Erste Langzeitstudie über fein aufgelöste Mikroplastikeinträge Kunststoff, konserviert in der Tiefsee

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Es gibt kaum einen Winkel dieser Erde – erst recht keinen aquatischen –, in dem Mikroplastik nicht zu finden ist. Umso erstaunlicher, dass man u. a. über den Verbleib der Partikel in den Ozeanen nur wenig weiß. Nun zeigt eine Studie erstmals eine Zeitreihe der Mikroplastikbelastung der Meere.

Plastik ist heutzutage in unserem Alltag omnipräsent und von dort kaum mehr wegzudenken. Da es aufgrund variierbarer Eigenschaften vielseitig einsetzbar und langlebig ist, findet der Werkstoff neben der Anwendung im Alltag auch Verwendung in vielen industriellen Bereichen wie dem Gebäudebau, der Automobilherstellung, der Aquakultur oder der Elektrotechnik. Der mit Abstand hauptsächliche Anwendungsbereich bleibt jedoch das Verpackungsmaterial. Aufgrund der sorglosen Handhabung des Materials gelangen bekanntermaßen jedoch auch große Mengen des Plastiks in unsere Umwelt. Kaum eine vom Menschen verursachte Umweltverschmutzung – sowohl an Land, in der Atmosphäre als auch im Wasser – ist inzwischen so verbreitet wie Mikroplastik (Partikel <5 mm). Und obwohl es für fast jedes Ökosystem, und sei es noch so abgelegen, wie etwa die Arktis oder Tiefseesedimente des Marianengrabens, Nachweise für Mikroplastik gibt, ist gerade für die Ozeane über die Herkunft, den Verbleib und der zeitlichen Variabilität des Mikroplastiks wenig bekannt.

Mikroplastik ist in vielerlei Hinsicht gefährlich für die Meeresumwelt, da es bestimmte Giftstoffe adsorbieren kann und diese, begünstigt durch Winde und Strömungen, über weite Strecken, sowohl horizontal als auch vertikal über den gesamten Ozean hinweg transportiert. Die verschiedensten einheimischen Lebewesen verwechseln die so vergifteten Partikel oft mit ihrer eigentlichen Nahrung, und nehmen auf diese Weise sowohl die Giftstoffe als auch die unverdaulichen Mikroplastik­partikel auf. Dies kann zusätzlich die Aufnahme von verwertbarer Nahrung deutlich einschränken und führt häufig zum Tod der Organismen.

Darüber hinaus ist Mikroplastik nicht gleich Mikroplastik, je nach Plastikart werden bereits in der Produktion oft große Mengen umweltschädlicher Stoffe zugegeben, die während der Verweilzeit im Ozean freigesetzt werden können. Zudem variieren die Zerfallsprozesse und Abbauprodukte, von denen wir aktuell nur sehr wenig wissen. Aufgrund dieser zahlreichen bekannten und unbekannten Gefahren, müssen wir besser verstehen, wie schnell und wie viel Mikroplastik durch die Wassersäule in die Tiefe der Weltozeane gelangt. Auch hierbei ist neben der Größe auch das Material, aus dem die Mikroplastikpartikel bestehen, entscheidend. Denn die enorme Bandbreite verschiedener chemischer und physikalischer Eigenschaften beeinflusst sowohl das Sinkverhalten als auch die Beständigkeit der Mikroplastikpartikel. Dies wiederum ist entscheidend für ihre Verweildauer in der Wassersäule und somit auch für ihre Verfügbarkeit für die betroffene Fauna.

Jährlich sinken 5,4 Millionen Tonnen Mikroplastik in die Tiefsee

Im Rahmen der hier beschriebenen Studie [2] wurde erstmals eine Zeitreihe des Sinkstofffallenmaterials aus 2.000 Metern Wassertiefe, welches zwischen April 2003 und Juni 2015 von „Kiel 276“ (s. Ergänzendes zum Thema) gesammelt wurde, analysiert (s. Abb. 2). In allen 110 untersuchten Proben wurde Mikroplastik nachgewiesen, wobei die Menge, die Plastikart und der Zeitpunkt des Auftretens der einzelnen Polymere erheblich variierten. Den Ergebnissen nach sanken zwischen einem und gut 3.000 Plastikpartikel pro Tag und pro Quadratmeter in den tiefen Atlantik, was einer Masse von 0,0001 bis knapp 2 mg pro Tag und Quadratmeter entspricht. Hochgerechnet auf den gesamten Atlantik kommt dies einem Eintrag von etwa 5,4 Millionen Tonnen im Jahr gleich [2]. Die Sinkstofffallen fangen alle sinkenden und in der Wassersäule treibenden Partikel auf (s. Abb. 1).

