Gifitigkeit und Verwitterung

Zusatzstoffe von Plastik in Küstengewässern

Um seine Eigenschaften zu verbessern, werden dem Rohstoff Erdöl, aus dem Plastik gewonnen wird, Zusatzstoffe hinzugefügt. Die sogenannten Additive gelangen erst bei der Verwitterung ins Wasser.

Auch wenn Plastik bereits vergleichsweise verwitterungsbeständig ist, sucht die Industrie nach Wegen, die Eigenschaften der Plastikprodukte immer weiter zu verbessern. Möglichst langlebig und gut formbar soll es sein, dem Verwendungszweck entsprechend maßgeschneiderte Eigenschaften haben, dabei wärmebeständig und es soll sich nicht entflammen. Im Idealfall reagiert es auch nicht mit den darin aufbewahrten Lebensmitteln. Prof. Dr. Ralf Ebinghaus ist Leiter der Abteilung Umweltchemie des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) und forscht u.a. zu diesen anthropogenen Schadstoffen in küstennahen Ökosystemen. Im Folgenden ein Einblick in die Forschung.

UV-Stabilisatoren, Antioxidantien und UV-Filter

UV-absorbierende Substanzen im Produkt sollen den Zerfall verzögern, denn Sonnenlicht ist der wichtigste Motor der Verwitterung von Plastik. Gleichzeitig werden Lebensmittel durch die Materialeigenschaften besser konserviert. Zu den Plastik-Additiven, die sich in der küstennahen und marinen Umwelt wiederfinden können, zählen sogenannte UV-Stabilisatoren, Antioxidantien und UV-Filter. Generell setzen diese Additive die UV-Absorption des lichtabsorbierenden, farbgebenen Molekülteils, den sogenannten chromophoren Gruppen, im Produkt herab.

UV-Stabilisatoren und Antioxidantien verhindern, dass das Plastikmaterial mit Sauerstoff reagiert und so schneller verwittert bzw. mit dem Lebensmittel reagiert. UV-Filter hingegen werden vornehmlich in Kosmetikprodukten wie zum Beispiel Sonnenschutzcremes eingesetzt und sollen daher hier nicht näher betrachtet werden. Die Arbeit des HZG-Teams um Prof. Dr. Ralf Ebinghaus besteht darin, diese Substanzen in marinen Sedimenten zu quantifizieren, sowie Quellen und Verteilungswege zu identifizieren.

Eine wichtige Klasse von UV‑Stabilisatoren im Plastik sind Phenol-Benzotriazole. Sie neigen zur Anreicherung in der Nahrungskette (Bioakkumulation) und lagern sich tendenziell leicht an anderen Substanzen oder Materialien, so potentiell auch an Mikroplastik, an (Sorption). Diese Klasse von UV-Stabilisatoren weist größtenteils hohe Oktanol/Wasser‑Verteilungskoeffizienten auf (kalkulierte logKow > 5). Der Verteilungskoeffizient ist ein Modellmaß für die Oktanol-/Wasserlöslichkeit der Chemikalie und zeigt die Tendenz eines Stoffes an, sich z.B. im Fettgewebe von Organismen anzureichern. Ein wichtiges Indiz für das Umweltverhalten von Schadstoffen. Im Labor durchgeführte Abbaustudien deuten auf eine hohe Stabilität und Lebensdauer in Sedimenten hin.

Daten zum Vorkommen von Phenol-Benzotriazolen in Umweltmatrizes sind spärlich. Weltweit wurden sie in Zu- und Abläufen sowie in Schlämmen von Kläranlagen nachgewiesen, Daten aus der Meeresumwelt hingegen liegen kaum vor. In zwei neuen Studien berichten Christina Apel und weitere Forscher des HZG bzw. UFZ über das Vorkommen und die Verteilung von organischen UV‑Stabilisatoren und UV‑Filtern in Sedimenten europäischer Flussmündungen sowie über das Vorkommen von 16 UV-Stabilisatoren in Sedimenten der Bohai See und dem Gelben Meer in China mit Konzentrationen von bis zu 25 Mikrogramm pro Kilogramm Sediment. Die höchsten Konzentrationen in Europa wurden in den Mündungen der industriell geprägten Flüsse Schelde und Rhein nachgewiesen.

