MARINE LITTERING AUSWIRKUNG UND ABBAUVERHALTEN MARINE LITTERING EFFECTS AND DEGRADATION BEHAVIOR. 24. Stuttgarter Kunststoffkolloquium

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1 MARINE LITTERING AUSWIRKUNG UND ABBAUVERHALTEN MARINE LITTERING EFFECTS AND DEGRADATION BEHAVIOR S. Göttermann 1, C. Bonten 1, A. Kloeppel 2, S. Kaiser 2 und F. Brümmer 2 1 IKT, Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 32, Stuttgart Tel.: + 49 (0) , Fax: + 49 (0) , svenja.goettermann@ikt.uni-stuttgart.de 2 IBBS, Institut für Biomaterialien & biomolekulare Systeme der Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57, Stuttgart Tel.: + 49 (0) , Fax: + 49 (0) , franz.bruemmer@bio.uni-stuttgart.de Kurzfassung: Meeresverschmutzung ist ein ernstzunehmendes und stetig wachsendes Problem. Müll im Meer bedroht marine Ökosysteme, die Meerestiere und dadurch auch den Menschen selbst. Einen Anteil an der sichtbaren Vermüllung haben Kunststoffe. Im Meer schwimmende Kunststofffolien, Schaumstoffe oder auch Getränkeflaschen werden durch Umwelteinflüsse nach und nach zu kleinsten Fragmenten zersetzt. Bei dem dabei entstehende, Kunststoff staub, auch bekannt als Mikroplastik, handelt es sich um mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel mit einem Durchmesser < 5 mm. Es gibt jedoch auch Kunststoffpartikel, die bereits in mikroskopischer kleiner Größe hergestellt und in Produkten wie Zahnpasten oder Peelings eingesetzt werden. Vögel und Fische können diese Partikel mit Nahrung verwechseln. Aufgenommene Partikel können dem Tier ein Völlegefühl vortäuschen und die Tiere verenden. Ist das aufgenommene Fragment zu groß, kann es außerdem zur Blockade des Verdauungstraktes kommen, was ebenfalls zum Tode der Tiere führt. Viele Forschungsgruppen beschäftigen sich mit der Art der Abfälle und der Herkunft. Das IKT und IBBS der Universität Stuttgart möchten in einem Kooperationsprojekt physikalische, chemische und biologische Prozesse untersuchen, die einen Einfluss auf die Fragmentierung bzw. den Abbau von Kunststoffen haben, sowie deren biologische Auswirkungen auf Organismen. Abstract: Marine littering is a serious and growing problem. Waste in the sea threatens marine ecosystems, marine animals and thereby also the people themselves. A part of the visible marine litter are plastics. Films, foams, drinking bottles or nets made from plastics floating in the sea break down to small fragments by environmental influences. The resulting plastic dust also known as micro plastics are microscopically small plastic particles with a diameter less than 5 mm. However, there are also plastic particles that are already manufactured in microscopically small size and are used in toothpaste or peelings. Birds and fishes confuse these particles with food. Eaten particles can deceive the animal the feeling of fullness and the animals die. If the captured fragment is too large, it can lead to a blockade of the digestive tract and kill the animals. Many research groups are working on the type of the waste and the origin. IKT and IBBS of the University of Stuttgart want to give a contribution and investigate physical, chemical and biological processes that have an impact on the fragmentation and degradation of plastics, as well as their biological effects and uptake by organisms. Schlagwörter: Meeresverschmutzung, Mikroplastik, Kunststoffe Keywords: Marine littering, microplastic, plastics Einleitung Kunststoffe sind vielseitige Werkstoffe. Seit mehr als 50 Jahren steigt die globale Kunststoffproduktion kontinuierlich an. Im Jahr 2012 lag sie bei 280 Millionen Tonnen, was im Vergleich zum Vorjahr einem Anstieg von 2,8 % entspricht. Kunststoffe besitzen gegenüber anderen Werkstoffen einige vorteilhafte Eigenschaften, sie sind äußerst vielfältig in der Gestaltung, leicht, günstig und weisen eine hohe Stabilität und Resistenz gegenüber Korrosion und Befall von Mikroorganismen auf. Kunststoffe können transparent sein und eine gute Sauerstoff- und Feuchtigkeitsbarriere sowie eine hohe elektrische und thermische Isolation aufweisen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Kunststoffe hervorragend als Verpackungsmaterial. Es ist nicht verwunderlich, dass Kunststoffe andere, traditionelle Verpackungsmaterialien, wie z.b. Glas oder auch Metall verdrängt haben. Der Verpackungssektor ist mit einem Anteil von 39 % auch das größte Anwendungsgebiet der Kunststoffindustrie [1, 2,]. In Bild 1 sind die Anwendungsbiete von Kunststoffen im Jahr 2012 für Europa dargestellt [3].

