Chemikaliencocktail aus Kunststoffen

Großprojekt untersucht Freisetzung von Additiven im Wasser.

Die Plastikabfälle in den Flüssen und Ozeanen geben permanent Chemikalien ins Wasser ab. Bislang war unbekannt, wie groß diese Mengen sind und welche Substanzen besonders stark freigesetzt werden. Im Großprojekt P-LEACH haben Fachleute von vier Forschungsinstituten der Helmholtz-Gemeinschaft die Zusammensetzung und Konzentrationen vieler verschiedener Substanzen jetzt genau analysiert. Im Fokus stand dabei vor allem die Frage, wie die UV-Strahlung der Sonne die Freisetzung der Chemikalien verstärkt.

In den Flüssen und Ozeanen treiben hunderttausende Tonnen von Plastikmüll. Der Wellenschlag, die UV-Strahlung der Sonne und das salzige Meerwasser führen dazu, dass die Kunststoffe nach und nach in immer kleinere Bruchstücke zerfallen und schließlich als winzige Mikroplastikpartikel in den Meeren treiben. In zahlreichen Studien haben Forschende inzwischen untersucht, inwieweit Meerestiere diese Partikel aufnehmen und ob sie davon krank werden. Weit weniger gut erforscht ist bisher, wie sich die Inhaltsstoffe der verschiedenen Kunststoffe auf das Leben im Meer auswirken – darunter Additive wie Schwermetalle, Flammschutzmittel, Weichmacher, Farbstoffe und viele andere Ingredienzien, die dem Plastik seine vielseitigen Eigenschaften verleihen.

Deshalb haben sich vor gut zwei Jahren mehr als 30 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem Großprojekt der Helmholtz-Gemeinschaft zusammengetan, um im Detail zu untersuchen, wie schnell und wie stark Plastik seine Inhaltsstoffe an das Wasser abgibt – und wie sehr diese Substanzen eventuell Meereslebewesen schädigen. Die ersten Projektergebnisse der Experten vom Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht, dem GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig sind jetzt im „Journal of Hazardous Materials“ erschienen. Der Schwerpunkt dieses ersten Fachartikels aus dem P-LEACH-Konsortium liegt auf der chemischen Analyse der Plastik-Inhaltsstoffe – und der Frage, wie die UV-Strahlung der Sonne dazu beiträgt, die chemischen Substanzen aus den Kunststoffen freizusetzen.

Häufige Kunststofftypen im Fokus

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

Nach dem Experiment wurden die Plastikpartikel entfernt und das Wasser anschließend gründlich auf eine mögliche Freisetzung von Kunststoffadditiven hin untersucht – vor allem auf Metallverbindungen und bestimmte, organische Stoffe sowie auf die Freisetzung kleiner Kunststoffpartikel. Von Interesse waren dabei insbesondere jene Chemikalien, die im Verdacht stehen, gesundheits- und umweltschädlich zu sein, aber nach wie vor nicht verboten oder reguliert sind. Die Ergebnisse lassen aufhorchen: So fanden sich im Wasser der UV-bestrahlten Proben, deutlich höhere Konzentrationen an Metall-Ionen als in den nicht bestrahlten Proben. Bei den organischen Substanzen war das Bild differenzierter: Einige Substanzen lagen in den UV-bestrahlten Proben ebenfalls in deutlich höheren Konzentrationen vor. Für andere organische Moleküle hingegen war die Konzentration erstaunlich gering. „Eine Entwarnung ist das aber nicht“, sagt der Umweltchemiker Dr. Frank Menger, Erstautor des Fachartikels und am Hereon Experte für organische Chemie. „Wir nehmen an, dass auch diese Substanzen aus dem Kunststoff ins Wasser gelangen, dort aber durch das UV-Licht in kleinere organische Verbindungen umgewandelt werden, sodass die Ausgangsverbindungen nicht mehr direkt nachweisbar sind.“

