Mikroplastik-Belastung in der Stadtluft Plastik in jedem Atemzug: Feinstaub analysiert

Anbieter zum Thema

Leibniz Institut für Troposphärenforschung

FRITSCH GmbH

LECO Instrumente GmbH

SIM Scientific Instruments Manufacturer GmbH

Plastikfeinstaub in der Luft erhöht das Sterberisiko durch Herzkreislauferkrankungen oder Lungenkrebs um etwa ein Zehntel. Darauf deutet eine Studie, die Luftproben an einer Ausfallstraße im Stadtgebiet von Leipzig analysiert hat. Die Forscher untersuchten die Zusammensetzung des Mikro- und Nanoplastiks und stellten Hochrechnungen für mögliche gesundheitliche Folgen beim Einatmen der Partikel an.

Plastikpartikel in der Luft sind in den letzten Jahren in den Fokus der Wissenschaft geraten, weil sie selbst in menschenleeren Regionen wie den Polargebieten oder Hochgebirgen nachgewiesen werden konnten und das Potenzial haben, ökologische Prozesse zu stören und die menschliche Gesundheit zu beeinflussen.

Für diese Art der Luftverschmutzung kommen verschiedenste Quellen infrage wie Reifenabrieb, Bremsabrieb, Textilfasern, Staub oder urbane Oberflächen. Aber auch Plastik, das in großen Mengen über die Flüsse in die Ozeane gelangt, kann später als Mikro- und Nanoplastik über die Gischt aus dem Wasser wieder in die Luft gelangen.

Als Nanoplastik werden alle Plastikpartikel kleiner als ein Mikrometer bezeichnet, als Mikroplastik alle zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter. Obwohl die Mengen an Plastik offensichtlich zunehmen, ist über die Risiken durch eingeatmete Plastikpartikel bisher noch zu wenig bekannt.

Luft in Innenräumen

Mikroplastik in jedem Atemzug: So viel Kunststoff atmen wir ein

Wissen zu Plastikfeinstaub vertiefen

Nun haben Forscher des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (Tropos) eine Studie veröffentlicht, die einen ersten Einblick in die Belastung der Atemluft mit Mikroplastik in einer Stadt wie Leipzig gibt.

Im Leibniz-Projekt Air-Plast wurden Analysemethoden entwickelt, um synthetische Polymere in Aerosolproben nachzuweisen und zu quantifizieren. Zusammen mit Modellierungsansätzen wurden ihre potenziellen Quellen und ihr Transport in der Atmosphäre zurückverfolgt. Daran beteiligt waren Forschende der Leibniz-Institute für Troposphärenforschung und für Polymerforschung, des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung, der Technischen Universität Berlin sowie der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg.

Mikro- und Nanokunststoffpartikel in der städtischen Luft wurden zuvor bereits von anderen Forschungsteams in Graz (Österreich), Kyoto (Japan) und Shanghai (China) nachgewiesen. Die Leipziger Studie ist die erste ihrer Art in Deutschland und liefert wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Herkunft der Feinstaubpartikel: Reifenabriebpartikel dominierten mit einem Anteil von etwa 65 Prozent an den gesamten Kunststoffen, gefolgt von Polyvinylchlorid, Polyethylen und Polyethylenterephthalat. Diese Polymere korrelierten stark mit kohlenstoffhaltigen Aerosolmarkern, was auf eine gemeinsame Emission und Vermischung in der Atmosphäre hindeutet. Insgesamt bestehen rund vier Prozent der Feinstaub-Masse aus Plastik.

Exposition von bis zu 2,1 Mikrogramm Plastikstaub pro Tag

Feinstaub als Gesundheitsrisiko ist seit Jahrzehnten bekannt. Laut WHO ist die Massenkonzentration ein entscheidender Parameter für die Bewertung der Luftverschmutzung und ihrer Auswirkungen auf die Gesundheit sowie für die Entwicklung von Rechtsvorschriften.

Um grob abzuschätzen, wie stark Menschen in Leipzig durch Plastikpartikel in der Atemluft Risiken ausgesetzt sind, bestimmte das Forschungsteam zunächst die Masse der Plastikpartikel in der Luft und rechnete dann hoch, wie viel Erwachsene anhand des Lungenvolumens einatmen. Leipziger, die sich rund um die Uhr an der Torgauer Straße aufhalten, würden demnach ungefähr 2,1 Mikrogramm Plastik-Feinstaub pro Tag einatmen, was 0,7 Milligramm pro Jahr entspricht. Auch für Megastädte in China und Indien gibt es inzwischen Schätzungen darüber, wie viel Mikroplastik Menschen einatmen. Diese Schätzungen variieren jedoch stark. Die große Bandbreite unterstreicht, wie wichtig es ist, alle relevanten Kunststoffarten zu erfassen, und wie notwendig standardisierte Messungen sind.