2 Eine Quantifizierung der Abfälle erfolgt im Allgemeinen durch Untersuchung von Oberflächengewässer mit Netzen. Diese Technik berücksichtigt allerdings nicht die Menge an Kunststoffen im Meer, die aufgrund ihrer Dichte schweben oder sehr tief auf den Meeresgrund absinken. Die spezifische Dichte von Meerwasser beträgt etwa 1,025 g/cm -3. Tabelle 2 gibt eine Übersicht verschiedener Kunststoffe, deren Dichte und typische Anwendungsbeispiele wieder. Wie zu erkennen ist, weisen nicht alle aufgeführten Kunststofftypen eine Dichte auf, die geringer ist, als die des Meerwassers. Es soll an dieser Stelle erwähnt sein, dass gefüllte bzw. modifizierte Kunststoffe tendenziell eine höhere Dichte aufweisen. Dichtere Kunststoffe werden demnach eher im Wasser schweben bzw. sogar absinken. Eine genaue Quantifizierung der Abfälle im Meer ist daher nicht möglich. [2]. Erste Abschätzungen zum weltweiten Gesamtgewicht der Kunststoffabfälle im Meer wurden 2014 von Eriksen et al. veröffentlicht. Deren Studie ergab, dass mindestens 5,25 Billionen Kunststoffpartikel mit einen Gewicht von Tonnen in den Meeren schwimmen. Tabelle 1: Gegenüberstellung möglicher Quellen für Abfälle im Meer [6, 7] Bild 1: Kunststoffeinsatz in Europa für 2012 [3]. Meeresverschmutzung Ursprung und Verbreitung mariner Abfälle In den Medien ist immer häufiger die Rede von Meeresverschmutzung. Neu ist die Thematik allerdings nicht. Bereits in den frühen 1970ern wurde von Kunststoffabfällen im Meer berichtet [2]. Mit Marine Litter wird jede Art von langlebigem, von Menschenhand hergestelltem festen Material bezeichnet, das als Müll in marinen Gebieten anfällt. Die Kenntnis der Quellen und Eintragswege ist wichtig. Grundsätzlich stammen etwa 80 % des Mülls aus Quellen an Land. Ein Großteil wird vom Menschen achtlos in den Küstengebieten oder an Flüssen weggeworfen oder dort verloren. Reifenabrieb gilt als weitere Quelle für Mikropartikel, die aus dem Inland ins Meer gelangen können. Müll kann weite Wege aus dem Inland zurücklegen bevor er durch Flussströmungen, Abwasserkanäle oder Wind an die Küste oder ins Meer gelangt. Ein weiterer Teil wird durch Transport- und Passagierschiffe oder auch Fischerei erzeugt. Etwa 18 % der Meeresabfälle sind auf die Fischereiindustrie zurückzuführen. [4,5,6]. Der Transport von Kunststoffabfällen im Meer wird durch Strömungen, Winde, Tsunamis, aber auch durch die Meeresbewohner selbst (z.b. Aufnahme von Abfällen) transportiert. In Tabelle 1 sind mögliche Eintragungspfade in Abhängigkeit von deren Ursprung gegenübergestellt [6,7]. Quellen Meer-/ Ozeanbasierter Abfälle Handelsschifffahrt, Fähren und Kreuzfahrschiffe Fischerei und Fischzucht Militärflotten und Forschungsschiffe Sportfahrzeuge Offshore Öl- und Gasplattformen Quellen landbasierter Abfälle Kommunale Mülldeponien Industrieanlagen Flussströmungen und Abwasserkanäle, Winde Tourismus Überflutungen Flussverkehr Kunststoffpartikel können durch Wassersäulen suspendiert vorliegen und durch Turbulenzen in Bewegung gehalten werden. Auch nach dem Absinken ist eine Wiederaufwirbelung und Resuspendierung der Partikel möglich. Eine Besiedlung des Kunststoffs durch Organismen, auch als Biofouling bekannt, beeinflusst die Dichte von Kunststoffen. Auf PE-Tüten bildet sich beispielsweise innerhalb von einer Woche ein gut ausgebildeter Biofilm, der während einer Expositionsdauer von 3 Wochen weiter wächst. In der dritten Woche begannen die PE-Tüten unter die Wasseroberfläche zu sinken [2,8]. Tabelle 2: Übersicht verschiedener Kunststofftypen, die häufig in die marine Umgebung eingebracht werden [2] Kunststofftyp Dichte [g/cm 3 ] Anwendungsbeispiel PE-LD 0,91-0,93 Einkaufstüten PE-HD 0,94 Kanister PP 0,85-0,83 Seile PS 1,05 Lebensmittelbehälter PA Netze PET 1,37 Getränkeflaschen PVC 1,38 Gummistiefel CA Zigarettenfilter

