Mikroplastik und Nanoplastik

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Mikroplastik und Nanoplastik (Autoren: Prof. Dr. Vasiliki-Maria Archodoulaki und Dr. Lisa Schardt)

Mikroplastik

Allgemeine Anmerkung

Mikroplastik ist eine technisch und ökologisch relevante Klasse polymerer Partikel. Es wurde in den letzten Jahren verstärkt untersucht, nachdem entsprechende Partikel bereits vor mehr als 20 Jahren erstmals beschrieben wurden [1, 2]. Zahlreiche Fragen zu Entstehung, Vorkommen und Auswirkungen sind weiterhin ungeklärt und Gegenstand aktueller Forschung. Das Auftreten von Mikroplastik in marinen Systemen ist vergleichsweise gut dokumentiert [3]. Für terrestrische und atmosphärische Umweltkompartimente sowie für Konsumgüter wie Lebensmittel liegt hingegen ein geringerer Kenntnisstand vor [4]. Die potenziellen Auswirkungen auf den Menschen werden ebenfalls untersucht, sind jedoch bislang unzureichend quantifiziert [5]. Für Nanoplastik, ein Sammelbegriff für noch kleinere Kunststoffpartikel, liegen noch deutlich weniger Daten vor [6].

Definitionen

Eine einheitliche und universell akzeptierte Definition von Mikro- oder Nanoplastik existiert nicht. In den meisten wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird eine obere Größengrenze von 5 mm für Mikroplastik verwendet. Partikel < 100 nm [7] oder < 1 μm [6] werden häufig dem Nanoplastik-Bereich zugeordnet. Das untere Größenlimit ergibt sich oft jedoch aus der Auflösung der eingesetzten analytischen Methode.

Regulatorisch relevante Definitionen:

ECHA (European Chemical Agency, Europäische Chemikalienagentur): Mikroplastik umfasst Partikel mit einer maximalen Größe von 0,1 μm bis 5 mm in jede Richtung. Eine zusätzliche Kategorie beinhaltet faserartige Partikel mit einer maximalen Länge von > 5 mm bis < 15 mm und einem Seitenverhältnis >3 [8].
EPA (US Environmental Protection Agency, USA): Mikroplastik sind Plastikpartikel mit einer Größe von 1 nm bis 5 mm, die einen negativen Einfluss auf die Umwelt und menschliche Gesundheit haben.

In der Literatur existieren weitere Definitionen mit abweichenden oberen Grenzwerten, z. B. 2 mm [9] oder 1 mm [5, 10]. Diese fehlende Standardisierung erschwert die Vergleichbarkeit von Studienergebnissen.

Einteilung nach Entstehung

Mikroplastik wird häufig in primäres und sekundäres Mikroplastik unterteilt.

Primäres Mikroplastik: Primäres Mikroplastik umfasst Partikel, die ursprünglich in mikroskaliger Größe hergestellt wurden. Beispiele sind Mikroperlen in kosmetischen Produkten oder Glitzerpartikel. In vielen Definitionen werden auch Partikel einbezogen, die durch Abrieb oder Abblätterung in mikroskaliger Größe direkt in die Umwelt gelangen, z. B. Reifenabrieb oder Lackpartikel. Der Anteil primären Mikroplastiks am marinen Gesamtvorkommen wird auf etwa 20–30 % geschätzt [11]. Die Produktion von Mikroplastikpartikeln wird durch gesetzliche Regulierungen immer weiter eingeschränkt, sodass sich ihr Anteil in der Zukunft verringern sollte [8, 12].
Sekundäres Mikroplastik: Sekundäres Mikroplastik entsteht durch Fragmentierung größerer Kunststoffobjekte infolge physikalischer, chemischer oder biologischer Abbauprozesse (siehe Alterung). Schätzungen zufolge beträgt sein Anteil am marinen Mikroplastik etwa 70–80 % [11]. Da die Entstehung auf unkontrollierten Abbauprozessen beruht, ist eine regulatorische Begrenzung nur indirekt möglich [13]. Zu den wesentlichen Abbaumechanismen zählen UV-Strahlung, thermische Belastung, mechanischer Abrieb sowie mikrobiell beeinflusste Prozesse, die häufig in Biofilmen auf der Partikeloberfläche stattfinden [14].