Viele UV-Stabilisatoren haben ein nachgewiesenes endokrines Potential, d.h. sie können auf das Hormonsystem einwirken. Des Weiteren gibt es Hinweise, dass einige UV-Filter zum Ausbleichen von Korallenriffen beitragen können.

  • Viele UV-Stabilisatoren können auf das Hormonsystem einwirken
  • Das Additiv 'Dechloran Plus', ein Flammschutzmittel aber auch Insektizid, lässt sich weltweit im Meer nachweisen
  • 'Dechloran Plus' findet sich in der Deutschen Bucht, obwohl es nie in Europa produziert wurde
FAQ - Wichtige Fragen und Antworten zu Plastik und Mikroplastik im Meer

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Grafik: AWI/Martin Künsting/CC BY 4.0

Wie kommt der Müll ins Meer? Es gibt etliche Eintragswege, die nicht so bekannt sind wie beispielsweise Folien aus der Landwirtschaft, Reifenabrieb oder der Einsatz von Mikroplastik in der Sandstrahltechnik beim Schiffsbau.

Flammschutzmittel und Weichmacher für Plastik

Um die Entflammbarkeit von Plastikprodukten aller Art herabzusetzen, werden sogenannte Flammschutzmittel beigesetzt. Die Idee dahinter ist, dass durch chemische und physikalische Interaktionen der Verbrennungsprozess in den verschiedenen Phasen unterbrochen oder zumindest verlangsamt wird. Die global pro Jahr eingesetzte Menge an Flammschutzmitteln wird auf circa 2 Millionen Tonnen geschätzt. Sie werden dem Plastik nur beigemischt, sind somit chemisch nicht fest gebunden, sondern entweichen leicht in die Umwelt.

Eine aus Umweltsicht besonders problematische Substanzgruppe sind die bromierten Flammschutzmittel, insbesondere Polybromierte Diphenylether, PBDEs. Deren Verwendung ist aufgrund ihrer problematischen Eigenschaften inzwischen international stark reguliert („Stockholm Konvention“). Da der Bedarf an Flammschutzmitteln aber weiterhin vorhanden ist und wahrscheinlich sogar steigt, sucht die Industrie nach Alternativen, also in der Regel nach bislang nicht verbotenen Ersatzstoffen.

Ein Beispiel ist das Dechloran Plus, ein 12-fach chlorierter zyklischer Kohlenwasserstoff. Diese Substanz wurde als Ersatzstoff für ein verbotenes Insektizid („Mirex“) entwickelt und wird heutzutage auch als alternatives Flammschutzmittel eingesetzt. Dechloran Plus lässt sich weltweit nachweisen, in der Atmosphäre, im Meerwasser, in Sedimenten und in (marinen) Lebewesen, wie beispielsweise dem Aal, einer gefährdeten Art.

Bemerkenswert ist auch, dass Dechloran Plus in Sedimenten der Deutschen Bucht, nach BDE-209 (Decabromdiphenylether), das zweithäufigste Flammschutzmittel ist, obwohl es niemals in Deutschland oder Europa hergestellt worden ist. Eine weitere Alternative für verbotene Flammschutzmittel sind die Phosphorsäure-Ester. Phosphorsäure-Ester werden seit Jahrzehnten in Plastik verwendet. Sie dienen gleichzeitig auch als Weichmacher. Phosphorsäure-Ester wurden bereits in küstennahen Gebieten im Meerwasser und in der Atmosphäre gefunden, aber auch in der Arktis oder Antarktis.

Am AWI in Bremerhaven beschäftigen sich die Biologen Dr. Melanie Bergmann und Dr. Lars Gutow intensiv mit der Vermüllung der Meere und den Folgen. Im Resonator Podcast der Helmholtz Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren äußern sich die Experten zu Mikro- und Nanoplastik, Plastik in der Nahrungskette, gesundheitsbedenklichen Substanzen wie Flammschutzmitteln sowie hormonartigen Stoffen.

Quellen

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Lesetipp