3 Wirbel und Strömungen in den Ozeanen sorgen dafür, dass es Bereiche gibt, in denen die Konzentration an Meeresmüll besonders hoch ist. Bezeichnet werden diese Bereiche im Allgemeinen als Müllstrudel (Englisch: garbage patch). Im pazifischen Ozean gibt es zwei dieser Art. Der östliche Müllstrudel (Eastern Garbage Patch), auch bekannt als North Pacific Subtropical High, liegt zwischen Hawaii und Kalifornien. Der westliche Strudel (Western Garbage Patch) liegt vor der japanischen Küste (Bild 2). Wasser kann meist mit einem schlechten Abfallmanagement im jeweiligen Land und an Bord von Schiffen korreliert werden. Durch Winde und Ströme ist ein Transport in andere Gebiete möglich. Trotz gutem Abfallmanagement findet man auch in Deutschland Abfälle in Meer, Seen oder Flüssen. Der deutsche Naturschutzbund sammelt seit August 2012 in Norddeich/Niedersachen Abfälle aus der Ostsee. Die ersten 500 kg der gesammelten Abfälle wurden anschließend in einer Sortieranlage analysiert. Gefunden wurden viele Metalle, aber auch Kunststoffe, Textilien, Holz und Glas. Bild 4 gibt einen Überblick über die Zusammensetzung [3,10]. Bild 2: Veranschaulichung von Müllstrudeln [9]. Man geht davon aus, dass es insgesamt fünf dieser riesigen Müllstrudel gibt neben dem Nordpazifik auch im Südpazifik, im Nord- und Südatlantik und im Indischen Ozean. Aber nicht nur Oberflächenstrudel können dazu führen, dass sich schwimmende Inseln aus Müll bilden. Ein weiterer wichtiger Bereich im Nordpazifik ist die subtropische Konvergenzzone. Dieses Gebiet liegt nördlich von dem hawaiianischen Archipel und ist ein bekanntes Gebiet, in dem die Konzentration des Meeresmülls hoch ist. Zu sehen ist der Strand Kanapou Bay auf der Insel Kahoʹolawe in Hawaii. Aufgrund der Strömungsverhältnisse sammeln sich riesige Mengen an Müll an. Die entfernte Lage macht eine Säuberung schwierig (Bild 3) [9]. Bild 4: Zusammensetzung des gefischten Mülls aus der Ostsee in Gewichtsprozent [3] Mikroplastik - Mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel Derart kleine Kunststoffpartikel sind nicht oder nur kaum zu erkennen. Eine einheitliche Definition in Bezug auf die Größenordnung gibt es nicht. Man findet in der Literatur Angaben von < 5 mm bis hin zu 20 µm (Bild 5). Aufgrund ihrer geringen Größe sind diese Mikropartikel nahezu unsichtbar und um einiges kritischer zu betrachten als herkömmliche Abfälle [11,12]. Bild 5: Mikroplastik, hier: Kunststoffteilchen aus Kosmetikartikeln [13] Bild 3: Strand Kanapou Bay auf der Insel Kahoʹolawe in Hawaii [9]. Müll im Meer stammt vom Festland und gelangt meist ins Meer erst durch Fehlverhalten an Land. Abfall im Man unterscheidet hierbei zwischen zwei verschiedenen Arten. Primäre Mikropartikel werden bereits in mikroskopischer Größe für unterschiedliche Zwecke hergestellt und eingesetzt, z.b. als Schleifmittel. Hierzu gehören Pellets bzw. Granulate (Rohmaterialien) und sog. Microbeads (häufig PE). Hauptsächlich werden diese Mikropartikel in kosmetischen Produkten, sowie in Wasch-, Reinigungs- und Pflegemitteln eingesetzt. Sekundäre Mikropartikel hingegen entste-

4 hen durch Zersetzung und Fragmentierung (infolge von Alterung und mechanischer Zerkleinerung) größerer Kunststoffteile. Sie können entweder direkt oder durch Auswaschung in die marine Umgebung gelangen. Quellen sind Kunststoffabfälle jeglicher Art (z.b. Verpackungen, Spielzeug, Konsumgüter, Baumaterialien, synthetische Chemiefasern aus Kleidungsstücken und sonstigen Textilien, alte Fischernetze, Mulchfolien, Reifenabrieb) [14]. Eines der Probleme besteht darin, dass diese Partikel in Abwasseraufbereitungsanlagen aufgrund ihrer geringen Größe nicht zurückgehalten werden. Eine Quantifizierung