Diese Klassifizierung kann auch auf Nanoplastik angewendet werden [6].

Herausforderungen

Beide Partikelklassen haben das Problem, dass die geringe Partikelgröße sowohl Detektion als auch Identifikation und Quantifizierung erschwert [15]. Die meisten Analysetechniken sind nicht in der Lage, den gesamten Größenbereich von Nano- und Mikroplastik abzudecken, was eine umfassende Analyse zusätzlich erschwert [16]. Eine weitere große Herausforderung ist die Vermeidung von Kontaminationen, da Mikro- und Nanoplastik in der Umwelt allgegenwärtig ist und viele Laborartikel aus Kunststoff bestehen [17]. Zusätzlich erfordern die Probenvorbereitung und Extraktion aus komplexen Matrizes wie Sedimenten, biologischem Gewebe oder Lebensmitteln aufwendige Protokolle, die häufig noch entwickelt werden müssen [18]. Die resultierenden Messwerte weisen daher eine hohe Variabilität auf. Konzentrationsangaben und Expositionsschätzungen sollten insbesondere bei komplexen Systemen mit Vorsicht interpretiert werden.

Quellen und freigesetzte Mengen

Verlässliche Schätzungen der Quellen und freigesetzten Mengen Mikroplastik sind schwierig, da sekundäres Mikroplastik einen großen Anteil am Mikroplastik in der Umwelt hat. Verschiedene Studien haben versucht, die Quellen und Mengen des produzierten Mikroplastiks abzuschätzen (Bild 1) [19–21]. Die berichteten Werte variieren in Abhängigkeit von den betrachteten Ökosystemen und Regionen. Insgesamt werden Reifenabrieb und Textilfasern als die bedeutendsten Quellen von Mikroplastik in der Umwelt eingeschätzt [22]. Die global freigesetzte Menge wird auf 3,0–5,3 Mio. Tonnen pro Jahr geschätzt [22].

Bild 1:

Die wichtigsten Quellen von primärem und sekundärem Mikroplastik im Meer.

Mikroplastik als Schadstoff

Mikroplastik wird als potenziell umwelt- und gesundheitsrelevanter Schadstoff betrachtet. Die Toxizität hängt von vielen Faktoren wie Partikelgröße, Form, Material, enthaltenen Additiven sowie an der Oberfläche adsorbierten Schadstoffen ab. Zu den häufig adsorbierten Stoffgruppen zählen Metalle, endokrin wirksame Substanzen und persistente organische Schadstoffe [23, 24]. Darüber hinaus kann Mikroplastik als Carrier für Pathogene und Mikroorganismen fungieren, die Biofilme an der Partikeloberfläche bilden [25].

Vorkommen in der Umwelt

Mikroplastik wurde in allen Bereichen unserer Umwelt wie Süßwasser, Boden, Luft und Meeren sowie in abgelegenen Regionen wie arktischen und alpinen Bereichen nachgewiesen (Bild 2) [14]. Die Forschung konzentrierte sich ursprünglich vor allem auf marine Systeme, insbesondere auf Oberflächengewässer und Küstenzonen. Andere Umweltbereiche wie Böden, Sedimente und die Atmosphäre sind im Vergleich dazu deutlich weniger untersucht.

In Gewässer gelangt Mikroplastik durch direkte Einträge wie Abwässer oder durch Transport aus anderen Bereichen wie Niederschlag. In Gewässern kann Mikroplastik je nach Dichte und Strömungsverhältnissen in der Wassersäule schweben, sich an der Oberfläche anreichern oder in Sedimenten abgelagert werden [3]. Solange es zu keiner Ablagerung kommt, wird Mikroplastik im Wasserkreislauf transportiert und gelangt so aus Flüssen in Küstenregionen und Ozeane [22].