App berechnet individuelle Feinstaubbelastung

Wie viel Feinstaub atme ich auf dem Radweg zur Arbeit ein?

Erhöhtes Mortalitätsrisiko berechnet

Aufgrund ihrer geringen Größe können vor allem die kleineren Nano-Plastik-Partikel tiefer in die Atemwege eindringen, was ein höheres Potenzial für langfristige Erkrankungen birgt. Um mögliche gesundheitliche Auswirkungen zu untersuchen, wurden in der Leipziger Studie das relative Risiko auf der Grundlage bestehender epidemiologischer Modelle berechnet, um die Umweltbelastung abzuschätzen.

Diese Hochrechnungen ergaben ein potenziell erhöhtes Mortalitätsrisiko von 5 bis 9 Prozent für Herz-Lungen-Erkrankungen (relatives Risiko: 1,08) und von 8 bis 13 Prozent für Lungenkrebs (relatives Risiko: 1,12). „Das ist höher als das Risiko von Feinstaub PM2,5 allgemein in Europa. Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass Mikro-Nano-Plastik trotz geringer Masse Gesundheitsrisiken im Laufe der Zeit mit sich bringen kann. Das erhöhte Sterberisiko bei Lungenkrebs und Herzkreislauferkrankungen könnte von einer möglichen polymerspezifischen Toxizität des Plastik-Feinstaubes verursacht sein“, erklärt Ankush Kaushik, Doktorand am Tropos, der die Proben genommen und analysiert hat.

Grenzwerte für Mikroplastik gefordert

Plastikfeinstaub zu bekämpfen, schützt die Gesundheit der Menschen, verbessert die Luftqualität in Städten und verringert die Belastung der Atmosphäre. Damit trägt es zu drei UN-Nachhaltigkeitszielen bei: SDG 3 (Gesundheit und Wohlergehen), SDG 11 (Nachhaltige Städte) und SDG 13 (Klimaschutz). „Dass der überwiegende Anteil an Mikroplastik aus Reifenabrieb besteht, zeigt, dass hier Handlungsbedarf herrscht und sich das Feinstaubproblem nicht allein durch den Umstieg auf Elektromobilität lösen lässt. Zum Schutz der Gesundheit wäre es wichtig, auch den Reifenabrieb bei der Regulierung der Luftqualität zu berücksichtigen und Grenzwerte für Mikroplastik in der Luft zu erlassen“, fordert Prof. Hartmut Herrmann vom Tropos, der die Studie geleitet hat.

Aktuelle Erkenntnisse wie diese Studie aus Leipzig deuten zunehmend darauf hin, dass das Einatmen von Plastikpartikeln und besonders Nanoplastik gesundheitliche Auswirkungen haben könnte. Die Forschung dazu ist jedoch noch relativ jung. Weitere Langzeitstudien sind erforderlich, um die Giftigkeit einzelner Plastikarten zu bestätigen, sichere Grenzwerte festzulegen und Regulierungsstandards zu entwickeln. Bis dahin unterstreichen die Ergebnisse aus Leipzig, wie wichtig es ist, Mikro- und Nanoplastikpartikel in der Luft als Schadstoffe zu überwachen und die Methoden zur Bewertung von Gesundheitsrisiken weiter zu verfeinern.

Wie stark die Konzentrationen zeitlich und räumlich variieren, ist bisher noch völlig offen. Aus Sicht der Forschenden sollten daher verschiedene Standorte (städtischer und ländlicher Hintergrund) einbezogen und längerfristige Probenahmen durchgeführt werden. Im nächsten Schritt will das Team um Kaushik die Proben eines ganzen Jahres auswerten, um herauszufinden, ob es jahreszeitliche Schwankungen gibt.

Nanoplastik kann Entzündungsreaktionen auslösen

Klar ist bisher: Eingeatmetes Nanoplastik kann bis in die Lunge geraten und dort oxidativen Stress oder Entzündungsreaktionen auslösen, die zu Atemwegserkrankungen beitragen. Außerdem können diese Partikel Schwermetalle, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) und andere Stoffe auf ihrer Oberfläche transportieren, die die Giftigkeit verstärken.