in Wasser oder dem Sediment ist äußerst schwierig. Andrady schlägt 2011 einen Mechanismus zur Trennung von Kunststoffen aus Wasser- und Sedimentsproben vor, der eine Isolierung der verschiedenen Größenordnungen (Meso-, Micro- und Nanopartikel) berücksichtigt [2]. Auswirkung von Kunststoffen in marinen Systemen Müll im Meer ist nicht nur ein ästhetisches Problem, sondern es verursacht zudem erhebliche Kosten und kann schwerwiegende Auswirkungen auf Meeresorganismen haben. In ökologischer Hinsicht können Kunststoffe direkt und indirekt auf Organismen wirken. Gut dokumentiert sind die Folgen durch Verheddern, in Netzen oder Folienresten, wodurch die betroffenen Pflanzen und Tiere sterben können. Fische und andere Meerestiere verwechseln Kunststoffartikel zudem mit Nahrung und nehmen diese auf. Die versehentliche Aufnahme kann zu Schädigungen und Irritation des Verdauungstraktes führen. Bleiben die Partikel im Darm zurück, fühlt sich das betroffene Tier durch den Kunststoff gesättigt, als Folge dessen kommt es zu Mangelerscheinungen oder zum Verhungern. Darüberhinaus können schädliche Chemikalien ihren Weg in die Nahrungskette finden. Kunststoffe können migrationsfähige Stoffe enthalten, die schädlich sein können. Sie können aber auch organische Stoffe akkumulieren, wie z.b. sog. persistente organische Stoffe (POP, persistent organic pollutants). Es handelt sich um langlebige, organische Verbindungen, die in der Umwelt nur sehr langsam abgebaut oder umgewandelt werden. Sie sind lipophil und reichern sich im Fettgewebe von Menschen und Tieren an, wodurch sie bioakkumulieren. POPs weisen in der Regel eine große Bandbreite an potenziell toxischen, kanzerogenen, sowie endokrindisruptiven (hormonähnliche) Wirkungen auf. An Kunststoffpartikeln können bis Mal höhere Konzentrationen an PCB auftreten als im Meerwasser selbst [15]. Korallenriffe, Weichsedimente und andere marine Habitate werden beschädigt und zerstört. Durch den Transport von besiedelten Teilchen werden Spezies in andere Gebiete transportiert. Dies könnte das ökologische Gleichgewicht stören. Ökonomisch gesehen verursacht die Meeresverschmutzung erhebliche Kosten für die Beseitigung von Strandabfällen aber auch, um beschädigte Schiffe zu reparieren. Im vereinigten Königreich gaben Kommunen an, dass sie jährlich etwa 18 Millionen Euro für die Reinigung der Strände ausgeben. Im Vordergrund steht die Ästhetik der Strände. Aus sozialer Sicht reduziert Meeresverschmutzung die Ästhetik und den Wert öffentlicher Strände. [2, 6, 8, 16] Meeresverschmutzung Problemstellung und Lösungsansätze Gerade die im Gebrauch vorteilhafte Eigenschaft Beständigkeit, wirkt sich in Bezug auf die Meeresverschmutzung nachteilig aus. Standardkunststoffe wie PP, PE oder PET sind sehr resistent und nicht biologisch abbaubar. Schätzungen zu Folge bleiben die Kunststoffe für mehrere hundert bis tausend Jahre bestehen [16]. Kunststoffe zerfallen in Folge von Alterungsprozessen in kleinere Partikel, bis sie unsichtbar sind (Fragmentierung). Die Fragmentierung läuft im Meer langsamer ab als an Land aufgrund der geringeren Temperaturen. Weisen die Partikel eine Größe kleiner 5 mm auf, werden diese zur Kategorie der sekundären Mikropartikel gezählt. An dieser Stelle soll betont werden, dass keine vollständige Zersetzung in Kohlenstoffdioxid, Wasser, Mineralien und Biomasse (Mineralisierung, Bioabbau) stattfindet. Die Geschwindigkeit der Fragmentierung ist abhängig von mechanischen und chemischen Faktoren sowie von der Intensität der einwirkenden Strahlung, und wie der Kunststoff stabilisiert ist. Die sog. bioabbaubaren Biokunststoffe sind in der Lage vollständig zu zerfallen. Man unterscheidet zwischen biologisch abbaubaren und biobasierten Kunststoffen. Biologisch