Transport und Anreicherung von Mikro- und Nanoplastik Arktisches Eis – ein Schwamm für Nanoplastik?

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Mit gezüchteten Eiskernen erforscht die Umweltwissenschaftlerin Alice Pradel Stoffflüsse im arktischen Eis. Ziel ist es, den Transport von Mikro- und Nanoplastik in die Eisschichten besser zu verstehen.

Es ist ein altbekanntes Problem: Plastik in der Umwelt. Phänomene wie das „Great Pacific garbage patch“ sind Sinnbild für die Verschmutzung des Planeten mit Kunststoffabfällen. Doch neben dem, was wir mit unseren Augen sehen können, ist es vor allem das, was wir nicht sehen, was ein besonders großes Gefährdungspotenzial besitzt. Die Rede ist von Mikroplastik und noch kleineren Fragmenten, dem Nanoplastik.

Diese sind das Forschungsgebiet von Alice Pradel, die sich in ihrem Masterstudium an der Universität Rennes in Nordwestfrankreich damit beschäftigt hat, wie unterschiedliche Chemikalien in Böden und anderen porösen Medien angereichert werden. 2018 besuchte sie eine Vorlesung von Julien Gigault, Chemiker am französischen Forschungszentrum CNRS. Er erzählte den Studierenden davon, wie das Plastik in der Umwelt durch biotische und abiotische Prozesse in immer kleinere Partikel zerlegt wird und dadurch das Material neue Eigenschaften annimmt. Dass die Partikel durch diese Miniaturisierung in alle ökologischen Systeme vordringen können, hat Pradel fasziniert und schockiert. Sie schrieb ihre Doktorarbeit daraufhin bei Gigault zur Frage, wie und wo sich Mikro- und Nanoplastik in porösen Materialien anreichert. Dabei lernte sie, dass sich auch im arktischen Meereis mittlerweile große Mengen an Mikroplastik angesammelt hatten.

Atmosphärischer Mikroplastik-Transport

Die Form macht's: Wie es Mikroplastik bis in die Arktis schafft

An der Grenze des analytischen Auges

Eis ist ein hochporöses Material: Es gibt Stellen höherer und geringerer Dichte, Hohlräume und mikroskopisch kleine Salzwasserflüsse zwischen den Eiskristallen. Dadurch findet zwischen dem Meerwasser und dem Eis ein ständiger Austausch statt, über den Auch winzige Kunststoffpartikel in Eis gelangen. „Dass sich Mikro- und Nanopartikel zwischen den Eiskristallen ablagern können, ist hochproblematisch“, sagt Pradel. „Denn das sind genau jene Stellen, wo Mikroalgen am besten gedeihen.“ Andere Forschende haben gezeigt, dass die Algen toxische Plastik-Zusatzstoffe aufnehmen, die somit in die arktische Nahrungskette gelangen können.

2018 zeigte eine Studie, dass die kleinsten Mikroplastikpartikel am häufigsten im Meereis vorkommen. Mikroplastik ist definitionsgemäß kleiner als fünf Zentimeter, Nanoplastik sogar kleiner als ein Mikrometer. Mikroplastik-Partikel, die kleiner als zehn Mikrometer sind, können die Forschenden mit den gängigen Methoden nicht mehr quantifizieren; sie stoßen an analytische Grenzen. „Wir schließen daraus, dass wir den größten Teil des Plastiks im Meereseis weder sehen noch genau messen können“, erklärt Pradel.

Nachgestelltes Arktis-Eis im Labor

Während ihrer Doktorarbeit hat die Forscherin ein Laborverfahren entwickelt, um Meereis im Labor wachsen zu lassen. Seit April 2022 züchtet Pradel ihre Eiskerne in der Abteilung für Umweltnaturwissenschaften der ETH Zürich. Dafür kühlt sie Meerwasser in einer Glassäule mit einem Temperaturgradienten von 1 °C (unteres Ende) bis -5 °C Grad (oberes Ende). Nach 19 Stunden entsteht am oberen Ende ein rund zehn Zentimeter dicker Eiskern. Werden dem Meerwasser zu Beginn Mikro- und Nanoplastikpartikel beigemischt, kann Pradel nachvollziehen, wie die Partikel vom Wasser ins Eis gelangen und dort eingelagert werden.

Heute forscht die Umweltwissenschaftlerin in der Gruppe von Professorin Denise Mitrano, Deren Gruppe befasst sich mit anthropogenen Partikeln und deren Toxizität und Auswirkungen auf die Umwelt. Sie hat unter anderem Analysemethoden entwickelt, mit denen sich Mikro- und Nanoplastik genauer messen lassen. Das ergänzt Pradels Forschung optimal.

Ein zentrales Problem bei der Quantifizierung von Mikro- und Nanoplastik besteht darin, den Kohlenstoff von natürlichen Materialien wie Algen, von dem Kohlenstoff im Plastik zu unterscheiden. Die Forscherinnen können dieses Problem umgehen, indem sie die Kunststoffpartikel mit anorganischen Tracern versetzen. Als Tracer nutzen sie Spurenelemente, die als Stellvertreter für die Kunststoffe dienen und es ermöglichen, mit Standardmethoden der Umweltanalytik die Kunststoffpartikel im Eis effektiv zu messen, Eine solche Standardmethode ist beispielsweise die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS).

Nanoplastik gelangt ins Eis wie gelöste Salze

Pradel kooperiert für ihre Analysen auch mit Forschenden der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL). Am WSL-Labor in Davos nutzt sie Eis-Tomografen, um ihre Eiskerne bei -15 °C zu analysieren. Die dabei entstehenden Bilder erlauben Aussagen über die Porosität und Struktur des Eises. „Das gibt uns wichtige Hinweise darauf, wo sich Mikro- und Nanoplastikpartikel anreichern“, sagt die Forscherin. Die laufenden Experimente zeigen: Nanoplastikpartikel werden ähnlich durchs Eis transportiert wie im Meerwasser gelöste Salze. Beim Mikroplastik hingegen hängt die Anreicherung im Meereis stärker von der Partikeldichte ab.

Pradel ist überzeugt, dass ihre Experimente auch in anderen Forschungsgebieten neue Möglichkeiten eröffnen: „Durch die globale Erwärmung wird das gesamte arktische Meereis viel dynamischer. Es wird dünner, Schmelzprozesse laufen schneller ab und die Verteilung von Salzen und Partikeln im Eis beschleunigt sich.“ Mit ihren Experimenten können solche Entwicklungen im Labor simuliert werden, ohne dass Forschende dafür in die Arktis fliegen müssen. „Das ist auch in Hinblick auf eine klimaschonende Umweltforschung sinnvoll.“ Ganz ohne Expeditionen wird aber auch ihre Forschung nicht auskommen. Nächsten Winter wird Pradel zum ersten Mal zum arktischen Ozean reisen, um den dortigen Plastik-Fußabdruck der Menschheit im Eis möglichst genau zu messen.

Weiterführende Literatur: Alice Pradel, Charlotte Catrouillet, Julien Gigault: The environmental fate of nanoplastics: What we know and what we need to know about aggregation, NanoImpact, Volume 29, 2023; DOI: 10.1016/j.impact.2023.100453

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