In Böden gelangt Mikroplastik aus Klärschlämmen, Reifenabrieb, Mulchfolien und durch Deposition aus der Atmosphäre [26]. Da es nur einen geringen Transport von Mikroplastik aus Böden in andere Bereiche gibt, kann sich Mikroplastik hier oft anreichern und höhere Konzentrationen erreichen als z. B. im marinen Bereich. In der Atmosphäre konnte Mikroplastik sowohl in urbanen als auch ländlichen Regionen nachgewiesen werden. Der atmosphärische Transsport mit dem Wind trägt wesentlich zur weiträumigen Verteilung der Partikel bei und transportiert diese auch in abgelegene Gebiete wie Hochgebirge und Polarregionen [27].

Pflanzen können Mikroplastik über ihre Wurzeln aufnehmen [28]. Folgen sind unter anderem verändertes Wurzelwachstum, Veränderung des Stoffwechsels und eine verringerte Nährstoffaufnahme. Ein weiterer Effekt von Mikroplastik ist eine Störung der Bodenstruktur, die das Wasserrückhaltevermögen verringert und zu einer Abnahme der Ernteerträge führt [29, 30].

Tiere nehmen Mikroplastik, wie auch der Mensch, vor allem oral und inhalativ auf. Während akute Toxizität nur selten beobachtet wird, treten häufig chronische Effekte auf wie:

Bioakkumulation in Verdauungstrakt und im Gewebe
Entzündungsreaktionen und oxidativer Stress
Beeinträchtigung der Nahrungsaufnahme oder Fortbewegung
Veränderung des Stoffwechsels
Veränderung der Fortpflanzung [31].

Die beobachteten Folgen hängen von Partikeleigenschaften wie Größe, Form, Material aber auch von der Expositionsdauer und Konzentration ab. Nanoplastik kann auf Grund seiner geringeren Größe biologische Barrieren leichter überwinden und gelangt verstärkt in Zellen und Gewebe [7].

Bild 2:

Anzahl an Mikroplastik-Partikeln (MP) in verschiedenen Bereichen der Umwelt. Angelehnt an Thompson et al., Science 2024

Einfluss auf menschliche Gesundheit

Menschen können Mikroplastik durch orale Aufnahme, Inhalation sowie in deutlich geringerem Umfang über die Haut aufnehmen.

Orale Aufnahme: Schätzungen für die jährlich oral aufgenommene Partikelzahl variieren stark und liegen im Bereich von etwa 11.000 [32] bis 113.000 [33, 34] Partikeln pro Person. Diese Werte sind als grobe Annäherungen zu betrachten, da standardisierte analytische Methoden für viele Lebensmittelgruppen fehlen und belastbare Stichprobendaten oft nicht vorliegen. Mikroplastik wurde in verschiedenen Lebensmitteln nachgewiesen, darunter Trinkwasser, Salz, Honig und Fisch [35]. Zudem können Lebensmittelverpackungen eine zusätzliche Quelle darstellen, beispielsweise Teebeutel oder Einwegbehälter [36, 37]. Regionale Unterschiede in Ernährung und hygienischen Standards haben zusätzlich Einfluss auf die Exposition [38]. Trotz dieser Unsicherheit bei der Bestimmung ist davon auszugehen, dass relevante Mengen an Mikroplastik über Lebensmittel in den menschlichen Körper gelangen.
Inhalation: Quellen hierfür sind u. a. textile Fasern, Hausstaub, Reifenabrieb sowie industrielle Emissionen [39]. Eine Studie schätzt die jährliche inhalative Aufnahme in Innenräumen auf etwa 65.000–80.000 Partikel [40]. Partikel < 10 μm können in die unteren Atemwege gelangen, und Partikel < 1 μm können bis in die Alveolen vordringen und möglicherweise in den Blutkreislauf gelangen [41]. Eingeatmetes Mikroplastik kann lokale Entzündungsreaktionen in der Lunge auslösen, die zu chronischen Krankheiten wie Asthma, COPD und Krebs führen können [41].
Dermale Aufnahme: spielt eine untergeordnete Rolle. Es gibt Hinweise darauf, dass Partikel < 100 nm die Hautbarriere unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei vorgeschädigter Haut, durchdringen können [42]. Quantitative Daten zur dermalen Exposition liegen bislang kaum vor.

