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Makro-, Mikro- und Nanoplastik: Wie die Chemikerin Alexandra ter Halle winzigem Müll auf der Spur ist

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Die Chemikerin Alexandra ter Halle hat diese Forschungsarbeit geleitet. Sie arbeitet an der Paul-Sabatier-Universität in Toulouse, wo ich sie im Juni 2018 kennengelernt und im Labor besucht habe.

Ihre Kühltruhe dort quoll über mit Tüten voller bunter Plastikteile, die neben eingefrorenen Fischen lagerten. Ter Halles Müllfunde stammen aus dem Nordatlantik von der „Expedition zum siebten Kontinent“, wie die Forscher ihre Fahrt getauft hatten. Dort fanden sie das „Makroplastik“, einige Zentimeter große Teile, noch gut zu erkennen. Viele davon waren einmal Verpackungen oder Behälter für Lebensmittel.

Ter Halle zeigte mir die Reste einer Kaffeedose aus den USA. Die Sonne hatte das Rot des Behälters, auf dem der Markenname noch erkennbar war, zu einem Pink ausgebleicht. Pink mit einem Grünschimmer.

Chemikerin Alexandra ter Halle ist winzigem Müll auf der Spur: Mit ihrem Team wies sie als Erste Nanoplastik im Meer nach.
© Cyril Frésillon / IMRCP / CNRS Photo Library

Anja Krieger: Ist da etwas auf dem Plastikstück gewachsen?

Alexandra ter Halle: Ja, wir untersuchen die Mikroorganismen auf dem Plastik und versuchen zu verstehen, welche Art von Leben sich dort entwickelt. Es unterscheidet sich in seiner Zusammensetzung tatsächlich sehr von dem, was sonst im Meer lebt. Als Chemikerin interessiert mich besonders, ob es Wechselwirkungen zwischen dem Kunststoff und den Organismen gibt – ob der Typ des Kunststoffs die Zusammensetzung des Biofilms beeinflusst. Und wir haben festgestellt, dass es tatsächlich einige Unterschiede gibt. Aber wieso, verstehen wir zurzeit noch nicht wirklich.

Anja Krieger: Wie viele Arten von Plastik haben Sie bisher gefunden?

Ter Halle: Es gibt sechs wichtige Arten von Kunststoffen auf der Welt – Polyethylen von hoher und von niedriger Dichte, Polystyrol oder Styropor, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, kurz PVC, und Polypropylen. Auf dem offenen Meer treiben die Sorten, die weniger dicht sind als das Meerwasser, auf der Oberfläche. Das sind Polyethylen, Polypropylen und Styropor. Aber tatsächlich ist es meist Polyethylen. Ich vermute, es liegt daran, dass Polypropylen und Styropor schneller zerfallen.

Sechs Kunststoffe dominieren den Plastikmüll im Meer

.

Wie kann ich das Plastik denn genau erkennen? Es gibt ja diese Zahlen, diese Recyclingnummern auf den Packungen...

Ter Halle (lacht): Oh, nach diesen Nummern dürfen Sie mich nicht fragen! Das kann ich nicht sagen. Also, Getränkeflaschen sind aus Polyethylenterephthalat, also aus PET. Behälter für Shampoos oder Fruchtsaft, manchmal auch für Kaffee oder Pralinen sind aus Polyethylen. Und wenn der Inhalt fettig ist, zum Beispiel bei Butter, dann ist es Polypropylen. Mit ein wenig Erfahrung weiß man, welche Kunststoffe für welche Anwendungen geeignet sind. Expandiertes Polystyrol, also Styropor, wird viel für Lebensmittel verwendet, für Fleisch oder ähnliches. Und wenn Sie auf der Straße essen gehen, wird das Essen auch oft auf Styropor serviert. 

Bei den großen Stücken, dem Makromüll, ist die Identifizierung einfach. Man kann sie sehen, anfassen und ausmessen. Diese Fundstücke helfen uns zu verstehen, wie UV-Licht Kunststoff umwandelt und wie äußere Belastungen ihn verändern. Das gibt Hinweise auf die Struktur der kleineren Teilchen, die wir suchen, die vom ursprünglichen Kunststoff abgelöst worden sind.

