Bewit­te­rungs­an­la­ge. Hier wer­den Kunst­stoff-Par­ti­kel einer simu­lier­ten Son­nen­ein­strah­lung und mecha­ni­schen Bela­stun­gen aus­ge­setzt. Foto: C. Wißler.

Poly­sty­rol ist ein preis­wer­ter Kunst­stoff, der oft für Ver­packun­gen und zur Wär­me­däm­mung ver­wen­det wird. Er ist daher beson­ders häu­fig in Kunst­stoff­ab­fäl­len anzu­tref­fen. Im Rah­men ihrer Lang­zeit­stu­die haben die Bay­reu­ther Forscher*innen erst­mals ana­ly­ti­sche Unter­su­chun­gen, die an Poly­sty­rol-Par­ti­keln auch auf ato­ma­rer Ebe­ne durch­ge­führt wur­den, und Mes­sun­gen, die das Ver­hal­ten die­ser Par­ti­kel unter mecha­ni­scher Bela­stung ermit­tel­ten, kom­bi­niert. Auf die­ser Grund­la­ge haben sie ein Modell für den abio­ti­schen Abbau, also den Abbau ohne Ein­wir­kung von Lebe­we­sen, entwickelt.

„Unse­re Stu­die zeigt: Ein Mikro­pla­stik-Par­ti­kel mit einem Durch­mes­ser von 160 Mikro­me­tern setzt im Ver­lauf von ein­ein­halb Jah­ren, in denen er natür­li­chen Ver­wit­te­rungs­pro­zes­sen in der Umwelt aus­ge­setzt ist, etwa 500 Par­ti­kel in einer Grö­ßen­ord­nung von 20 Mikro­me­tern – also von 0,02 Mil­li­me­tern – frei. In der Fol­ge­zeit zer­fal­len auch die­se Par­ti­kel in immer klei­ne­re Frag­men­te. Auf die­sen win­zi­gen Par­ti­keln kann sich eine Öko­co­ro­na bil­den, die mög­li­cher­wei­se das Ein­drin­gen in Zel­len leben­der Orga­nis­men erleich­tert. Dies hat eine ande­re Bay­reu­ther For­schungs­grup­pe vor weni­gen Mona­ten ent­deckt“, sagt Erst­au­torin Nora Mei­des, Dok­to­ran­din im Bereich Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie an der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Proben von Kunststoff-Partikeln in der Bewitterungsanlage. Foto: C. Wißler.

Pro­ben von Kunst­stoff-Par­ti­keln in der Bewit­te­rungs­an­la­ge. Foto: C. Wißler.

Die Mikro­pla­stik-Par­ti­kel wur­den im Was­ser zwei Stress­fak­to­ren aus­ge­setzt: inten­si­vem Son­nen­licht und mecha­ni­scher Dau­er­be­la­stung, die durch Rüh­ren in Was­ser erzeugt wur­de. Auch in der Umwelt sind Son­nen­licht und mecha­ni­scher Stress die bei­den wich­tig­sten abio­ti­schen Fak­to­ren, die zur schritt­wei­sen Frag­men­tie­rung der Par­ti­kel bei­tra­gen. Die Bestrah­lung mit Son­nen­licht löst an der Ober­flä­che der Par­ti­kel Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se aus. Die­se Pho­tooxi­da­ti­on hat in Ver­bin­dung mit dem mecha­ni­schen Stress signi­fi­kan­te Fol­gen: Die Poly­sty­rol­ket­ten wer­den kon­ti­nu­ier­lich kür­zer. Zudem wer­den sie auch zuneh­mend pola­rer, das heißt es bil­den sich Ladungs­schwer­punk­te in den Mole­kü­len. In der zwei­ten Pha­se setzt die Frag­men­tie­rung der Mikro­pla­stik-Par­ti­kel ein: Hier­bei zer­fal­len die Par­ti­kel in immer klei­ne­re Mikro­pla­stik- und Nanoplastik-Fragmente.

Grafik: Nora Meides.

Gra­fik: Nora Meides.

„Unse­re For­schungs­er­geb­nis­se sind eine wert­vol­le Grund­la­ge, um den abio­ti­schen Abbau von Makro- und Mikro­pla­stik in der Umwelt – sowohl an Land als auch an der Was­ser­ober­flä­che – am Bei­spiel wei­te­rer Kunst­stoff­ar­ten genau­er zu unter­su­chen. Die Schnel­lig­keit der Frag­men­tie­rung hat uns selbst über­rascht und zeigt erneut die poten­ti­el­len Risi­ken, die von der wach­sen­den Bela­stung der Umwelt durch Kunst­stof­fe aus­ge­hen könn­ten. Vor allem grö­ße­re Pla­stik­müll-Gegen­stän­de, sind – wenn sie dem Son­nen­licht und Abrieb aus­ge­setzt sind – ein Reser­voir für einen stän­di­gen Mikro­pla­stik-Ein­trag. Es sind gera­de die win­zi­gen, mit blo­ßem Auge kaum erkenn­ba­ren Par­ti­kel, die sich bis in die ent­le­gen­sten Öko­sy­ste­me über ver­schie­de­ne Trans­port­we­ge ver­brei­ten“, sagt Tere­sa Men­zel, Dok­to­ran­din im Bereich Poly­me­re Werk­stof­fe. „Das in unse­rer Lang­zeit­stu­die unter­such­te Poly­sty­rol besitzt eben­so wie Poly­ethy­len und Poly­pro­py­len ein Koh­len­stoff-Rück­grat. Es ist sehr wahr­schein­lich, dass sich unser an Poly­sty­rol ent­wickel­tes Zwei-Pha­sen-Modell auf die­se Kunst­stof­fe über­tra­gen lässt“, ergänzt Haupt­au­tor Prof. Dr. Jür­gen Sen­ker, Pro­fes­sor für Anor­ga­ni­sche Che­mie, der die For­schungs­ar­bei­ten koor­di­niert hat.

Die jetzt ver­öf­fent­lich­te Stu­die ist aus einer engen fächer­über­grei­fen­den Zusam­men­ar­beit inner­halb einer Arbeits­grup­pe des DFG-Son­der­for­schungs­be­reichs „Mikro­pla­stik“ an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth her­vor­ge­gan­gen. Wissenschaftler*innen aus der Makro­mo­le­ku­la­ren Che­mie, der Anor­ga­ni­schen Che­mie, den Inge­nieur­wis­sen­schaf­ten und der Tier­öko­lo­gie erfor­schen in die­sem Team gemein­sam die Ent­ste­hung und den Abbau von Mikro­pla­stik. Hier­für ste­hen auf dem Bay­reu­ther Cam­pus zahl­rei­che For­schungs­tech­no­lo­gien zur Ver­fü­gung, die auch im Rah­men der Lang­zeit­stu­die ein­ge­setzt wur­den: unter ande­rem die ¹³C-MAS-NMR-Spek­tro­sko­pie, die Ener­gie­di­sper­si­ve Rönt­gen­spek­tro­sko­pie (EDX), die Raster­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie (SEM) und die Gel-Per­me­a­ti­ons-Chro­ma­to­gra­phie (GPC).

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