Frequently Asked Questions – Mikroplastik

1. Was ist Plastik und wofür wird es eingesetzt?

Kunststoffe werden häufig auch umgangssprachlich als „Plastik“ bezeichnet. Wissenschaftlich korrekt wäre aber „synthetisch hergestellte Polymere“, also Substanzen aus langen Molekülketten. Bekannte Vertreter natürlicher Polymere sind zum Beispiel Zucker oder Cellulose.
Kunststoffe sind wichtige Wert- und Werkstoffe, die heute in unserem Alltag allgegenwärtig geworden ist. Der Grund dafür sind ihre vielfältigen und flexiblen Materialeigenschaften. Diese haben eine Vielzahl von technischen Innovationen zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und Reduzierung des Energieverbrauchs überhaupt erst möglich gemacht. In vielen Fällen sind Kunststoffe aus Anwendungssicht oft anderen Werkstoffen vorzuziehen. Somit haben Sie neben den traditionellen Werkstoffen wie Holz, Stahl, Aluminium, usw. einen hohen Stellenwert.

2. Was ist Mikroplastik und wie entsteht es?

Es gibt aktuell noch keine einheitliche und international anerkannte Definition von Mikroplastik (Hartmann et al. 2019).
Bis vor kurzem bezeichnete man Partikel und Fasern aus Kunststoff dann als Mikroplastik, wenn sie kleiner als 5 mm und größer als 1 µm waren (Anger & von der Esch et al. 2018, Dris et al. 2018, Ivleva et al. 2017, GESAMP 2015). Oft wurden diese noch weiter in großes (1 – 5 mm) und kleines Mikroplastik (<1 mm) unterteilt (z.B., Imhof et al. 2012).
Nach der aktuellen Definition handelt es sich bei Partikeln/Fragmenten oder Fasern um Mikroplastik, wenn sie kleiner als 1 mm sind (Hartmann et al. 2019, Anger & von der Esch et al. 2018, Braun et al. 2018). Diese sind mit dem bloßen Auge meist nicht mehr zu erkennen. Partikel zwischen 5 und 1 mm haben die Bezeichnung großes Mikroplastik behalten (Braun et al. 2018).
Mikroplastik ist Untersuchungsgegenstand im Projekt MiPAq, das aktuell an der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt wird.

Mikroplastik wird teilweise gezielt industriell hergestellt und wird dann als primäres Mikroplastik Typ A bezeichnet. Dazu gehören z.B. Partikel, die Haushaltsreinigern oder Kosmetika zugesetzt werden. Dabei kann es sich um kugelrundes Mikroplastik handeln, sogenannte Microbeads, oder um scharfkantige Partikel, die z.B. als Schleifmittel in Scheuermitteln oder Peelings eingesetzt werden.
Ebenfalls als primäres Mikroplastik (Typ A) werden Pellets oder Granulate bezeichnet, die als Ausgangsmaterial für die industrielle Fertigung von Kunststoffteilen und -folien verwendet werden (z.B. bei Spritzgussverfahren oder bei der Extrusion von Folien).

Als primäres Mikroplastik Typ B werden freigesetzte Mikropartikel bezeichnet, die während der Nutzungsphase eines Produktes entstehen. Dazu gehören Fasern, die während des Waschens von Kleidungsstücken aus synthetischen Materialien freigesetzt werden und über den Abwasserstrom in aquatische Ökosysteme gelangen können (Ivleva et al. 2017, Wendt-Potthoff et al. 2017). Eine weitere Quelle ist der Abrieb von Kunststoffprodukten wie z.B. Reifen, Bitumen im Asphalt, Sport- und Spielplätze, Schuhsohlen, Baustellen (Bertling et al. 2018).

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei sekundärem Mikroplastik um Fragmente, die erst in der Umwelt aus größeren Kunststoffteilen entstehen. Dabei spielen mechanische, chemische oder biologische Prozesse eine große Rolle. Einen wesentlichen Anteil hat dabei die UV-Strahlung, die Kunststoffe spröde und damit brüchig macht.

3. Wo in der Umwelt gibt es Mikroplastik?

In den letzten Jahren wurde Mikroplastik weltweit in immer mehr Gewässern nachgewiesen und es ist davon auszugehen, dass Mikroplastik ubiquitär, also überall auf der Welt, vorhanden ist. Im Meer ist Mikroplastik, wie auch größerer Plastikmüll, sowohl in der Tiefsee zu finden wie auch an Stränden unbewohnter und abgelegener Inseln. (Bergmann et al. 2017b, Imhof et al. 2017). Seit 2013 ist bekannt, dass Mikroplastik auch in Süßgewässern, also in Flüssen und Seen vorkommt (u.a., Imhof et al. 2013). Bestätigt wird dies durch eine Vielzahl weiterer Studien (Dris et al. 2018, Ivleva et al. 2017, Wendt-Potthoff et al. 2017). Eine aktuelle Studie, die gemeinsam von einigen Bundesländern mit der Universität Bayreuth durchgeführt wurde, hat in Süd und Süd-West Deutschland Mikroplastik in der Wasseroberfläche aller untersuchten Flüssen und Seen nachgewiesen (Schwaiger 2019, Hess et al. 2018).
Weiterhin häufen sich Nachweise aus dem terrestrischen Ökosystem und legen den Schluss nahe, dass Mikroplastik flächendeckend vorkommt (Hurley et al. 2020, Liu, L.-Y. et al. 2020, Möller et al. 2020). Unter anderem wurde Mikroplastik auf landwirtschaftlichen Nutzflächen (Huang et al. 2020) sowie in Düngemitteln und Kompost (Zhang, L. et al. 2020, Weithmann et al. 2018) nachgewiesen. Durch atmosphärischen Transport gelangen die kleinen und leichten Partikel auch an abgelegenere Orte der Erde (z.B. Arktisches Seeeis, Alpengletscher, Bergmann et al. 2019, Zhang, Y. et al. 2019, Bergmann et al. 2017a). Außerdem deuten die Daten darauf hin, dass die Anzahl von Mikroplastik in der Umwelt mit sinkender Größe stark zunimmt (z.B., Imhof et al. 2016, Enders et al. 2015).