Fahndung nach bekannten und unbekannten Chemikalien

Bei der Analyse der organischen Inhaltsstoffe haben die Forschenden zwei Dinge genau unter die Lupe genommen. Zum einen wurden die Wasserproben auf 71 bekannte Substanzen untersucht, die bekanntermaßen in vielen Kunststoffen enthalten sind – unter anderem das UV-Schutzmolekül UV-328, das vor einem Jahr in die Liste der Stockholm-Konvention aufgenommen wurde – eine Liste besonders gefährlicher Chemikalien, deren Einsatz weltweit beschränkt oder teils ganz verboten ist. Zum anderen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den Wasserproben nach unbekannten Substanzen und Abbauprodukten gefahndet. Dafür kamen spezielle Massenspektrometer zum Einsatz, die in der Lage sind, bestimmte Molekülstrukturen oder Molekülfragmente zu erkennen und daraus auf die Ausgangssubstanz zu schließen. Damit lassen sich auch solche Chemikalien erkennen, die noch recht neu im Markt und relativ unbekannt sind – zum Beispiel neue Klassen von Weichmachern. Bedenkt man, dass weltweit in der Plastikproduktion rund 16.000 verschiedene Inhaltsstoffe zum Einsatz kommen, wird deutlich, wie anspruchsvoll die Analyse trotz der modernen Massenspektrometrie ist.

Dr. Frank Menger ist begeistert vom Umfang der Studie und des ganzen Projekts. „Wir haben die Analysetechnik und die entsprechende Expertise von vier Instituten zusammengeholt.“ Nur dadurch sei es möglich gewesen, die Wasserproben so umfassend zu analysieren. Dr. Lars Hildebrandt, einer der Wissenschaftler vom Hereon, der sich im Rahmen der Studie mit der komplexen Analyse von Mikroplastikpartikeln und Schwermetallen beschäftigt hat, ergänzt: „Mir sind bislang kaum vergleichbare Studien bekannt, bei denen die Freisetzung von Metallverbindungen wie auch bekannten und unbekannten organischen Verbindungen und zusätzlich kleiner Plastikpartikel aus Kunststoffen unter besonderer Berücksichtigung der Verwitterung durch UV-Strahlung so umfangreich untersucht wurde.“ Allerdings sei bei allem zu bedenken, dass die UV-Strahlung nur ein Faktor ist, der auf das Plastik in der Umwelt einwirkt. Hinzu kommen der Salzgehalt oder der Abbau durch Mikroorganismen. Auch das Alter, die Größe, die Form und die Porosität des Kunststoffs beeinflussen, wie stark Inhalts- und Zusatzstoffe ins Wasser gelangen. Insofern brauche es künftig weitere Studien, die diese Parameter berücksichtigen und deren vielfältige Auswirkungen untersuchen.

„Das P-LEACH Projekt gibt uns die einmalige Gelegenheit, die Abgabe von organischen und anorganischen Chemikalien sowie Mikroplastikpartikeln von verwitternden Kunststoffgegenständen und mögliche Auswirkungen umfassend zu untersuchen, unter Einbeziehung verschiedener Disziplinen wie Umweltchemie, Ökotoxikologie und Humantoxikologie“, so Prof. Dr. Annika Jahnke vom UFZ, die das Projekt koordiniert. In den kommenden Monaten sollen weitere Fachartikel des P-LEACH-Teams erscheinen. Unter anderem Ergebnisse dazu, wie sich die Substanzen auf Bakterien, Algen, Meerestiere und letztlich den Menschen auswirken. So wurde in dem Projekt unter anderem auch untersucht, wie das mit den Plastik-Inhaltsstoffen verschmutzte Wasser den Stoffwechsel von Algen, Schnecken oder lebenden Zellen beeinflusst, darunter Zellen aus dem Körper des Menschen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Frank Menger I Helmholtz-Zentrum Hereon I Institut für Umweltchemie des Küstenraumes | Abteilung Organische Umweltchemie
T: +49 (0) 4152 87-2211 I frank.menger@hereon.de | www.hereon.de

Dr. Lars Hildebrandt I Helmholtz-Zentrum Hereon I Institut für Umweltchemie des Küstenraumes | Abteilung Anorganische Umweltchemie
T: +49 (0) 4152 87-1813 I lars.hildebrandt@hereon.de | www.hereon.de

Prof. Dr. Annika Jahnke I Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
T: +49 (0) 341 6025-1527 I annika.jahnke@ufz.de | www.ufz.de

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135256

https://www.hereon.de/innovation_transfer/communication_media/news/114828/index.php.de