abbaubare Kunststoffe können, müssen aber nicht zwingend biobasiert sein. Aufgrund immer knapper werdender Ölressourcen nimmt deren Bedeutung in verschiedenen Industriebereichen stetig zu, z.b. in der Verpackungsindustrie und Medizintechnik. Der Abbau ist jedoch nur für subterrane Bedingungen zertifiziert. Die Geschwindigkeit und die Mechanismen des Abbauverhaltens von Biokunststoffen in mariner Umgebung ist bisher noch nicht ausreichend untersucht worden. Dies liegt zum einen daran, dass es bislang noch kein international standardisiertes Testverfahren gibt und zum anderen daran, dass dieser Weg der Entsorgung nicht vorgesehen ist [17]. Trotzdem ist es notwendig Abhilfe zu schaffen. Wenn das Abbauverhalten in mariner Umgebung bekannt ist, könnten Produkte, die ihren Einsatz im Meer haben, gezielt modifiziert und optimiert werden, um so die Meeresverschmutzung möglichst gering zu halten. Auch das Abbauverhalten typischer Wegwerfprodukte ist interessant, da diese schnell unkontrolliert in die Umwelt gelangen können. Anwendung finden könnte dies zum Beispiel in Produkten in den die bereits erwähnten Mikropartikel eingesetzt werden. Diese Mik-

5 ropartikel könnte man durch entsprechende Biokunststoffe ersetzen. Polyhydroxyalkanoate (PHA), und biobasiertes Polybutylensuccinat (PBS), Polymilchsäure (PLA), Chitosan könnten herkömmliche Mikropartikel ersetzen. Großes Potenzial wird den PHA zugesprochen, da diese die nötigen Abbauraten nachgewiesen haben. Ein anderes Einsatzgebiet dieser speziell modifizierten Kunststoffe wäre in anderen kurzlebigen Produkten wie z.b. Verpackungen und Tragetasche denkbar. Allerdings sollte immer die Vermeidung von Abfällen im Meer im Vordergrund stehen. Bedenken, dass dadurch diese Produkte noch sorgloser weggeworfen werden würden, sind allerdings nicht unberechtigt. Die Autoren wollen diesem Problem nachgehen. Im Vordergrund steht die Untersuchung der Auswirkung von herkömmlichen Mikropartikeln und von Mikropartikeln aus Biokunststoff auf aquatische Organismen (in vivo Tests). Dazu wurden Fütterungsversuche und Toxizitätstests durchgeführt. Außerdem wird das Abbauverhalten von PLA/PBAT-Blends in vitro betrachtet. Mit Hilfe eines Modellmediums soll der Magen eines Fisches nachgestellt werden. Weitere Einlagerungen erfolgten in synthetischem Meerwasser unter verschiedenen Bedingungen. Momentan laufen auch Entwicklungsarbeiten an einer Methode zur Bestimmung von Mikropartikeln in Sedimenten. Nachdem die Methode entwickelt und validiert ist, sollen heimische Gewässer in der Region hinsichtlich Mikrokunststoffen untersucht werden. Nachfolgend werden die ersten Ergebnisse der Fütterungsversuche und Toxizitätstests vorgestellt. Experimentelles Werkstoffe und Materialien: Für die Versuche wurden die drei bekannten Biokunststoffe Polylactid (PLA) der Firma NatureWorks (Typ Ingeo 7001D), Polybutylenadipat-Terephthalat (PBAT) der Firma Samsung Fine Chemicals Co. (Typ EnPol PGB7070F) und Polyhydroxybutyrat (PHB) der Firma Metabolix (Typ Mirel P5001) untersucht. Alle drei Biokunststoffe sind biologisch abbaubar und werden als Rohstoffe zur Herstellung von Mikropartikeln eingesetzt. Zum Herstellen der Mikropartikel kamen folgende Chemikalien zum Einsatz: 1,2-Dichlormethan (CH 2 Cl 2 ) (Carl Roth), Polyvinylalkohol (PVA) (Aldrich) und Nilrot (Aldrich). Mikropartikelherstellung: Die Herstellung der Mikropartikel erfolgte über das Emulsionsprinzip (Emulsion- Lösemittel-Verdampfung) (siehe Bild 6). Der Biokunststoff wird in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und unter Rühren in eine wässrige Vorlage mit 0,05 % PVA getropft (Bildung einer Emulsion). Die Emulsion wird solange unter Standardbedingungen gerührt, bis das Lösemittel verdampft ist und sich die