4. Wie gelangt Mikroplastik in die Umwelt?

Mikroplastik kann über vielfältige Wege in die Umwelt gelangen. Dazu zählen die unsachgemäße Entsorgung von Kunststoffmüll, da daraus die sogenannten sekundären Mikroplastikpartikel entstehen. Weiterhin gelangt auch industriell hergestelltes primäres Mikroplastik (z.B. Pellets, Microbeads, Schleifpartikel) in die Umwelt. Wenig bekannt ist, dass die meisten Kunststoffprodukte während ihrer Benutzung durch Abrieb Partikel abgeben und sich auch in der terrestrischen Umwelt mehr und mehr Mikroplastik nachgewiesen wird.

Eine genaue Quantifizierung der einzelnen Eintragspfade von Mikroplastik, sowie die Unterscheidung ob es sich um primäres oder sekundäres Mikroplastik handelt, ist derzeit kaum möglich. Der Hauptgrund ist, dass aufgrund der Komplexität bei der Untersuchung aktuell noch keine routinefähigen Analyseverfahren etabliert sind und die exakte Probenaufarbeitung sowie Probenanalyse mit dem aktuellen Stand der Technik noch sehr aufwendig ist (siehe Fragen 9 und 10).

Ausgehend von dem bisher in der Umwelt nachgewiesenen Mikroplastik, scheint sekundäres Mikroplastik eine große Rolle zu spielen. Damit also Mikroplastik, dass in der Umwelt durch Fragmentierung von größerem Plastikmülls entstanden ist. Dieser gelangt unter anderem durch fehlerhafte Entsorgung in die Umwelt (Bertling et al. 2018, Hess et al. 2018, Essel et al. 2015).

Bei Betrachtung der Produktions- und Verkaufszahlen von Produkten aus denen Mikroplastik entstehen kann, werden jedoch auch andere Eintragspfade deutlich. Obwohl diese mengenmäßig einen großen Einfluss haben dürften, ist die Etablierung von Lösungen hier wesentlich komplexer. Dazu gehört der Abrieb von Kunststoffprodukten der während ihrer Lebensphase entsteht. Dazu werden Reifen, Bitumen im Asphalt, Sport- und Spielplätze, Schuhsohlen, Oberflächen von Booten oder Häuserfassaden (Lacke, Beschichtungen), Baustellen und einige weitere gezählt (Bertling et al. 2018). Genau wie synthetische Fasern, die beim Waschen von Kleidung entstehen, gelangt dieser Abrieb durch Abwässer und Mischwasserentlastungen in die Umwelt (Bertling et al. 2018, Miklos et al. 2016, Essel et al. 2015).

Daneben gibt es weitere Eintragspfade, die ebenfalls einen großen Anteil an der Belastung mit Mikroplastik in Gewässern haben können. Ein Teil davon kann in Verantwortung der Industrie angegangen und reduziert werden. Zum Beispiel der Transportverlust von Pellets, die bei der Kunststoffherstellung und Verarbeitung verwendet werden, sowie Mikroplastik das Produkten zugesetzt wird (z.B. Kosmetika, Reinigungsmittel). Diese beiden Eintragsquellen sollten aber zunehmend weniger werden, da immer mehr Produzenten von Kunststoffen sich der Kampagne Zero-pellet Loss (PlasticsEurope 2015) anschließen und immer mehr Hersteller auf den Zusatz von Mikroplastik freiwillig verzichten. Jedoch listet der im Juni 2019 aktualisierte Einkaufsratgeber des BUND noch immer Hunderte von Kosmetik- und Pflegeprodukte auf, die Kunststoffe enthalten. Weiterführende Information hierzu finden sich beim Umweltbundesamt oder unter der Kampagne BEAT THE MICROBEAD. Von der EU wurde eine gemeinsame Regelung zum Verbot von Einwegprodukten aus Kunststoff verabschiedet. Weiterhin sollen Plastikflaschen ab 2030 zu mindestens 30% aus recyceltem Material bestehen. Die am MiPAq-Projekt beteiligten Bio-Mineralwasser-Abfüller müssen bereits jetzt schon mindestens 60% Recyclat verwenden, einzelne Betriebe bieten sogar schon Mineralwasserflaschen an, die zu 100% aus Recyclat bestehen.

Wenig bekannt ist, dass ein vergleichbarer Eintrag auch in terrestrischen Ökosystemen stattfindet, wobei die methodischen Schwierigkeiten beim Nachweis von Mikroplastik enorm sind (Hurley et al. 2020, Liu, L.-Y. et al. 2020, Möller et al. 2020). Potenzielle Eintragspfade sind hier z.B. organische Düngemittel aus der Bioabfallvergärung, Kompostierung und Klärschlamm (Zhang, L. et al. 2020, Weithmann et al. 2018), landwirtschaftliche Verwendung von Kunststoffen (v.a. Folien, Huang et al. 2020 oder Bodenverbesserer) oder auch Partikel und Fasern die auf Grund ihres geringen Gewichtes in der Atmosphäre transportiert und dadurch auch in abgelegenen Regionen gelangen (Bergmann et al. 2019, Zhang, Y. et al. 2019). Dazu gehören zum Beispiel die Ablagerung auf Alpengletschern (Ambrosini et al. 2019) oder dem Arktischen See Eis (Bergmann et al. 2017a) von wo sie auch wieder mobilisiert werden können.