Mikroplastik aus Kleinstvolumen-Umweltproben analysieren

Um Mikroplastik von dem übrigen abgesunkenen Material zu unterscheiden und zu analysieren, war es zunächst notwendig, eine geeignete Methode zu entwickeln, mit der Mikroplastik aus Kleinstvolumen- Umweltproben (<100 mg) mit hohen Anteil an biogenem Material (bis zu 80 %) abgetrennt werden kann [3]. Hierfür wurden zunächst sowohl die Rückgewinnungsraten von Mikroplastik als auch die Effektivität zur Entfernung des biogenen Anteils bei verschiedenen Aufschluss- und Trennverfahren zur Isolierung von Mikroplastik aus massenbegrenzten Umweltproben getestet und miteinander verglichen. Die Problematik der Abtrennmethoden, die es zu bewältigen galt, bestand in der Empfindlichkeit einzelner Plastiktypen gegenüber aggressiven Chemikalien, die zur Beseitigung organischer Materialien notwendig waren sowie in der Kontaminations- und Verlustgefahr durch zu viele Zwischenschritte. Darüber hinaus sollte die Methode möglichst umweltfreundlich, günstig und einfach zu handhaben sein, so dass sie auch in finanziell schwächeren Regionen zum Einsatz kommen kann.

Schlussendlich wurde eine Kombination aus einer chemischen Vorbehandlung und einer auf Adsorption basierenden Isolierungsmethode als die schonendste und effektivste Technik gewählt, die die lipophilen Eigenschaften des Kunststoffs zur Abtrennung nutzt. In dieser Technik passiert die Probe eine ebenfalls lipophile Schicht, welche die enthaltenen Mikroplastikpartikel zurückhält, während biogene Materialien, Gesteinsrückstände und andere lipophobe Bestandteile herausgespült werden. Die zurückgehaltenen Mikroplastikpartikel wurden anschließend wieder abgelöst und filtriert, um sie schließlich mithilfe der Raman-Spektroskopie identifizieren zu können.

Mit dieser Technik wurde eine durchschnittliche Rückgewinnungsrate für Mikroplastik von 98,0 ± 3,8 % und eine Matrixentfernung von 96,3 ± 0,3 % bei geringen Kosten und minimalem Aufwand erreicht [3].

Die Analyse der 110 Sinkstofffallen-Proben zeigte, dass diese bis zu 8 % Mikroplastik enthielten (s. Abb. 3 und 4). Die durchschnittliche Mikroplastikpartikelgröße für alle Proben und Polymere betrug 88,44 ± 113,46 µm, wobei Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) den höchsten Anteil an kleinen Partikeln (<100 µm) aufwiesen. Dies deutet auf Verwitterung durch lange Transportwege in der Atmosphäre und Fragmentierung im Wasser, durch Wellen, Strömungen und Reibung hin. Neben den beiden Polymertypen Polyethylen (gut 70 % der Menge aus allen Proben) und Polyvinylchlorid (gut 20 % der Gesamtmenge), die am häufigsten in Sinkstofffallenproben vorkamen, wurden auch Kunststofftypen wie Polypropylen (PP), Polystyrol, Polyethylenterephthalat (PET), und in deutlich geringeren Mengen auch Plexiglas, Polyamid, Teflon und Mischpolymere aus Polyethylen und Polypropylen identifiziert.

Starke jahreszeitliche Schwankungen festgestellt

Die Zeitreihe zeigte erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Beobachtungsjahren und Monaten bezüglich der Zusammensetzung der verschiedenen Polymere (s. Abb. 4). Da die am häufigsten produzierten Plastikarten (Polyethylen und Polypropylen) leichter als Meerwasser sind, aber in Form von Mikroplastik auch in der Tiefsee gefunden wurden [1], kann davon ausgegangen werden, dass der biogene Ballasteffekt als wichtiger Ablagerungsprozess auch für Mikroplastik in Betracht gezogen werden muss. In der Tat waren die Mikroplastikflüsse in den Sommermonaten Juli und August bemerkenswert niedrig und im April am höchsten, wie auch die biogene Partikelflussfraktion, die aus der abgestorbenen Phytoplanktonblüte besteht. Nach der Aufteilung der Polymertypen in dessen schwere (höhere Dichte als Wasser) und leichte (niedrigere Dichte als Wasser) Fraktionen, festigte sich die Vermutung des saisonalen Auftretens. Demnach wurden die hohen Mikroplastikflüsse während der Wintermonate größtenteils den schweren Polymeren zugeschrieben, mit deutlich höheren Mikroplastikflüssen im Winter (Dezember/Januar/Februar) und den niedrigsten in den Sommermonaten (Juni/Juli/August). Dies lässt auf eine jahreszeitliche Abhängigkeit für den Fluss schwerer Polymere schließen, welche jedoch nicht für den Fluss leichter Polymere, der hauptsächlich aus Polyethylen besteht, beobachtet wurde [2].

