In Flaschen abgefülltes Wasser kann Hunderttausende von bisher nicht gezählten winzigen Plastikteilchen enthalten

Neue Mikroskopietechnik erschließt die noch wenig erforschte Welt der Nanokunststoffe, die ins Blut, in Zellen und ins Gehirn gelangen können

11.01.2024

In den letzten Jahren hat die Besorgnis darüber zugenommen, dass winzige Partikel, so genanntes Mikroplastik, praktisch überall auf der Erde auftauchen, vom Polareis über den Boden bis hin zu Trinkwasser und Lebensmitteln. Diese Partikel, die entstehen, wenn Kunststoffe in immer kleinere Teile zerfallen, werden von Menschen und anderen Lebewesen aufgenommen, mit unbekannten möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit und das Ökosystem. Ein großer Schwerpunkt der Forschung: Wasser in Flaschen, das nachweislich Zehntausende identifizierbarer Fragmente in jedem Behälter enthält.

Mit Hilfe einer neu entwickelten Technologie sind die Forscher nun in eine ganz neue Welt der Kunststoffe vorgedrungen: in das kaum bekannte Reich der Nanokunststoffe, der Ausgeburten von Mikroplastik, das noch weiter zerfallen ist. Zum ersten Mal haben sie diese winzigen Partikel in abgefülltem Wasser gezählt und identifiziert. Sie fanden heraus, dass ein Liter im Durchschnitt etwa 240.000 nachweisbare Plastikfragmente enthielt - 10 bis 100 Mal mehr als frühere Schätzungen, die hauptsächlich auf größeren Größen beruhten.

Die Studie wurde gerade in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht .

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Nanokunststoffe sind so winzig, dass sie im Gegensatz zu Mikroplastik durch Darm und Lunge direkt in den Blutkreislauf gelangen und von dort aus Organe wie Herz und Gehirn erreichen können. Sie können in einzelne Zellen eindringen und über die Plazenta in den Körper von Ungeborenen gelangen. Medizinische Wissenschaftler sind dabei, die möglichen Auswirkungen auf eine Vielzahl biologischer Systeme zu untersuchen.

"Früher war dies ein dunkles, unerforschtes Gebiet. Bei Toxizitätsstudien konnte man nur raten, was da drin ist", sagte der Mitautor der Studie, Beizhan Yan, ein Umweltchemiker am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University. "Dies öffnet ein Fenster, durch das wir einen Blick in eine Welt werfen können, die uns vorher nicht zugänglich war".

Die weltweite Kunststoffproduktion nähert sich 400 Millionen Tonnen pro Jahr. Mehr als 30 Millionen Tonnen werden jährlich ins Wasser oder auf den Boden gekippt, und viele Produkte, die aus Kunststoffen hergestellt werden, einschließlich synthetischer Textilien, verlieren Partikel, während sie noch in Gebrauch sind. Im Gegensatz zu natürlichen organischen Stoffen zerfallen die meisten Kunststoffe nicht in relativ harmlose Substanzen, sondern teilen sich einfach in immer kleinere Partikel mit derselben chemischen Zusammensetzung. Über einzelne Moleküle hinaus gibt es keine theoretische Grenze, wie klein sie werden können.

Mikroplastik wird als Fragmente definiert, die von 5 Millimetern (weniger als ein Viertel Zoll) bis hinunter zu 1 Mikrometer reichen, was 1 Millionstel eines Meters oder 1/25.000stel eines Zolls entspricht. (Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 70 Mikrometern.) Nanokunststoffe, d. h. Partikel unter 1 Mikrometer, werden in Milliardstel Metern gemessen.

Kunststoffe in abgefülltem Wasser wurden zu einem öffentlichen Thema, nachdem in einer Studie aus dem Jahr 2018 durchschnittlich 325 Partikel pro Liter nachgewiesen wurden; in späteren Studien wurde diese Zahl um ein Vielfaches erhöht. Wissenschaftler vermuteten, dass es noch mehr gibt, als sie bisher gezählt hatten, aber gute Schätzungen hörten bei Größen unter 1 Mikrometer auf - der Grenze zur Nanowelt.

"Die Menschen haben Methoden entwickelt, um Nanopartikel zu sehen, aber sie wussten nicht, was sie betrachteten", sagte die Hauptautorin der neuen Studie, Naixin Qian, eine Columbia-Diplomstudentin der Chemie. Sie wies darauf hin, dass frühere Studien zwar Schätzungen über die Masse von Nanopartikeln liefern konnten, aber meist nicht in der Lage waren, die einzelnen Partikel zu zählen oder festzustellen, ob es sich um Kunststoffe oder andere Stoffe handelt.