5. Können Kläranlagen Mikroplastik aus Abwasser herausfiltern?

Kläranlagen haben je nach Ausbaustufe eine hohe Abtrennleistung für Mikroplastik. Zum Teil wird davon ausgegangen, dass über 98% der eingetragenen Partikel zurückgehalten werden können (Simon et al. 2018, Talvitie et al. 2017, Carr et al. 2016, Murphy et al. 2016, Talvitie et al. 2015). Allerdings weisen viele Studien unterschiedliche Ergebnisse auf, da sie unterschiedliche Probenahme- sowie Analysetechniken nutzen. Eine effektive Abtrennung ist zum Beispiel durch die Einbindung von Partikeln in Belebtschlammflocken, mittels finaler Sandfiltration oder durch physische Abtrennung in Membran-Bioreaktoren oder Scheiben-Tuchfiltern möglich (Mintenig et al. 2017, Talvitie et al. 2017, Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband (OOWV) 2016, Mintenig et al. 2014). Damit sind Kläranlagen keine relevanten Quellen für Mikroplastik, sondern wertvolle Werkzeuge, um dieses aus dem Abwasserstrom zu entfernen. Das abgetrennte Mikroplastik wird dann zusammen mit dem Klärschlamm entsorgt. Je nach Verwendung des Klärschlamms kann dieses allerdings wieder in die Umwelt gelangen (z.B. bei Einsatz von Klärschlamm als Düngemittel in der Landwirtschaft, Zhang, L. et al. 2020, Weithmann et al. 2018).
Dennoch zeigen einige Studien, dass trotz der hohen Abtrennung über die Kläranlagen relativ große Mengen an Mikroplastik in die Gewässer gelangen können (Talvitie et al. 2017, Carr et al. 2016, Murphy et al. 2016). Ein ebenso großer Anteil kann aus Mischwasserentlastungen, die bei Starkregenereignissen anspringen, in die aufnehmenden Gewässer gelangen (Baresel et al. 2019).

6. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Mikroplastikfunden in Deutschland und dem Kunststoffmüllproblem in den Weltmeeren?

Obwohl Deutschland ein funktionierendes Müllentsorgungs- und Wiederverwertungs-system hat, finden sich auch hier Kunststoffmüll und Mikroplastik in der Umwelt.
Die Ergebnisse der in Deutschland (Hess et al. 2018), aber auch weltweit durchgeführten Studien (Dris et al. 2018, Wendt-Potthoff et al. 2017) deuten darauf hin, dass ein großer Anteil des eingetragenen Kunststoffabfalls durch unsachgemäße Entsorgung (sog. Littering) in die Umwelt gelangt. Dazu gehören große Kunststoffteile wie Tüten, Verpackungen, Baumaterialien, Teile von Sportgeräten oder kaputtes Kinderspielzeug. Einmal in der Umwelt, entsteht daraus sekundäres Mikroplastik (siehe Frage 4). Somit gelangt ein wesentlicher Anteil des an Land produzierten und entsorgten Plastikmülls über Flüsse und Seen in das Meer und kann dort akkumulieren. Dazu kommt Mikroplastik aus anderen Eintragsquellen, die aktuell noch nicht genau beziffert werden können.
Natürlich kann man argumentieren, dass der meiste sichtbare Eintrag (Makroplastik) nicht aus hoch entwickelten Ländern wie Deutschland stammt, sondern aus aufstrebenden Ländern in Asien und Afrika, vor allem solchen ohne funktionierende Abfallentsorgung und Verwertung. Dennoch ist Deutschland europaweit einer der Hauptverwender von Kunststoffen. Zum Beispiel ist der Verbrauch an Kunststoff (u.a. als Verpackung für Convenience Produkten) höher als in weniger entwickelten Ländern (Schüler 2016). Damit steigt das Risiko für Einträge in die Umwelt.

Damit haben wir eine große Verantwortung bei der Suche nach Lösungen, um den Eintrag von Kunststoffen in die Umwelt zu reduzieren. Große zivilgesellschaftliche Bündnisse haben sich mit Forderungen zu dem „Weg aus der Plastikkrise“ zusammengeschlossen. Viele unterschiedliche Handlungsmöglichkeiten stehen uns hier zur Verfügung. Unter anderem sollten die Sammel- und Verwertungsquoten in Deutschland besser werden, zum Beispiel durch die Bepfandung von Getränkeverpackungen aus Kunststoff (Kauertz et al. 2018) oder die verstärkte Verwertung von Recyclaten bei der Herstellung von Kunststoffverpackungen (Mödinger 2020).

7. Was passiert mit den Plastikteilchen in der Umwelt?

Mikroplastik akkumuliert auf Grund der sehr guten chemischen Beständigkeit in der Umwelt. Die Abbauzeit für die meisten Kunststoffe wird auf mehrere hundert Jahre geschätzt (Harrison et al. 2018). Aktuell ist aber unbekannt, ob Teile davon zersetzt werden oder ob es nur in immer kleinere Partikel zerfällt. Die Abbauprozesse hängen stark von der Kunststoffsorte ab und ob die Teilchen starkem Sonnenlicht oder mechanischen Auswirkungen ausgesetzt sind. UV-Strahlung sorgt dafür, dass Plastik spröde wird und leichter zersplittert. Kunststoffe an der Oberfläche von Gewässern sind damit einer stärkeren UV-Strahlung ausgesetzt als in Sedimenten. Außerdem kommt es, je nach Kunststoffsorte, zu unterschiedlich starker Biodegradation, u.a. durch anhaftenden Biofilm, Organismen und durch mikrobiellen Abbau. Ob Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilze Mikroplastik zersetzten können wird derzeit untersucht (Yuan et al. 2020).
Die mögliche Folge ist eine zunehmende Belastung der Flüsse, Seen und Meere. Ob es dadurch zu Veränderungen der Gewässerökosysteme kommt ist der derzeit noch nicht bekannt, hat aber in den aktuell durchgeführten Forschungsprojekten eine hohe Priorität. Zudem besteht die Möglichkeit, dass Mikroplastikpartikel auf Grund ihrer chemischen Struktur organische Substanzen anreichern und damit im Wasser als Magnet für Schadstoffe dienen können. Dadurch kann eine Vektorwirkung des Partikels entstehen –  Schadstoffe, die sich auf dem Plastik befinden, könnten auf Organismen übertragen werden, die die Partikel aufgenommen haben (Koelmans et al. 2016). Speziell die sogenannten biodegradierbaren Kunststoffe, die einmal in der Umwelt einer starken Degradation ausgesetzt sind, werden im Projekt MiPAq unter die Lupe genommen.