Mikropartikel ausgebildet haben. Anschließend wurden die Mikropartikel abfiltriert und über einen Gaze- Filter (10 µm Maschenweite) gesiebt. Bild 6: Prinzip der Mikropartikelherstellung Zur besseren Detektion der Mikropartikel beim späteren Fütterungsversuch wurden diese in einem zweiten Schritt mit einem Farbstoff markiert. Das Prinzip der Markierung ist in Bild 7 dargestellt. Bild 7: Prinzip der Markierung Das Prinzip beruht auf einer Suspensions- Diffusionstechnik. Die zuvor hergestellten Mikropartikel wurden in Wasser gelöst (Suspension). Anschließend erfolgte die Zugabe einer Nilrot-Stammlösung (β Nilrot = 0,2 mg ml -1 ) sodass sich eine 0,01 %ige Färbung, bezogen auf die einzufärbende Masse an Kunststoff, ergibt. Ein Tropfen einer 0,05 %igen PVA- Lösung in Wasser wurde als Benetzungsmittel zugegeben. Die Suspension wurde für eine Stunde im Wasserbad erwärmt. Als Badtemperatur wurde die Glasübergangstemperatur des anzufärbenden Kunststoffs gewählt. Nach dem Abkühlen wurden die angefärbten Partikel abfiltriert, gewaschen und getrocknet [18]. Toxizitätstests an Daphnia magna: Für jede Kunststoffart wurden wässrige Eluate hergestellt. Zur deren Herstellung wurden einmal das Granulat und einmal das hergestellte Mikropulver eingesetzt. Das Verhältnis der Kunststoffgranulate zum Wasser betrug 1:10. Im Fall des Kunststoffpulvers 1:200. Zur Herstellung wurde das Medium Volvic im Schottglas vermischt und 24 Stunden lang auf einem Horizontalschüttler bei 150 U/min und Raumtemperatur geschüttelt. Danach wurde das Granulat über einen 0,45 µm Membranfilter abfiltriert. Das Eluat wurde in eine neue Schottflasche überführt. Pro Versuch wurden 25 Individuen als Stichprobenumfang gewählt. Diese Stichprobe wurde dem Eluat für 24 Stunden bzw. 48 Stunden ausgesetzt. Bestimmt wurde die mittlere Überlebensrate in Prozent.

6 Fütterungsversuche mit Daphnia magna: Die Fütterung der Daphnien erfolgte nach einer 48-stündigen Hungerphase, um sicherzustellen, dass der Darm soweit wie möglich vollständig entleert ist. Die Daphnien wurden anschließend für 24 h dem Kunststoff ausgesetzt. Nach der Exposition erfolgte die Betrachtung und Detektion der Mikropartikel an einer Lupe mit Fluoreszenzanregung der Fa. Leica. Fütterungsversuche mit Daphnia magna: Die Methodenentwicklung zur Durchführung der Fütterungsversuche stand zunächst im Vordergrund. Ziel war es eine geeignete Detektion zum Nachweis der Mikropartikel zu erarbeiten. Die aufgenommenen Mikropartikel können nur schwer in den glasartig durchsichtigen Wasserflöhen erkannt werden, insbesondere wenn der Darm nicht vollständig entleert ist (Bild 10). Ergebnisse und Diskussion Toxizitätstests an Daphnia magna: Toxizitätstests wurden durchgeführt, um zu untersuchen, ob die eingesetzten Biokunststoffe sowie der Farbstoff Nilrot schädlich sind. Die Ergebnisse der Toxizitätstests sind in Bild 8 und Bild 9 dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist weder bei den Eluaten, die aus den Granulaten hergestellt wurden, noch bei den Eluaten, die aus den Mikropulvern hergestellt wurden, nach 24 Stunden ein signifikanter Unterschied zur Kontrolle zuerkennen. Erst nach 48 Stunden können Unterschiede in der Überlebensrate festgestellt werden. Eine Tendenz zur niedrigeren Überlebensrate deutet sich in Bild 8 für das PHB und das PBAT an. Diese Tendenz ist auch in Bild 9 erkennbar, wobei hier die Unterschiede in der Überlebensrate im Vergleich zur Kontrolle noch deutlicher sind. Um zu überprüfen, ob die Unterschiede signifikant sind, wurden ein one-way-anova und ein post-hoc- Test durchgeführt. Die Unterschiede zwischen der Kontrolle und PBAT sind signifikant für die Toxizitätstests unter Verwendung des Mikropulvers. Alle weiteren Unterschiede stellten sich als nicht