Das lückenhafte Wissen über Mikro- und Nanoplastik ist auch ein Grund, warum es momentan weder von der Weltgesundheitsorganisation WHO noch von der Europäischen Union Empfehlungen oder Grenzwerte für Plastik in der Luft gibt. Während die Plastikverschmutzung in den Ozeanen inzwischen Teil der Verhandlungen über ein UN-Plastikabkommen ist, spielen die kleinen Plastikpartikel in der Luft bisher in der politischen Diskussion kaum eine Rolle.

Pyrolyse-Gaschromatographie als Werkzeug

Die Forschung zu Plastik in der Luft hat erst in den letzten zehn Jahren an Dynamik gewonnen. Ein Grund dafür ist, dass Plastik nicht ein Material ist, sondern eine ganze Gruppe verschiedener Substanzen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften. Aufgrund dieser Vielfalt verwenden Wissenschaftler mehrere sich ergänzende Analysemethoden. Spektroskopische Techniken können Informationen über die Partikelstruktur und Oberflächeneigenschaften liefern, während massenbasierte Ansätze zur Bestimmung der Gesamtmengen eingesetzt werden.

Allerdings sind sehr kleine Partikel, insbesondere Nanokunststoffe, in komplexen Umweltproben besonders schwer zu analysieren und eindeutig zu identifizieren. Herkömmliche optische Methoden sind nur begrenzt in der Lage, Partikel im Nanometerbereich zuverlässig nachzuweisen, und die Identifizierung des genauen Polymertyps bleibt bei diesen kleinen Größen eine Herausforderung.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde die Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (Py-GC-MS) zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt. Bei diesem analytischen Verfahren werden die Proben durch schnelle Erhitzung (Pyrolyse) in kleinere Fragmente zerlegt, gaschromatographisch getrennt und massenspektrometrisch identifiziert. Da es bisher keine Standards für den Nachweis der unterschiedlichen Polymere gibt, entwickelte das Team Methoden dafür. Dazu wurden elf häufige Arten einschließlich Reifenpartikel ausgewählt wie

• PE (Polyethylen),

• PP (Polypropylen),

• PVC (Polyvinylchlorid),

• PET (Polyethylenterephthalat),

• PS (Polystyrol),

• PMMA (Polymethylmethacrylat/Plexiglas),

• PC (Polycarbonat),

• PA6 (Polyamid 6) und

• MDI-PUR (Polyurethan).

Der analytische Fingerabdruck wurde anhand von kommerziell erhältlichen Rohpolymeren bestimmt und dann mit den Proben aus der Luft in Leipzig verglichen.

Probenahme an Leipziger Ausfallstraße

Die Feinstaub-Proben von PM₁₀ (<10 µm) und PM_2,5 (<2,5 µm) wurden mit zwei Hochvolumensammlern genommen, wie sie auch an Luftüberwachungsstationen gemäß europäischen Normen im Einsatz sind. Dabei werden 500 Liter Luft pro Minute durch ein Filtersystem gesaugt und der Filter alle 24 Stunden gewechselt. Die Filter werden später im Labor mit Py-GC-MS analysiert.

Die Forschenden maßen zwei Wochen lang (1. bis 14. September 2022) im Wissenschaftspark an der Torgauer Straße, einer Ausfallstraße im Stadtgebiet von Leipzig – also an einem Hotspot der Luftverschmutzung. „Das gab uns einen fokussierten und detaillierten Überblick über die Zusammensetzung von Mikro-Nano-Plastik bei starkem Verkehrseinfluss. Dieser Aufbau bot den Vorteil, dass die Spitzenwerte der städtischen Exposition mit einer feinen Größenauflösung von Feinstaub erfasst und hochwertige Basisdaten für die Abschätzung von Gesundheitsrisiken generiert werden konnten“, erklärt Kaushik. „Nach unserem Kenntnisstand ist unsere Studie die erste polymeraufgelöste, nach Größen sortierte Quantifizierung von Mikro- und Nanokunststoffen in der Luft in Deutschland, die analytische Messungen mit einer Expositions- und Gesundheitsrisikobewertung verbindet.“

Originalpublikation: Ankush Kaushik, Anju Elizbath Peter, Manuela van Pinxteren, Barbara M. Scholz-Böttcher & Hartmut Herrmann: Composition, interactions and resulting inhalation risk of micro- and nano-plastics in urban air, Commun Earth Environ 6, 985 (2025); DOI: 10.1038/s43247-025-02980-0

(ID:50781351)