8. Wird Mikroplastik von Tieren aufgenommen? Welche Auswirkungen kann das haben?

Eine Vielzahl unterschiedlicher Lebewesen mit ganz unterschiedlichen Ernährungsstrategien nehmen Mikroplastik mit der Nahrung auf. Über diesen Weg kann Mikroplastik auch im Nahrungsnetz weitergegeben und angereichert werden (Elizalde-Velázquez et al. 2020, Carbery et al. 2018, Rochman et al. 2017).
Die aktuellen Untersuchungsergebnisse zu möglichen Auswirkungen sind auf Grund der hohen Komplexität der unterschiedlichen Kunststoffsorten und deren möglichen Zusatzstoffen noch sehr widersprüchlich (Bucci et al. 2020). Zusätzlich existieren nur wenige zuverlässige Daten über das Vorkommen, Größe und Art von Mikroplastik, die eine umweltrelevante Überprüfung ermöglichen (Triebskorn et al. 2019, Wendt-Potthoff et al. 2017).
Als potenzielle Risikofaktoren werden zum einen mechanische Einflüsse der Partikel und Fasern diskutiert, da sie sich im Magen-Darm-Trakt anreichern und schlecht ausgeschieden werden können. Dabei können sie Schädigungen an empfindlichen Geweben hervorrufen. Weitere Auswirkungen auf Organismen können durch die Kunststoffe an sich oder durch Zusatzstoffe (Additive) hervorgerufen werden. Additive in Polymeren werden für bestimmte gewünschte oder benötigte Eigenschaften (z.B. Weichmacher, UV-Schutz, Flammschutzmittel, etc.) aber auch für die Verarbeitbarkeit zugegeben (z.B. Gleitmittel) und können sich wieder aus dem Polymer lösen und direkt toxisch sein oder hormonähnliche Wirkungen besitzen (Zimmermann et al. 2019). Zusätzlich können Kunststoffe andere organische Schadstoffe anreichern und transportieren (siehe Frage 7). In wie fern dieser Transfer, im Vergleich zu anderen Quellen (z.B. natürlichen Partikel, Kontamination von Futterorganismen) oder dem umgebenden Medium (Wasser, Sediment), von Bedeutung ist wird aktuell diskutiert (Bartonitz et al. 2020, Koelmans et al. 2016). Die Aufnahme, die Abgabe und die Wirkung dieser Substanzen sowie die dadurch möglicherweise entstehende erhöhte Belastung von Organismen ist ein dringlicher Forschungsgegenstand und wird im Rahmen von MiPAq untersucht. Aktuell liegen jedoch noch keine abschließenden Ergebnisse vor, da das Verhalten und die Auswirkungen je nach Substanzklasse und Umweltbedingen sehr unterschiedlich ausfallen kann und andere Quellen der potentiell gefährlichen Substanzen einen stärkeren Einfluss haben könnten (Bucci et al. 2020, Triebskorn et al. 2019, Koelmans et al. 2016).

9. Wie wird Mikroplastik in Umwelt- und Lebensmittelproben nachgewiesen?

Da mehr natürliche Partikel in der Umwelt vorkommen als künstliche ist der Nachweis von Mikroplastik aus Umwelt- oder Lebensmittelproben eine große Herausforderung. Auf Grund ihrer Dichte schwimmen einige der Kunststoffe eher auf der Wasseroberfläche auf, andere sinken zum Grund eines Gewässers. Allerdings kann es durch Biofouling, also die Anlagerung von Bakterien, Algen oder anderen Organismen, zu Dichteänderungen und Verlagerungen kommen. Aus diesem Grund wird Mikroplastik an der Oberfläche von Gewässern (Seen, Flüsse, Meer) und im Sediment (Ufersediment, Bodensedimente) nachgewiesen.
Zur Probenahme in der Wassersäule werden Methoden mit Netzen unterschiedlicher Maschenweite (oft 300 µm) oder Filtersysteme (bis in den unteren µm-Bereich oder darunter) verwendet. Durch den großen Anteil von organischem Material in Umweltproben werden oft auch kleinere Partikel aufgefangen. Sedimentproben und Bodenproben werden mit Greifern, Schaufeln oder Stechrohren entnommen und können so das gesamte Größenspektrum der Partikel abdecken (Wendt-Potthoff et al. 2017). Lebensmittelproben können in der Regel direkt dem Produktionsprozess oder der Verpackung entnommen werden. In allen Fällen müssen Probenmenge und -anzahl repräsentativ für die beprobten Medien sein und eine ausreichende Menge Analyt beinhalten (Braun et al. 2018).

Für eine korrekte Identifizierung von Mikroplastik müssen zuerst möglichst alle natürlichen Partikel abgetrennt werden. Für Sand und Sedimentpartikel wird hier in der Regel auf die Dichtetrennung zurückgegriffen, bei der vergleichsweise schweres Material wie Kies oder Sand gut abgetrennt werden kann (Imhof et al. 2012, Prototyp im deutschen Museeum in München). Organisches Material wie Pollen, Pflanzenteile, Insekten u.a. werden dann mit chemischen Reinigungsschritten entfernt. Hierbei ist aber die Wahl der Chemikalien von großer Bedeutung, da es einige gibt die auch bestimmte Kunststoffsorten angreifen. Eine Methode, die Kunststoffe nicht angreift und organisches Material gut abbaut, ist zum Beispiel der enzymatische Abbau (Löder et al. 2017), der oft in Kombination mit der sogenannten Fenton Reaktion verwendet wird (Hurley et al. 2018). Diese Prozesse sind sehr aufwendig und müssen für jede Matrix speziell angepasst werden, wodurch sie aktuell noch nicht routinefähig sind.

Danach werden die Partikel je nach Größenklasse mit verschiedenen spektroskopischen Methoden analysiert (Ivleva et al. 2017, Wendt-Potthoff et al. 2017). Dabei erfolgt, neben der Bestimmung von Anzahl und Größe, auch eine Identifizierung von Kunststoffart und Form. Die Massengehalte von unterschiedlichen Polymeren in der Probe können mittels thermoanalytischer Methoden ermittelt werden (Braun et al. 2018, Ivleva et al. 2017). Für Details hierzu siehe Frage 10.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Probenahme, -vorbereitung und der späteren Partikelidentifizierung ist die Vermeidung von Verunreinigungen durch externe Einflüsse. Es gilt Laborgeräte und -kleidung aus Kunststoff zu vermeiden und die verwendeten Geräte so partikelrein wie möglich zu spülen. Durch die Arbeit in Objektschutzwerkbänken wird zudem einer Kontamination vorgebeugt.
Da trotzdem nie ganz verhindert werden kann, dass fremde Partikel und Fasern in eine Probe eingetragen werden, muss stets eine Blindprobe mitgeführt werden. Das kann z.B. eine gleichgroße Menge partikelarmes Wasser sein, mit dem derselbe Prozess durchlaufen wird wie mit der Probe. Sollte in der Blindprobe genauso viel Mikroplastik derselben Polymersorte gefunden werden, wie in der richtigen Probe, muss davon ausgegangen werden, dass diese Partikel im Labor eingetragen wurden und nicht aus der Probe stammen.