signifikant heraus. Dies könnte ein Hinweis dafür sein, dass in dem PBAT migrationsfähige Stoffe sind, die in das Medium migrieren, sodass das Eluat einen negativen Einfluss auf die Vitalität der Daphnien hat. Erstaunlich ist zunächst die deutlich höhere Sterblichkeit bei Verwendung des Mikropulvers, obwohl hier die Eluate mit einem deutlich niedrigeren Verhältnis angesetzt wurden. Dieser Effekt könnte auf die größere Oberfläche der Kunststoffpartikel zurückzuführen sein, wodurch die Migration von Stoffen erhöht ist. Um zu überprüfen ob es sich um die Ausgangsprodukte zur Herstellung von PBAT handelt, wurde eine Dünnschichtchromatographie durchgeführt. Als Vergleichsproben wurden 1,4-Butandiol, Adipinsäure und Phthalsäure untersucht. Die Dünnschichtchromatographie hat gezeigt, dass diese Substanzen (v.a. 1,4-Butandiol) nicht verantwortlich für die höhere Sterblichkeit sind. Um welche Art von Stoffen es sich handelt ist zum Zeitpunkt des Redaktionsschlusses nicht bekannt. Hierfür sind weitergehende Analysen wie GC-MS und HPLC erforderlich und angedacht. Bild 8: Toxizitätstest mit D. magna. D. magna wurden Eluate ausgesetzt, die mit den entsprechenden Granulaten hergestellt wurden (Verhältnis 1:10). Bild 9: Toxizitätstest mit D. magna. D. magna wurden Eluate ausgesetzt, die mit den entsprechenden Mikropulvern hergestellt wurden (Verhältnis 1:200). Bild 10: Daphnia magna vor der Exposition mit PLA- Mikropartikeln und danach. 35-fache Vergrößerung. Ein Nachweis der Mikropartikel über die Fluoreszenz schlug ebenfalls fehl. Zwar zeigten die Mikropartikel

7 der Biokunststoffe PLA, PBAT und PHB jeweils eine charakteristische Fluoreszenz doch diese wurde durch die deutlich stärkere Eigenfluoreszenz der Daphnia magna überdeckt. Dieser Effekt ist deutlich in Bild 11 zu erkennen. Rotfilter Im Rahmen der Untersuchungen ist es gelungen, diesen Effekt unter der Fluoreszenz-Lupe zu betrachten. Es konnte ein Video aufgenommen werden, das einen entsprechenden Beweis erbringt. Darin ist zu sehen, dass runde PLA-Partikel ohne Probleme ausgeschieden werden, während die Fragmente keine Bewegung aufweisen. Hellfeld Gelbfilter Gelbfilter UV-Filter Rotfilter UV-Filter Bild 11: Eigenfluoreszenz der Daphnia magna unter Verwendung eines Rot-, Gelb- und UV-Filters. 35- fache Vergrößerung. Daraufhin wurden verschiedene Färbemethoden und Farbstoffe zur Markierung getestet. Als am einfachsten hat sich die im experimentellen Teil beschriebene Methode erwiesen (Anfärbung der Partikel mit Nilrot nach dem Suspensions-Diffusionsprinzip). Durch die Markierung weisen die Mikropartikel eine ausgeprägte Fluoreszenz auf und können so nachgewiesen werden. In Bild 12 sind zur Veranschaulichung die angefärbte PLA-Mikropartikel dargestellt. Durch Übereinanderlagerung der Aufnahmen im Hellfeld und den Aufnahmen bei Verwendung des Rot- und Gelbfilters können die fluoreszenzmarkierten Mikropartikel detektiert werden (siehe Bild 13). Es konnte gezeigt werden, dass die Mikropartikel von den Wasserflöhen Daphnia magna aufgenommen werden. Man erkennt runde PLA-Partikel und PLA-Fragmente. Es liegt die Vermutung nahe, dass die runden Partikel mit hoher Wahrscheinlichkeit ohne größere Probleme durch den Darmtrakt transportiert werden können, während Fragmente vermutlich problematischer sind. Durch die eckige Form können diese eher zu Verletzungen der Daphnien führen bzw. neigen eher dazu sich festzusetzen, was zu einer erleichterten Blockade des Darmtraktes führen kann. Bild 12: Veranschaulichung des Labelings der PLA- Mikropartikel unter Verwendung verschiedener Fluoreszenzfilter. 35-fache Vergrößerung. PLA-Fragment PLA-Fragment PLA-Partikel (rund) Bild 13: Daphnia magna mit fluoreszenzmarkierten PLA-Partikel < 10 µm. 35-fache Vergrößerung.