Die Menge der Polyethylen-Partikel korrelierte hingegen deutlich mit dem vermehrten Auftreten winziger Gesteinspartikel, lithogenen Ursprungs, die über die Atmosphäre in den Ozean eingetragen wurden. Aufgrund ihres Gehalts an speziellen Seltenen Erden vermuten die Autoren der vorliegenden Studie, dass diese Partikel – ein Gemisch aus Gesteinsstaub und Plastik, durch die Winde mobilisiert – aus Nordostafrika und den umliegenden Regionen eingetragen wurden. Dieser Zusammenhang zwischen der lithogenen Partikelflusskomponente in den Sinkstofffallenproben und den Polyethylenpartikeln legt gleiche Transportwege nah.

Für das zweithäufigste Polymer Polyvinylchlorid konnte kein entsprechender Zusammenhang mit der lithogenen Fraktion hergestellt werden. Für den saisonalen Zusammenhang könnten verschiedene jahreszeitlich spezifische Faktoren wie die absinkende Algen- blüte, Schichtung der Wassersäule, Winde, Strömungen oder Niederschläge verantwortlich sein. Im Rahmen der hier beschriebenen Studie [2] konnten die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Umweltbedingungen und Polyvinylchloridflüssen aufgrund ihrer Komplexität bisher nicht hinreichend nachgewiesen werden. Jedoch ließen sich Gemeinsamkeiten in den Verteilungsmustern der einzelnen Polymere feststellen, wie z. B. bei PVC und Polyamid. Dies ist ein weiterer Hinweis auf gleiche Transportwege in der Atmosphäre und im Wasser.

Während die Polymertypen zwischen den Zeitreihen und Jahren stark variierten, blieb die Dominanz der sehr kleinen, fragmentierten Mikroplastikpartikel erhalten. Auch zwischen den Polymertypen änderte sich der Größenbereich der Partikel nicht. Da größere Mikroplastikpartikel (<1 mm) extrem selten zu finden waren, scheint es so, als müssten die Plastikteile erst eine bestimmte Größe erreichen, bis diese in die Tiefe sinken. Da zudem hauptsächlich fragmentierte Mikroplastikpartikel identifiziert wurden, ist die Annahme naheliegend, dass das gefundene Material schon Verwitterungsprozessen ausgesetzt war, bevor es in die Tiefsee sank, in der es aufgrund der niedrigen Temperaturen und fehlender UV-Strahlung Jahrhunderte verweilen kann. Wie alt die gefundenen Partikel nun exakt waren, lässt sich jedoch aufgrund fehlender Methoden nur schwer sagen. An diesem Problem der Altersbestimmung arbeiten bereits Wissenschaftler aus aller Welt, doch nach wie vor gilt es auch dieses Thema zukünftig aufzuklären.

Fazit und Blick in die Zukunft

In der hier vorgestellten Langzeitprobenserie (2003 bis 2015) einer Sinkstofffalle aus 2.000 Metern Tiefe im Madeira-Becken, inmitten des oligotrophen Nordostatlantiks, wurde weltweit erstmalig hinsichtlich Anzahl, Größe, Masse, Material und Herkunft der gesammelten Mikroplastikpartikel analysiert. Das gesammelte Material bestand bis zu acht Prozent aus Mikroplastik, wobei Polyethylen (PE) und PVC die häufigsten Vertreter waren. Die hier beschriebene Analyse ist die erste Studie weltweit, die somit eine Zeitreihe der Mikroplastikbelastung der Meere zeigt und ist damit ein wichtiger erster Schritt, um die Herkunft und die Transportwege unterschiedlichen Mikroplastiks in die Tiefen des offenen Ozeans zu verstehen. Die Studie legt den Grundstein für weitere Untersuchungen, die für eine globale Aufklärung notwendig sind. Erst mit diesen zukünftigen Erkenntnissen lassen sich die Gefahren durch Mikroplastik für unser Ökosystem besser einschätzen, mit dem Ziel, für den Umgang mit Plastik sowohl im Alltag als auch in der Industrie zu sensibilisieren und der fortlaufenden Verschmutzung ein Ende zu setzen.

Referenzen:

[1] Bergmann, M., Wirzberger, V., Krumpen, T., Lorenz, C., Primpke, S., Tekman, M.B., Gerdts, G., 2017. High Quantities of Microplastic in Arctic Deep-Sea Sediments from the HAUSGARTEN Observatory. Environ. Sci. Technol. 51, 11000–11010. DOI: 10.1021/acs.est.7b03331

[2] Reineccius, J, Waniek, J.J. (2022): First long-term evidence of microplastic pollution in the deep subtropical Northeast Atlantic. Environmental Pollution, 305, 119302, DOI:10.1016/j.envpol.2022.119302

[3] Reineccius, J., Bresien, J., Waniek, J.J. (2021): Separation of microplastics from mass-limited samples by an effective adsorption technique, Science of the Total Environment, 788, 147881, DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.147881

* Prof. Dr. J. J. Waniek, Leitung;Janika Reineccius, Doktorandin, AG Bio-physikalische Wechselwirkungen,Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde, Sektion Meereschemie

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