Zusätzlich werden die Ergebnisse stark durch die Vorgehensweise bei der Probenahme beeinflusst. Die Probenmenge und Probenanzahl müssen repräsentativ für die beprobten Medien sein und eine ausreichende Menge vom Analyt beinhalten (Braun et al. 2018). Wenn zum Beispiel 5 Liter Bier analysiert werden, ist die Wahrscheinlichkeit Mikroplastik zu detektieren größer, als wenn nur ein 100 ml, also ein 50stel davon analysiert werden. Ein weiterer Faktor kann die Hochrechnung von sehr kleinen Probenmengen auf größere Volumina sein, wenn z.B. von 1000 ml Bier nur 100 ml, 10 ml oder sogar nur 1 ml untersucht werden. Es ist auch relevant, ob Proben einmalig oder mehrmals entnommen wurden. Denn solange nicht geklärt ist, wie Mikroplastik in die Nahrungsmittel gelangt, ist auch unklar, ob der Eintrag immer oder nur bei bestimmten Vorgängen stattfindet.

10. Wie kann man Mikroplastik sicher identifizieren?

Die Identifizierung von Mikroplastik ist aufgrund der vielfältigen Partikel die, neben Mikroplastik, in unsere Umwelt vorkommen eine anspruchsvolle Aufgabe. Um zu einer sicheren Identifizierung der Partikel und damit zu gesicherten Mikroplastikmengen zu gelangen bedarf es, neben der vorgenannten Probenahme und Probenvorbereitung, aufwendiger und hochspezialisierter Techniken. Ein Nachweis ist mit Hilfe von spektroskopischen Methoden (z.B. Raman Mikrospektroskopie oder Fourier-Transform-Infrarot-Mikrospektroskopie) aber auch mittels massenspektrometrischer Methoden möglich. Dazu kommen vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung von Kontamination, Blindproben und statistische Verfahren (siehe Frage 8).

Eine rein mikroskopische und damit visuelle Identifizierung ist für die zum Teil sehr kleinen Fasern und Partikel aufgrund der möglichen Verwechslung mit anderen natürlich vorkommenden Materialien nicht geeignet (Ivleva et al. 2017, Löder et al. 2015a, Hidalgo-Ruz et al. 2012). Auch das Anfärben mit Farbstoffen wie Bengalrosa oder Nilrot, sowie die Schmelzprobe erlauben keine eindeutige Unterscheidbarkeit zwischen natürlichen und künstlich hergestellten Partikeln und Fasern. Beide Methoden können nur als Hilfestellung bei einer etwaigen optischen Vorsortierung dienen (Lachenmeier et al. 2015, Löder et al. 2015a).

Umwelt-, Lebensmittel- und Getränkeproben müssen vielmehr spektroskopisch und/oder massenspektrometrisch untersucht werden (Braun et al. 2018). So kann genau festgestellt werden, aus welchem Material die gefundenen Partikel bestehen und ob es sich überhaupt um Mikroplastik handelt. Daneben erfolgt bei spektroskopischen Methoden auch die Bestimmung von Anzahl, Form und Größe (Ivleva et al. 2017, Wendt-Potthoff et al. 2017, Imhof et al. 2016, Löder et al. 2015a). Gerne verwendete spektroskopische Methoden, die zerstörungsfrei Einzelpartikel oder mehrere Partikel auf Filtern untersuchen können, sind die Fourier-Transform-Infrarot-Mikrospektroskopie (FTIR), die für Mikroplastik bis zu einer Größe von 10 – 20 µm angewendet werden kann (Löder et al. 2015b) oder die Raman-Mikrospektroskopie, die sogar Partikel und Fasern bis zu 1 µm Größe und darunter erfassen kann (Ivleva et al. 2017, Imhof et al. 2016). Im Projekt MiPAq werden Analysen mittels FTIR (AGW) oder Raman-Mikrospektroskopie (IWC), sowie TD-Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (SWW) durchgeführt.

Bei der Verwendung von FTIR haben sich sogenannte Focal Plane Array (FPA)-Detektoren durchgesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Detektoren, mit denen Partikel einzeln anvisiert und gemessen werden müssen (ähnlich zur Raman-Mikrospektroskopie), ermöglichen es FPA-Detektoren, eine größere Fläche der Probe auf einmal zu messen (teilweise bis zu 0,5 mm²). Damit entstehen jedoch eine große Menge an Spektraldaten, welche es auszuwerten gilt. Wurde zum Beispiel ein Probenfilter von 1 cm Durchmesser untersucht, so entstehen, je nach gewählter Auflösung, innerhalb von nur 5 Stunden Messzeit bis zu 2,8 Millionen Infrarot-Spektren. Jedes Spektrum muss dann einem Kunststoff, also z.B. Polyethylen, Polyamid oder anderen natürlichen Partikel (z.B. Sand, Cellulose) zugeordnet werden, um die Menge an Mikroplastik in der Probe zu bestimmen. Für die automatisierte Datenauswertung können diese Spektren mit einer Datenbank abgeglichen und so einem Stoff zugeordnet werden (Primpke et al. 2017). Dies ist ein relativ simpler, jedoch rechenzeitintensiver Ansatz. Müssen sehr viele Proben analysiert werden, bietet Machine Learning mit der sogenannten Random Decision Forest Classification eine Alternative (Hufnagl et al. 2019). Dabei lernt ein Algorithmus, anhand bestimmter Eigenschaften von FTIR-Referenzspektren, die Spektren der Probe einem Stoff zuzuordnen. Diese Methode ist sehr robust und die Rechenzeit erheblich kürzer als bei datenbankbasierten Ansätzen. Jedoch ist das „Anlernen“ des Algorithmus eine aufwendige Aufgabe, die sich jedoch lohnt, wenn eine große Menge an Proben automatisiert ausgewertet werden soll.  Im Projekt MiPAq werden „Random Decision Forest Classifiers“ entwickelt und angewendet, um Proben aus Trinkwasser und verschiedenen Lebensmitteln zu analysieren. Damit soll eine breitere Datenbasis zur Abschätzung der nahrungsmittelbedingten Aufnahme von Mikroplastik geschaffen werden.

