Mikroplastik Schwämme als Bioindikatoren für Mikroplastikverschmutzung

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Meeresverschmutzung durch Plastik und insbesondere durch Mikroplastik schreitet ungebremst fort. Mit unabsehbaren Folgen. Münchener Wissenschaftler verwenden nun Schwämme als Bioindikatoren, um Art und Menge der Verschmutzung mit Mikroplastik in Gewässern zu bestimmen.

Der technologische Fortschritt seit Mitte des letzten Jahrhunderts ist eng verknüpft mit der Vielseitigkeit von Kunststoffen, umgangssprachlich „Plastik“. Das Material ist sehr haltbar, lässt sich gut verarbeiten und ist daher aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch gerade die lange Haltbarkeit wird inzwischen, in Verbindung mit unzureichenden Recycling-Bemühungen, zu einem ernsten Problem.

Während in Europa fortschrittliche Systeme der Müllverwertung und Trennung bereits weitreichend etabliert sind, befindet sich die organisierte Müllentsorgung z. B. in weiten Teilen Südostasiens erst im Aufbau. Der täglich produzierte Müll wird – sofern er lokal organisiert eingesammelt wird – verbrannt oder vergraben. Meist landet er jedoch aus Unachtsamkeit in Straßengräben und Flüssen, von wo er unweigerlich ins Meer wandert und anschließend z. B. am Strand teilweise wieder angeschwemmt wird (s. Abb. 1). Schätzungen zufolge landen aktuell auf diese Weise bis zu zehn Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion in den Weltmeeren [1]. Im Jahr 2015 entsprach dies einer Menge von rund acht Millionen Tonnen Plastikmüll [2].

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Mikroplastikverseuchung der Weltmeere

Während grober Plastikmüll, wie Flaschen und Verpackungsmaterial, unter großem technischem Aufwand wieder eingesammelt werden könnte, droht eine zunehmende Gefahr durch so genanntes Mikroplastik, d. h. durch Partikel kleiner als 5 mm. Mikroplastik gelangt zum einen – als primäres Mikroplastik – direkt ins Wasser, beispielsweise in Form von Polyethylenpartikeln aus Kosmetika und Reinigungsmitteln, aus Oberflächenbeschichtungen oder Kunststoffwachsen, die als Trennmittel eingesetzt werden.

Die zweite, weitaus größere Quelle ist allerdings sekundäres Mikroplastik, welches durch die schrittweise Zersetzung von groben Plastikteilen, z. B. durch Reifenabrieb, durch den Einfluss von Sonne (UV-Strahlung) oder mechanisch durch Wellenbewegung und Gezeiten entsteht. Unmengen an Kleinstpartikeln werden hierbei kontinuierlich weiter zermahlen und in unterschiedlichem Feinheitsgrad in die Umwelt freigesetzt.

Da Mikroplastik kaum organisch degradiert, landen die Partikel zunehmend in der Nahrungskette, beginnend bei Plankton, bis hin zu Algen, Krebsen und Fischen [3], in denen sie sich anreichern. Zudem haften diesen Partikeln vermehrt toxische Moleküle wie Alkyl- und Biphenole an, welche beispielsweise zur Herstellung von Flaschenverschlüssen oder Innenbeschichtungen von Konserven genutzt werden. Neben deren hormonsteuernden Eigenschaften, wirken sie bereits in geringen Mengen krebserregend [4] und gelangen wiederum über die Nahrungskette unerkannt auf unserem Speiseteller.

Mikroplastik quantifizieren und entsorgen

Umfassende Studien zur tatsächlichen Häufigkeit von Mikroplastik im Meer fehlen weltweit, auch da sowohl Identifizierung als auch Quantifizierung technisch komplex sind. Herkömmliche Methoden sind aktuell nicht in der Lage, Partikel im sub-Mikrometer-Bereich zu extrahieren und zu analysieren. Da ein negativer Effekt von Mikroplastik auf die Gesundheit nicht auszuschließen ist, ist es essenziell, alsbald Methoden zu dessen Identifizierung und Kartographierung und nachfolgend zur Rückgewinnung zu entwickeln.

Für die Weltmeere würde man zweierlei benötigen: Sedimentfilter zum Sammeln von Mikro­partikeln und eine Möglichkeit, zwischen natürlichen und menschengemachten Partikeln zu unterscheiden. Nachdem Bau und Verteilung von Millionen von Sedimentfiltern in den Weltmeeren utopisch ist, gilt es, nach alternativen Optionen zu suchen: Könnte man Schwämme (s. Abb. 2) als biologische Filteranlagen einsetzen? Könnten diese über die Art und das Ausmaß der Mikroplastik-Verschmutzung lokal Auskunft geben?

Lebewesen als Indikatoren für Umweltverschmutzung

Spezialisierte Lebewesen wie Schildkröten, Wasservögel oder Fische werden oftmals als Anzeiger ökologischer Verschmutzung bzw. der Wasserqualität herangezogen [5]. Im Fall von Mikroplastik ist dieser Ansatz allerdings nur bedingt geeignet: Um das aufgenommene Mikroplastik zu untersuchen, müssten die Tiere sterben. Muscheln, beispielsweise Austern, wiederum, sind meist auf Riffe beschränkt [6], und ihre Nahrungsbevorzugung ist sehr spezialisiert.

Schwämme hingegen sind Allrounder und weltweit verbreitet, von der Tiefsee bis hin zu Flüssen und Seen [7]. Diese natürlichen Filtrierer zeichnen sich durch ihr Wasserkanalsystem aus, mit dem sie täglich, angetrieben von so genannten Kragengeißelzellen (Choanozyten), ein Vielfaches ihres Körpervolumens an Umgebungswasser durch ihren Körper pumpen, um Nahrung (Kleinstpartikel wie Bakterien) aufzunehmen. Schwämme strudeln allerdings auch andere feinste Partikel, beispielsweise Sedimente, durch ihr Wasserkanalsystem und können solche bis zu einer Größe von 2 mm auch über ihre Außenseite aufnehmen. Dies geschieht bei einigen Schwämmen wohl auch zur strukturellen Stabilisation durch Einlagerung in Skelettfasern im Gewebe (Mesohyl).

Zusätzlich zeichnen sich Schwämme durch eine hohe Lebensdauer sowie Resistenz gegen äußere Verletzungen aus, wie sie beispielsweise bei der Entnahme von Gewebeproben für die Analyse von Mikroplastik entstehen. Ihre Verbreitung und Artenvielfalt macht sie daher zum perfekten Indikator, um die örtlich aufkommenden Verschmutzungen durch Mikroplastik zu kartieren.

Diese Eigenschaften haben sich nun Wissenschaftler der Universität München zu Nutze gemacht. Im Fachjournal Environmental Pollu­tion berichten sie von einem empfindlichen und zuverlässigen Analyseverfahren, das aufgenommene Partikel in Schwämmen sowohl identifizieren, quantifizieren, als auch räumlich vermessen kann. Darüber hinaus konnten die Forschenden die Morphologie der in Gewebe eingebetteten Partikel erfolgreich determinieren [8]. Die Untersuchung wurde vor Nord-Sulawesi in Indonesien durchgeführt, in einem Gebiet, welches stark mit Plastikmüll im Meer belastet ist (s. Abb. 1).

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