Die neue Studie verwendet eine Technik namens "stimulated Raman scattering microscopy", die von Wei Min, einem Biophysiker der Columbia University, miterfunden wurde. Dabei werden die Proben mit zwei Lasern gleichzeitig untersucht, die so eingestellt sind, dass sie bestimmte Moleküle zum Schwingen bringen. Die Forscher untersuchten sieben gängige Kunststoffe und entwickelten einen datengesteuerten Algorithmus, um die Ergebnisse zu interpretieren. "Es ist eine Sache, etwas zu erkennen, aber eine andere, zu wissen, was man erkennt", so Min.

Die Forscher testeten drei gängige, in den Vereinigten Staaten verkaufte Wassermarken (sie lehnten es ab, diese zu nennen) und analysierten Kunststoffpartikel bis zu einer Größe von nur 100 Nanometern. Sie entdeckten 110.000 bis 370.000 Partikel in jedem Liter, von denen 90 % Nanoplastik waren; der Rest war Mikroplastik. Sie bestimmten auch, um welchen der sieben spezifischen Kunststoffe es sich handelte, und zeichneten ihre Formen auf - Eigenschaften, die für die biomedizinische Forschung wertvoll sein könnten.

Ein häufiger Kunststoff war Polyethylenterephthalat oder PET. Das war nicht überraschend, da viele Wasserflaschen aus diesem Material hergestellt werden. (Es wird auch für abgefüllte Limonaden, Sportgetränke und Produkte wie Ketchup und Mayonnaise verwendet.) Wahrscheinlich gelangen die Partikel ins Wasser, weil sie sich beim Zusammendrücken der Flasche oder durch Hitzeeinwirkung ablösen. Eine neuere Studie deutet darauf hin, dass viele Partikel ins Wasser gelangen, wenn man den Verschluss wiederholt öffnet oder schließt, und winzige Teile abreiben.

Allerdings wurde PET von Polyamid, einer Nylonart, übertroffen. Ironischerweise, so Beizhan Yan, stammen diese wahrscheinlich aus Kunststofffiltern, die das Wasser vor der Abfüllung reinigen sollen. Weitere häufig vorkommende Kunststoffe, die die Forscher fanden, sind Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polymethylmethacrylat, die alle in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden.

Ein etwas beunruhigender Gedanke: Die sieben Kunststoffarten, nach denen die Forscher suchten, machten nur etwa 10 % aller Nanopartikel aus, die sie in den Proben fanden; sie haben keine Ahnung, was der Rest ist. Wenn es sich bei allen um Nanokunststoffe handelt, könnte ihre Zahl in die zweistellige Millionenhöhe pro Liter gehen. Sie könnten aber auch alles Mögliche sein, was auf die komplizierte Partikelzusammensetzung in der scheinbar einfachen Wasserprobe hinweist", schreiben die Autoren. "Das häufige Vorhandensein natürlicher organischer Stoffe erfordert sicherlich eine sorgfältige Unterscheidung".

Die Forscher gehen nun über abgefülltes Wasser hinaus. "Es gibt eine riesige Welt von Nanoplastik, die untersucht werden muss", so Min. Er wies darauf hin, dass Nanokunststoffe gemessen an ihrer Masse weit weniger als Mikroplastik ausmachen, aber "es kommt nicht auf die Größe an. Es geht um die Zahlen, denn je kleiner die Dinge sind, desto leichter können sie in uns eindringen".

Das Team plant unter anderem, Leitungswasser zu untersuchen, das nachweislich ebenfalls Mikroplastik enthält, wenn auch in weitaus geringerem Maße als Wasser aus Flaschen. Beizhan Yan führt ein Projekt zur Untersuchung von Mikroplastik und Nanoplastik durch, das beim Wäschewaschen ins Abwasser gelangt - nach seiner bisherigen Zählung sind es Millionen pro 10-Pfund-Ladung, die von synthetischen Materialien stammen, aus denen viele Kleidungsstücke bestehen. (Er und seine Kollegen entwickeln Filter, um die Verschmutzung durch gewerbliche und private Waschmaschinen zu verringern). Das Team wird demnächst Partikel im Schnee identifizieren, den britische Mitarbeiter bei ihren Wanderungen durch die westliche Antarktis sammeln. Darüber hinaus arbeiten sie mit Umweltexperten zusammen, um Nanokunststoffe in verschiedenen menschlichen Geweben zu messen und ihre Auswirkungen auf die Entwicklung und Neurologie zu untersuchen.

"Es ist nicht völlig unerwartet, dass wir so viel von diesem Zeug finden", sagt Qian. "Die Idee ist, dass je kleiner die Dinge werden, desto mehr von ihnen gibt es".

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Originalveröffentlichung

Naixin Qian, Xin Gao, Xiaoqi Lang, Huiping Deng, Teodora Maria Bratu, Qixuan Chen, Phoebe Stapleton, Beizhan Yan, Wei Min; "Rapid single-particle chemical imaging of nanoplastics by SRS microscopy"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 121, 2024-1-8

https://www.chemie.de/news/1182441/in-flaschen-abgefuelltes-wasser-kann-hunderttausende-von-bisher-nicht-gezaehlten-winzigen-plastikteilchen-enthalten.html