Bei der Anwendung der Raman Mikrospektroskopie werden, die zur Analyse auf Filtern deponierten Partikel mittels der neu entwickelten Software TUM-ParticleTyper lokalisiert und morphologisch charakterisiert. Diese ist die erste kalibrierbare und validierte Software zur Partikelerkennung in Licht-, Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopischen-Bildern (von der Esch & Kohles et al. accepted).
Die anschließende Identifizierung erfolgt anhand einer reduzierten Anzahl von Partikeln, die durch statistische Methoden aus der Gesamtheit ausgewählt werden (Anger & von der Esch et al. 2018), wodurch eine korrekte Extrapolation mit bekannter Messunsicherheit für Partikel zwischen 10 und 500 µm gewährleistet werden kann. Diese kontrollierte Reduktion der Partikelzahl entspricht einer virtuellen Mischung und somit Homogenisierung der Probe, wodurch eine korrekte Extrapolation für Partikel zwischen 10 µm – 500 µm gewährleistet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Fehlerbereich ohne Replikationsmessungen angeben lässt. Dies bietet belastbare Kriterien für zukünftige vergleichende Studien zur Quantifizierung von MP in der Umwelt.
Die Zusammenführung der morphologischen Charakteristika mit den chemischen Daten aus der Raman-Messung, so wie die Extrapolation auf die Gesamtpopulation erfolgt vollständig automatisiert über Skripte. Somit ist die Analyse von 7000 Partikeln (inkl. Lokalisierung, Messung und Auswertung, exkl. Probenaufbereitung) innerhalb von 48 h mit 6 h Aufwand eines Experten möglich. Dieses Verfahren wurde unter Einsatz von, nach von der Esch et al. (2020), künstlich gealterten Partikeln aus konventionellen (Polystyrol und Polyethylenterephthalat) und biologisch abbaubaren Polymeren (Polymilchsäure) in all seinen Einzelschritten validiert. Inzwischen wurden mit dieser Methode bereits Proben aus Waschmaschinen (in Kooperation mit dem Sächsischen Textil Forschungsinstitut), Kläranlagen (in Kooperation mit SubµTrack und PLASTRAT) und Lebensmitteln (als Bestandteil von MiPAq) untersucht und das darin enthaltene Mikroplastik quantifiziert. Die entsprechenden Studien sind aktuell in Bearbeitung.

Für eine Analyse von Plastikpartikeln im submikro-Bereich hat eine Kombination von Feld-Fluss-Fraktionierung und RM ein deutliches Potenzial gezeigt. Bei der Verwendung von Modellproben im Rahmen des SubµTrack-Vorhabens war es bereits möglich, eine chemische Identifizierung von unterschiedlichen Submikropartikel-Fraktionen (inkl. Plastikpartikel sowie anorganische Partikel) zu realisieren (Schwaferts et al. 2020).

Daneben gibt es weitere Methoden, die mit Hilfe thermischer Zersetzung und nachgeschalteter Gas- bzw. Massenspektrometrie die Analyse von Mikroplastik ermöglichen. Dazu gehören die Thermogravimetrie, welche oft mit der Gaschromatographie-Massenspektrometrie gekoppelt wird (z.B. Dümichen et al. 2017) und ebenfalls eine Quantifizierung von Mikroplastik ermöglicht. Mittels der Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie können über Zerfallsprodukte die Polymerarten der Partikel (z.B. Polyethylen, Polystyrol, etc.) auch in Mischungen bestimmt werden. Wird vor dem Pyrolyseprozess noch eine Thermodesorption durchgeführt, können auch Additive (z.B. Weichmacher wie Phthalate oder Bisphenol A) oder zusätzliche adsorbierte Stoffe identifiziert und quantifiziert werden. Damit wird eine Beurteilung der Schadstoffbelastung möglich (Fischer et al. 2017, Wendt-Potthoff et al. 2017). Je nach Art und Ausstattung der Geräte liegt die untere Nachweisgrenze bei den massenspektroskopischen Verfahren bei minimal 0,5 µg. Das heißt, dass zum Beispiel ein LDPE-Partikel mit 10 µm Durchmesser nachgewiesen werden kann, ein kleinerer und damit leichterer Partikel jedoch nicht (Braun et al. 2018).

Da es in der Umwelt mehr natürliche als künstlich hergestellte Partikel und Fasern gibt und die spektroskopischen Methoden sehr aufwendig sind, müssen die Proben im Vorfeld aufgereinigt werden (siehe Frage 9). Diese Prozesse sind aufgrund der komplexen Probenzusammensetzung oft sehr aufwendig und aktuell noch nicht routinefähig oder harmonisiert, da hier noch ein enormer Forschungsbedarf besteht.

Aufgrund der vielen verschiedenen Prozesse zur Probenvorbereitung und –analyse ist es nicht immer möglich, die Ergebnisse unterschiedlicher Studien sinnvoll miteinander zu vergleichen. Daher finden auf nationaler und internationaler Ebene Initiativen zur Methodenharmonisierung statt (Schymanski et al. in preparation). Außerdem gibt es bereits drei Ausschüsse beim Deutschen Institut für Normung (DIN), in denen auch Beteiligte aus dem Projekt MiPAq aktiv sind.

11. Kommt Mikroplastik auch in Lebensmitteln oder im Trinkwasser vor?

Es wurden bereits eine Vielzahl von Studien durchgeführt, in welchen Mikroplastik in Lebensmitteln oder Mineral- und Leitungswasser nachgewiesen werden sollte. Jedoch haben viele Studien, nach heutiger Sichtweise, nicht mit zuverlässigen Methoden gearbeitet (siehe Frage 10) und zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse erhalten.
Da Mikroplastik in allen Ozeanen vorkommt, ist es nicht überraschend, dass Mikroplastik auch in Nahrungsmitteln aus dem Meer nachgewiesen wurde. Zum jetzigen Zeitpunkt sind zweifelsfreie Nachweise bei Meeresfrüchten (z.B. Catarino et al. 2018, Van Cauwenberghe et al. 2014), Fischen (Roch et al. 2017) und Meersalz (z.B. Penack 2018, Karami et al. 2017) dokumentiert. Die Aufnahme von Mikroplastik durch den Verzehr dieser Lebensmittel dürfte jedoch gering sein (BfR 2019b, a). Bei vielen Organismen, wie zum Beispiel bei den Fischen befindet sich Mikroplastik zudem häufig hauptsachlich im Verdauungstrakt, der vor dem Verzehr entfernt wird (EFSA 2016).