Mikroplastik wurde in verschiedenen menschlichen Geweben nachgewiesen, darunter im Gastrointestinaltrakt, in der Lunge, in der Plazenta sowie in Stuhlproben (Bild 3) [43]. Dies legt nahe, dass ein Teil der aufgenommenen Partikel wieder ausgeschieden wird, während andere Partikel im Körper verbleiben oder in Organe transportiert werden [43, 44]. Erkenntnisse über die langfristigen Folgen von Mikroplastik auf die Gesundheit gibt es bisher wenige [45]. Partikel < 1,5 μm können Gewebe durchdringen und Schäden innerhalb von Zellen verursachen [46], während Partikel < 10 μm die Plazentaschranke passieren können [47]. Unregelmäßig geformte, scharfkantige oder faserartige Partikel weisen aufgrund ihrer Geometrie ein erhöhtes Potenzial für mechanische Gewebeschädigungen auf und verbleiben häufig länger im Organismus, bevor sie ausgeschieden werden [48].

Bild 3:

Schematische Übersicht über die orale Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Mikroplastik im menschlichen Körper

Neben mechanischen Effekten können auch polymergebundene Additive wie Phthalate oder Bisphenol A sowie an der Oberfläche adsorbierte Stoffe, darunter Schwermetalle und organische Kontaminanten, im Organismus freigesetzt werden und biologische Prozesse beeinflussen [49]. Gelangen Mikroplastikpartikel in Gewebe, können sie dort oxidativen Stress und entzündliche Reaktionen auslösen, die in der Literatur mit verschiedenen immunologischen und chronischen Erkrankungen in Zusammenhang gebracht werden [31]. In Zellkulturstudien wurden zytotoxische Effekte ab Konzentrationen von etwa 10 μg/mL beschrieben; immunologische Reaktionen traten bei Konzentrationen ab etwa 20 μg/mL auf [50].

Tabelle 1: Zusammenfassung der Eigenschaften von Mikroplastik, die für die Toxizität relevant sind sowie deren gesundheitliche Folgen. Verändert nach Koelmans et al. Nature 2022

Partikel Typ	Relevante Eigenschaften	Mögliche Folgen
Mikropartikel (1–1000 μm)
Organisches Material	Chemische Zusammensetzung, Verdaubarkeit	Chemische Toxizität
Mikroplastik	Größe, Volumen, Oberfläche, Seitenverhältnis, Form, adsorbierbare Chemikalien	Chemische Toxizität	Verdünnung der Nahrung, mechanische Reizung, Entzündung, oxidativer Stress
Kohle	Größe, Oberfläche, chemische Zusammensetzung	Staublunge, Fibrose, Krebs
Partikel, die in Mikrometer- und Nanometergröße auftreten
Asbest	Faserlänge, Seitenverhältnis, Typ, Persistenz	Asbestose, Pleuraerkrankung, Lungenkrebs, Mesotheliom		Translokation, Biodistribution, mechanische Reizung, oxidativer Stress
Wüstenstaub Aerosole	Größe, Oberfläche, Form	Atembeschwerden
Quarz (Silica)	Größe, Oberfläche, Form	Silikose, Freisetzung von Kieselsäure, Krebs
Nanopartikel (1–1000 nm)
Ruß	Größe, Oberfläche, adsorbierbare Chemikalien	Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankung, Krebs
Nanoplastik	Größe, Oberfläche, Ladung, Länge, Größenverhältnis, Aggregation, sorbierte Chemikalien	Unbekannt
Kohlenstoff-Nanoröhren	Größe, Oberfläche, Länge, Seitenverhältnis, Aggregation, sorbierte Chemikalien	Fibrose, Entzündungen, Krebs
Metallbasierte Nanomaterialien	Größe, Oberfläche, Ladung, Zetapotenzial, Löslichkeit, Aggregation	Entzündungen, mitochondriale Schädigung, DNA-Schäden
Kolloide aus organischem Material	Verdaubarkeit, sorbierte Chemikalien	Chemische Toxizität

Eigenschaften von Mikroplastik-Partikeln

Form

Mikroplastik-Partikel können in unterschiedlichen Formen wie Fragmenten, Fasern, Folien, Pellets und Schäumen auftreten [51]. Primäres Mikroplastik ist meist kugelförmig, während sekundäres Mikroplastik meist unregelmäßig geformt ist [52]. Die Form wird bestimmt durch den ursprünglich produzierten Plastikartikel und die auf ihn einwirkenden Alterungs- und Abbauprozesse. Die Form kann daher genutzt werden, die Quelle gefundenen Mikroplastiks einzugrenzen. Runde Partikel stammen typischerweise von Kosmetikartikeln oder aus industriellen Anwendungen, während Fasern häufig von Textilien freigesetzt werden [53, 54].