8 Die Fütterungsversuche haben gezeigt, dass Mikropartikel von der untersten Ebene der Nahrungskette aufgenommen werden und dadurch in höhere Ebenen gelangen können. Welche Auswirkungen dies langfristig auf unser Ökosystem hat, kann noch nicht abgeschätzt werden. Konkretere Aussagen zu nachteiligen Effekten durch die Aufnahme können nicht getroffen werden. Hierzu sind weitere Versuche erforderlich. Es besteht aber die Möglichkeit, dass es langfristig zu negativen Effekten z.b. durch Migration von Additiven oder akkumulierten persistente organische Stoffe kommen kann. Hierzu müssen allerdings weitere Versuche durchgeführt werden, bei denen die Exposition über einen längeren Zeitraum erfolgt. Fazit und Ausblick Es konnte gezeigt werden, dass Organismen, die am Anfang der Nahrungskette stehen, Mikropartikel aufnehmen und diese über die Nahrungsketten und - netze verteilt werden. Inwieweit dies langfristig gesehen, einen negativen Effekt hat, z.b. durch Migration von akkumulierten Schadstoffen ins Fettgewebe, kann nicht abgeschätzt werden. Dazu sind weitergehende Analysen notwendig. Die Toxizitätstest haben gezeigt, dass auch in den Biokunststoffen Substanzen vorhanden sind, die einen negativen Effekt auf Daphnia magna ausüben. Um welche Substanzen es sich handelt und wie schnell diese migrieren, soll zukünftig noch in verschiedenen Medien (Magensaft und Meerwasser) untersucht werden, um potenzielle Gefahren besser abschätzen zu können. Mögliche Stoffe, die problematisch sein könnten sind hauptsächlich Additive, Polymerisationshilfsstoffe, Restmonomere und sog. non-intentionally added substances (NIAS). Unter NIAS werden unbeabsichtigte Verunreinigungen z.b. Abbauprodukte durch Alterung und Rest- Oligomere verstanden. In Zukunft sollen auch weitere Versuche erfolgen, um der Fragestellung des unterschiedlichen Abbauverhaltens in verschiedenen Medien (Bedingungen) nachzugehen. Literatur [1] N.N., Plastics - the Facts 2013: An analysis of European latest plastics production, demand and waste data, PlasticsEuorpe, Brüssel, (2013) [2] ANDRADY, A. L.: Microplastics in the marine environment, Marine Pollution Bulletin, 62, (2011), [3] BONTEN, C.: Kunststofftechnik, Carl Hanser Verlag, München, (2014) [4] COOPER, D. A.; CORCORAN, P. L.: Effects of mechanical and chemical processes on the degradation of plastic beach debris on the island of Kauai, Hawaii, Marine Pollution Bulletin, 60, (2010), [5] UNITED NATIONS ENVIRONMENT PROGRAM, Marine Litter An analytical overview, UNEP, Nairobi, Kenya, (2005) [6] UMWELTBUNDESAMT, Müll im Meer, Available: r/gewaesser/meere/nutzung-belastungen/muellim-meer [Zugriff am ] [7] UNEP, United Nations Environment Program, [Online], Available: bout/sources/default.asp [Zugriff am ] [8] WRIGHT, S. I.; THOMPSON, R. C.; GALLOWAY, T. S.: Review The physical impacts of microplastics on marine organisms, Environmental Pollution, 178, (2013), [9] NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration, 28. November [Online] Available: [Zugriff am [10] NABU, 3 August [Online]. Available: themen/meere/plastik/fishingforlitter/. [Zugriff am 14. November 2014]. [11] BETTS, K.: Why small plastic particles may pose a big problem in the oceans, Environmental Science & Technology, American Chemical Society, December 15, (2008), 8995 [12] HIDALGO-RUZ, V.; GUTOW, L.; THOMPSON, R. C.; THIEL, M.: Microplastics in the Marine Environment: A Review of the Methdos Used for Identification and Quantification, Environmental Science & Technology, 46, (2012), [13] ZIEBARTH, N.: Mikroplastik: Die unsichtbare Gefahr, Der BUND-Einkaufsratgeber, Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e.v., Berlin, (2014) [14] CARUS, M.: Vermeidung, Management und Substitution schwer abbaubarer Kunststoffpartikel Option Biokunststoffe?, nova-institut GmbH, Hürth, Konferenz - Mikroplastik in der Umwelt: Quellen, Folgen und Lösungen, Nürnberg, (2014) [15] ENGLER, R. E.: The Complex Interaction between Marine Debris and Toxic Chemicals in the Ocean, Environmental Science & Technology, 46, (2012), [16] MÜLLER, C.; TOWNSEND, K.; MATSCHULLAT, J: Experimental degradation of polymer shopping bags (standard and degradable plastic, and biodegradable) in the gastrointestinal fluids of sea turtles, Science of the Total Environment, 416, (2012), [17] TOSIN, M.; WEBER, M.; SIOTTO, M.; LOTT, C.; INNOCENTI, F. D.: Laboratory test methods to determine the degradation of plastics in marine environmental conditions, Frontiers in Microbiology, Technology report, 3, (2012), 225 [18] Persönliche Mitteilung, Prof. Dr. G. Schulz, Fakultät Angewandte Chemie, Hochschule Reutlingen,