Mikroplastik konnte in Studien, die mit validen Methoden gearbeitet haben, auch in Leitungswasser (Mintenig et al. 2019) und Mineralwasser (u.a. aus PET-Mehrwegflaschen, Ossmann et al. 2018, Schymanski et al. 2018) nachgewiesen werden. Diese können auch durch Abrieb beim wiederholten Öffnen und Schließen von PET-Flaschen in Getränke gelangen. Mechanische Belastungen wie Drücken und Knautschen scheinen jedoch keine Auswirkungen auf die Partikelzahl im Getränk zu haben (Winkler et al. 2019). Beim Aufbrühen von Tee in reinen PET- und Nylonbeuteln zeigte sich, dass  Partikel aus diesen Beuteln freigesetzt wurden (Hernandez et al. 2019). Wie genau und in welchem Ausmaß die Freisetzung funktioniert, ist jedoch noch nicht bekannt, ebenso wenig, ob auch andere Beutelmaterialien Partikel abgeben. Die meisten handelsüblichen Teebeutel bestehen aus pflanzlichen Fasern wobei zur Verstärkung ein maximaler Anteil von 1,5% Nassfestharz (z.B., Polyamid) beigemengt werden darf, damit die Beutel nicht aufreißen (Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) 2019). Trotz des geringen nicht-pflanzlichen Anteils gelten diese als kompostierbar (EN 13432:2002-12). Es wurde ermittelt, ob die nach der Kompostierung zurückbleibenden Reststoffe das Pflanzenwachstum hemmen. Alle bisherigen Tests handelsüblicher Filterpapiere zeigten keine nachteiligen Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum. Wer den geringen nicht-kompostierbaren Kunststoff-Anteil dennoch nicht in seinem Kompost haben möchte, sollte die Beutel jedoch über den Restmüll entsorgen.

Zusammenfassend ist die Anzahl an nachgewiesenen Mikroplastikpartikeln in Trinkwasser und anderen Lebensmitteln je nach Untersuchungsmethode und Probenmenge sehr unterschiedlich (Tabelle 1). Es handelt sich zudem stets um Stichproben, sodass unbekannt bleibt, ob die Mengen konstant sind oder ob Schwankungen aufgrund von Wasseraufbereitung, Maschinerie, Prozessen, etc. oder auf Grund der Analysemethoden auftreten. Dennoch deutet vieles darauf hin, dass Mikroplastik in der Umwelt und in industriell verarbeiteten Produkten, wenn auch in geringen Mengen, ubiquitär vorhanden ist.

Die eigenen „Mikroplastikfrei“-Siegel, welche inzwischen von vielen Hersteller von Kosmetika und Waschmitteln auf ihre Produkte gedruckt werden, sollten daher keinesfalls missverstanden werden: Damit weisen die Hersteller darauf hin, dass unter den verwendeten Zutaten kein Mikroplastik ist. Es gibt keine Auskunft darüber, ob im Produktionsprozess oder durch die Verpackung Mikroplastik ins Produkt geraten kann.  Aus diesem Grund sollte der, inzwischen bei verschiedenen Produkten verwendete, Hinweis "mikroplastikfrei" vermieden werden.

Im Projekt MiPAq werden ausgewählte Nahrungsmittel und Getränke auf Mikroplastik untersucht, um in dieser Angelegenheit Klarheit zu schaffen.

Tabelle 1. Zusammenfassung über bisher bekannte Nachweise von Mikroplastik in Lebensmitteln (rechts) oder deren Eintragspfade (links), bei denen eine der oben beschriebenen und als valide geltenden Analysenmethode zum Einsatz kam. Auch erste Ergebnisse aus MiPAq sind eingeflossen. Dadurch wird deutlich, dass es erst sehr wenige gesicherte Erkenntnisse zum Vorkommen von Mikroplastik in Lebensmitteln gibt.

Eintragspfade für Mikroplastik
in Mineralwasser

 

Vorkommen von Mikroplastik
 in Lebensmitteln

Material und -Art
des Gebindes

Empirischer Zusammenhang
(Ossmann et al. 2018, Schymanski et al. 2018)

 

Mineralwasser

Gesicherter Nachweis, Zahlenwerte schwanken je nach Analysenmethode (Oßmann et al. 2018, Schymanski et al. 2018)

Öffnen/Verschließen

Empirischer Zusammenhang 
(Winkler, Weisser et al. in preparation)

 

Leitungswasser

Gesicherter Nachweis (Mintenig et al. 2019)

Carbonisierung

Zusammenhang vermutet (Schymanski et al. 2018)

 

Bier

Kein Nachweis
(Wiesheu et al. 2016)

Alter der Flasche

Zusammenhang vermutet (Ossmann et al. 2018)

 

Tee

Kunststoff-Beutel geben Partikel ab
(Hernandez et al. 2019)

Füllprozess

Zusammenhang denkbar, aber ungeklärt

 

Andere

(Noch) keine Daten

Flaschenreinigung

Zusammenhang denkbar, aber ungeklärt

 

 

 

 

 