Die Partikelform beeinflusst das toxikologische Potenzial. Längliche Partikel und scharfkantige Fragmente können stärkere physische Schäden verursachen als rundliche Partikel [50, 55, 56]. Fasern verbleiben häufig länger in Organismen und weisen daher ein erhöhtes Schadenspotenzial auf [57]. Daraus folgt, dass sekundäres Mikroplastik aufgrund seiner typischen Formen im Allgemeinen schädlicher ist als primäres Mikroplastik [55].

Material

Die häufigsten identifizierten Materialen in Mikroplastik sind Polyethylen (Kurzzeichen: PE), Polypropylen (Kurzzeichen: PP), Polystyrol (Kurzzeichen: PS), Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC), Polyethylenterephthalat (Kurzzeichen: PET) und Gummi von Reifenabrieb (Bild 4). Dies entspricht den Kunststoffen, die am häufigsten für die Herstellung von Konsumprodukten genutzt werden [58]. Der Transport in der Umwelt hängt stark von der Polymerdichte ab, Polymere mit einer Dichte < 1 g/cm³ schwimmen an der Oberfläche und werden im Wasser über große Distanzen transportiert, während Partikel mit einer höheren Dichte sich im Sediment anreichern werden [59].

Im Vergleich zu Größe und Form hat das Material einen geringeren Einfluss auf die Toxizität. Oberflächenladung und Hydrophobie beeinflussen jedoch das Adsorptionsverhalten gegenüber organischen und anorganischen Kontaminanten [60]. Darüber hinaus enthalten die meisten Kunststoffe Additive, die materialspezifisch sind und durch Leaching (Auslaugung) die Toxizität erhöhen können [23].

Alterungs- und Degradationsprozesse wie Photooxidation, Hydrolyse oder die Ausbildung von Biofilmen verändern die Oberflächenchemie und -rauigkeit von Mikroplastikpartikeln [14]. Dadurch entstehen oxidierte, aufgeraute Oberflächen mit erhöhter Reaktivität und gesteigerter Adsorptionskapazität sowie verstärkter Interaktion mit biologischem Material.

Bild 4:

Plastiktypen und ihre Häufigkeit in Mikroplastik aus der Umwelt

Größe

Die Größe von Mikroplastik Partikeln beeinflusst die Mobilität und Bioverfügbarkeit in der Umwelt. Je kleiner ein Partikel ist, desto leichter gelangt er in verschiedene Ökosysteme, wird Teil der Nahrungskette oder kann biologische Membranen durchdringen [61]. Kleinere Partikel haben außerdem eine längere Verweildauer in einigen Organismen, bevor sie wieder ausgeschieden werde [48]. Die spezifische Oberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf die Adsorption von Schadstoffen sowie auf die Freisetzung polymerer Additive [62]. Kleinere Partikel verbleiben häufig länger in Suspension und können dadurch über größere Distanzen transportiert werden [63].

Mikro- und Nanoplastik treten in einem breiten Größenspektrum auf, dessen Verteilung von der jeweiligen Quelle und den durchlaufenen Degradationsprozessen bestimmt wird. Primäres Mikroplastik weist meist eine engere Größenverteilung auf als sekundäres Mikroplastik und Nanoplastik. In abgefülltem Trinkwasser wurden Partikelgrößen von 6–100 μm nachgewiesen, während in Lebensmitteln wie Fisch, Salz oder Geflügelgewebe Partikel bis etwa 1 mm beobachtet wurden [35]. In der Umwelt treten alle Größen bis hin zum Limit von 5 mm auf.

Danksagung

Die Herausgeber des Lexikons danken Frau Prof. Dr. Vasiliki-Maria Archodoulaki und Dr. Lisa Schardt, Technische Universität Wien, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, FG Strukturpolymere für diesen Gastbeitrag.

Siehe auch

Literaturhinweise

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