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Fragmentierung von Plastik in der Umwelt Wie sich Mikroplastik durch Sonne und Wellen vermehrt

Autor / Redakteur: Christian Wißler* / Christian Lüttmann

Sonnenstrahlung und die Gezeiten zerlegen Plastik in der Umwelt in immer kleinere Partikel. Diesen Prozess haben Forscher der Universität Bayreuth im Labor nachgestellt. Ihre Langzeitstudie zeigt, wie schnell Mikroplastik in noch kleinere Partikel zerfällt und dient als Grundlage, den Abbau von Makro- und Mikroplastik durch physikalisch-chemische Einflüsse besser zu verstehen.

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Kunststoffteilchen aus Polystyrol fragmentieren in zwei Phasen: oberflächliche Veränderung durch Sonneneinstrahlung (Photooxidation) und mechanischer Zerfall der Teilchen
Kunststoffteilchen aus Polystyrol fragmentieren in zwei Phasen: oberflächliche Veränderung durch Sonneneinstrahlung (Photooxidation) und mechanischer Zerfall der Teilchen
(Bild: Nora Meides)

Bayreuth – Polystyrol ist ein preiswerter Kunststoff, der oft für Verpackungen und zur Wärmedämmung verwendet wird. Er ist daher besonders häufig in Kunststoffabfällen anzutreffen. In einer Langzeitstudie haben Forscher der Universität Bayreuth Polystyrol-Partikel bis auf die atomare Ebene analysiert und die Ergebnisse mit Messungen kombiniert, die das Verhalten dieser Partikel unter mechanischer Belastung ermittelten. Auf dieser Grundlage entstand ein umfassendes Modell für den abiotischen Abbau von Mikroplastik, also den Abbau ohne Einwirkung von Lebewesen.

„Unsere Studie zeigt: Ein Mikroplastik-Partikel mit einem Durchmesser von 160 Mikrometern setzt im Verlauf von eineinhalb Jahren, in denen er natürlichen Verwitterungsprozessen in der Umwelt ausgesetzt ist, etwa 500 Partikel in einer Größenordnung von 20 Mikrometern frei“, sagt Erstautorin Nora Meides, Doktorandin im Bereich Makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth.

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„In der Folgezeit zerfallen auch diese Partikel in immer kleinere Fragmente. Auf diesen winzigen Partikeln kann sich eine Ökocorona bilden, die möglicherweise das Eindringen in Zellen lebender Organismen erleichtert. Dies hat eine andere Bayreuther Forschungsgruppe vor wenigen Monaten entdeckt.“

Zwei Phasen der Fragmentierung

Die Mikroplastik-Partikel wurden im Wasser zwei Stressfaktoren ausgesetzt: intensivem Sonnenlicht und mechanischer Dauerbelastung, die durch Rühren in Wasser erzeugt wurde. Auch in der Umwelt sind Sonnenlicht und mechanischer Stress die beiden wichtigsten abiotischen Faktoren, durch die Partikel schrittweise fragmentieren. Dabei lassen sich zwei Phasen unterscheiden. In einer ersten Phase löst die Bestrahlung mit Sonnenlicht an der Oberfläche der Kunststoff-Partikel Oxidationsprozesse aus. Diese Photooxidation sorgt gemeinsam mit dem mechanischen Stress dafür, dass die Polystyrolketten kontinuierlich kürzer werden. Zudem werden sie auch zunehmend polarer, das heißt es bilden sich Ladungsschwerpunkte in den Molekülen.

SEM-Aufnahmen von Polystyrol-Partikeln nach 0, 800 und 2.000 Studen Sonneneinstrahlung und mechanischem Stress durch Rühren.
SEM-Aufnahmen von Polystyrol-Partikeln nach 0, 800 und 2.000 Studen Sonneneinstrahlung und mechanischem Stress durch Rühren.
(Bild: Meides et al., DOI: 10.1021/acs.est.0c07718)

In der zweiten Phase setzt die eigentliche Fragmentierung der Mikroplastik-Partikel ein: Hierbei zerfallen die Partikel in immer kleinere Mikroplastik- und Nanoplastik-Fragmente. Elektronenmikroskopie-Aufnahmen dienten den Forschern als Grundlage, die Fragmentierung der Partikel genauer zu untersuchen. Sie nahmen zudem Größenverteilungskurven der Mikroplastikproben auf, sowie 13C-MAS-NMR-Spektren, um die Kunststoffzusammensetzung zu charakterisieren.

Ein Modell für verschiedene Kunststoffe

Die Ergebnisse der Studie sehen die Bayreuther Forscher als wertvolle Grundlage, um den abiotischen Abbau von Makro- und Mikroplastik in der Umwelt am Beispiel weiterer Kunststoffarten genauer zu untersuchen – sowohl an Land als auch an der Wasseroberfläche. „Die Schnelligkeit der Fragmentierung hat uns selbst überrascht und zeigt erneut die potenziellen Risiken, die von der wachsenden Belastung der Umwelt durch Kunststoffe ausgehen könnten“, sagt Teresa Menzel, Doktorandin im Bereich Polymere Werkstoffe. Besonders größere Plastikmüll-Gegenstände seien– wenn sie dem Sonnenlicht und Abrieb ausgesetzt sind – ein Reservoir für einen ständigen Mikroplastik-Eintrag.

„Das in unserer Langzeitstudie untersuchte Polystyrol besitzt ebenso wie Polyethylen und Polypropylen ein Kohlenstoff-Rückgrat“, ergänzt Hauptautor Prof. Dr. Jürgen Senker. „Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich unser an Polystyrol entwickeltes Zwei-Phasen-Modell auf diese Kunststoffe übertragen lässt.“

Originalpublikation: Nora Meides, Teresa Menzel, Björn Poetzschner, Martin G. J. Löder, Ulrich Mansfeld, Peter Strohriegl, Volker Altstädt, Jürgen Senker: Reconstructing the Environmental Degradation of Polystyrene by Accelerated Weathering. Environmental Science and Technology Environ. 2021, 55, 12, 7930–7938, DOI: 10.1021/acs.est.0c07718

* C. Wißler, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth

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