12. Was bedeutet das für den Menschen? Ist Mikroplastik gefährlich?

Grundsätzlich kann man inzwischen sagen, dass Mikroplastik allgegenwärtig vorhanden ist; auch in der Luft befinden sich, neben natürlichen Teilchen wie Pollen, Pilzsporen und Saharastaub, menschenverursachte Partikel wie Staub, Ruß und Mikroplastik (Abbasi et al. 2019, Klein et al. 2019, Liu, C. et al. 2019, Verla et al. 2019, Catarino et al. 2018, Gasperi et al. 2018, Dris et al. 2017). Somit kommen wir unvermeidlich in den Kontakt mit Mikroplastik aus der Nahrung oder der Luft. Vor allem, da viele Lebensmittel mit Hilfe von Kunststoffprodukten produziert oder in Kunststoffe verpackt werden. Dennoch ist kein Zusammenhang zwischen der Größe der Kontaktfläche Lebensmittel-Verpackung und Mikroplastik im Lebensmittel bekannt, daher  ist es nicht möglich, von der Verpackung auf Mikroplastik-Verunreinigungen in einem Lebensmittel zu schließen.
Inwiefern Mikroplastik oder von Mikroplastik abgegebene Substanzen mit dem menschlichen Körper reagieren ist derzeit noch unbekannt, vor allem da Partikel entweder von den Schleimhäuten der Atemwege zurückgehalten werden bzw. den Magen-Darm-Trakt passieren und wieder ausgeschieden werden (BfR 2019b, a, Schwabl et al. 2019, Verla et al. 2019, Vianello et al. 2019, Gasperi et al. 2018, Welle et al. 2018). Dies dürfte jedoch stark von der Mikroplastikkonzentration in den Nahrungsmitteln, der Ernährungsweise und sonstigen Lebensbedingungen, sowie der Größe der Partikel abhängen (Verla et al. 2019, Catarino et al. 2018, Gasperi et al. 2018, Welle et al. 2018).

Trotz ersten Erkenntnissen ist eine Risikobewertung von potentiell in Lebensmitteln vorkommenden Mikropartikeln derzeit nicht möglich, da bislang nicht genug Daten zur Exposition und zur Toxizität vorliegen und diese zum Teil widersprüchliche Ergebnisse liefern (Bucci et al. 2020, EFSA 2016). Weiterhin sind Ergebnisse aus Tierversuchen nicht ohne Weiteres auf den Menschen übertragbar. Nach aktuellem Wissensstand geht das Bundesinstitut für Risikobewertung davon aus, dass von Mikroplastik in Lebensmitteln keine gesundheitlichen Risiken ausgehen (BfR 2019b, a). 

13. Was kann jeder tun?

Um die Umwelt nicht mit noch mehr Plastikmüll zu belasten, muss dieser unbedingt zuverlässig erfasst und fachgerecht entsorgt werden. Deutschland ist Vorreiter in Sachen Erfassung: viele Gemeinden sammeln die anfallenden Wertstoffe ein oder bieten den Gelben Sack bzw. die Gelbe Tonne (Duales System) an. Der Grundsatz Reduce-Reuse-Recycle (dt. Reduzieren – Wiederverwenden – Weiterverwerten) ist heute aktueller denn je: viele Menschen bemühen sich, weniger Müll zu erzeugen oder finden kreative Ideen, um daraus Neues zu schaffen („Upcycling“) und diese Ansätze sollten weiter gefördert und unterstützt werden.
Grundsätzlich ist der globale Ansatz der Kreislaufwirtschaft ein weiterer wichtiger Weg, um Rohstoffen so effektiv wie möglich einzusetzen und entstehenden Müll bestmöglich und sinnvoll zu verwerten. Alle Verbraucher sind aufgefordert, die Produktreste nach dem Gebrauch (inklusive Verpackung) gemäß den lokalen Vorschriften zu entsorgen und Recyclingsystemen zuzuführen. Gleichzeitig sollten die Hersteller schon bei der Planung und Herstellung eines Produktes den gesamten Produktlebenszyklus im Blick haben und einen Austausch von Teilen, die Reparatur und am Ende die einfache Trennung und Wiederverwertung der verwendeten Rohstoffe ermöglichen und so einfach wie möglich zu gestalten. Hier kann zudem jeder Verbraucher die Recyclingrate erhöhen, indem er bei der Entsorgung die einzelnen Verpackungskomponenten voneinander trennt. Verbundene Komponenten, wie etwa der Aluminiumdeckel und der Joghurtbecher, können in technischen Prozessen der Recyclinganlagen nur schwer oder meist gar nicht voneinander getrennt werden und entgehen so dem Recyclingprozess.

Produkte, die primäres Mikroplastik enthalten sollten vermieden werden. Dazu hat der BUND 2015 einen Einkaufsratgeber herausgegeben, der laufend aktualisiert wird, in dem Kosmetikprodukte mit Mikroplastik aufgelistet sind. Darin sind auch Abkürzungen aus den Inhaltsstoffangaben aufgeführt, hinter denen sich Kunststoffe verbergen. Die meisten Hersteller verzichten inzwischen auf Mikroplastik in ihren Produkten.

Vermeidung oder Reduzierung der verwendeten Kunststoffprodukte oder Nutzung von kunststofffreien Alternativen. Dazu kann unter Umständen auch das Stehen lassen des Autos beitragen. Denn Reifenabrieb ist mit 1,23 kg Mikroplastik pro Kopf und Jahr in Deutschland eine große Quelle für Mikroplastik in der Umwelt (Bertling et al. 2018).


14. Was wird im Projekt MiPAq an der TUM untersucht?

Bei dem von der Bayrischen Forschungsstiftung geförderten Projekt Mikropartikel in der aquatischen Umwelt und in Lebensmitteln – sind biologisch abbaubare Polymere eine denkbare Lösung für das „Mikroplastik-Problem“? (MiPAq) liegt die umfassende Charakterisierung von Mikropartikeln in der aquatischen Umwelt und in Lebensmitteln im Fokus. Dabei werden der Eintrag, das Verhalten und die Effekte einschließlich der Bilanzierung und Optionen zur technischen Minderung berücksichtigt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer Gesamtbetrachtung aller Partikel, speziell der Gegenüberstellung von Partikelfraktionen aus biologisch abbaubaren (Kunststoff-)Materialien, konventionellen, nicht abbaubaren Kunststoffen sowie natürlichen (an)organischen Partikeln.

Informationen dazu finden Sie auf der Projekt-Webseite. Darüberhinausgehende Fragen beantworten gerne die Projektkoordinatoren oder leiten diese an die jeweiligen Spezialisten weiter.

Darüber hinaus besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Projekt „SubµTrack“, welches Analysetools für Mikroplastikpartikel kleiner 1 µm entwickelt, sodass das analytische Fenster für MiPAq stark erweitert wird. Weitere Infos unter: https://www.wasser.tum.de/submuetrack .

 

 

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Stand 16.06.2020