Aus welcher Gegend des Nordatlantiks sind diese Teile denn genau?

Ter Halle: Aus der Sargassosee. Es war wichtig an diesen symbolträchtigen Ort zu fahren, wo sich das Plastik sammelt. Aber mittlerweile wissen wir, dass jeder Ort auf der Erde verschmutzt ist.

Die Sargassosee ist ein großes Meeresgebiet im Westen und Zentrum des Nordatlantiks.

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Diese alte Kaffeedose fand Alexandra ter Halle im Ozean. Über den Markennamen konnte sie das Produkt identifizieren.
Vinci Sato / Expedition 7th Continent

In die Mitte des Ozeans zu gehen war für mich als Chemikerin auch deshalb wichtig, weil es im offenen Ozean wenig organisches Material gibt. Es treibt kein Sand oder Schlamm im Wasser. Diese ersten Proben waren für mich ein guter, leichter Start, weil es dort kaum Wechselwirkungen mit organischen Stoffen gibt.

Aber wir wissen jetzt auch, dass das allermeiste Plastik über die Flüsse in den Ozean gelangt. Und in einem Fluss ist es viel komplizierter, das Plastik von anderem, organischen Material zu trennen – da gibt es altes Laub, Aststücke und alles mögliche. Ich zeig dir mal eine Probe von letzter Woche, die sieht nicht sehr schön aus.

Das sieht aus wie Schlamm. 

Ter Halle: Ja. Am Anfang haben wir einen großen Haufen Schlamm. Wir bearbeiten das in 15 bis 20 Schritten. Und am Ende haben wir diesen Filter hier, auf dem kleine Partikel zu sehen sind. Ich kann das Gefäß nur ganz kurz aufmachen, um die Probe nicht zu kontaminieren.

Mikroplastik: So groß wie der Durchmesser eines Haars

Ich sehe kaum etwas. 

Ter Halle: Das sind mikrometrische Partikel. Winzige Plastikstücke aus der Garonne, dem Fluss, der durch Toulouse fließt. Sie haben denselben Durchmesser wie ein Haar. Um diese Teilchen zu analysieren, kombinieren wir zwei Techniken, Mikroskopie und Spektroskopie. Die Mikroskopie zeigt uns die Größe und die Form, und die Spektroskopie die Art der Teilchen.

Wir wollen ja sicher sein, dass wir, wenn wir die Verschmutzung im Fluss zählen, keine Sandpartikel oder organischen Bestandteile mitzählen. Durch eine Analyse des Materials stellen wir sicher, dass alle Partikel, die wir zählen, aus Kunststoff sind. Und ermitteln, was für eine Art von Plastik das ist. 

Ah, in der anderen Petrischale kann ich sie besser sehen. Sie sind wie winzig kleine schwarze.... nicht einmal Punkte. Es ist wie ein Pulver. 

Ter Halle: Ja. Der Kunststoff auf diesen Filtern besteht aus winzigen Partikeln aus Polyethylen, Polypropylen, PVC, PET, Polystyrol. Und es könnte auch eine andere Art von Kunststoff mit drin sein, wie Lackpartikel oder Staub von Reifen. Aber die sind wirklich schwer zu erkennen, und ich muss noch weiter forschen, um sie sicher zu identifizieren.

Die Forscher sammelten Proben in der Garonne, dem Fluss, der durch Toulouse fließt.
Vinci Sato / Expedition 7th Continent

Wie Plastik durch die Nahrungskette wandert

Was planen Sie als nächstes, nach dieser Analyse? 

Ter Halle: Wir wollen verstehen, was über den Verlauf eines Jahres vor sich geht. Gibt es zu bestimmten Zeiten mehr Plastik als sonst, vielleicht im Zusammenhang mit Regenfällen oder so? Außerdem arbeite ich mit einem auf Ökologie spezialisierten Biologen zusammen. Wir werden den Weg des Kunststoffs durch die Nahrungskette untersuchen, von den Makroinvertebraten, den großen wirbellosen Tieren, bis zu den Fischen im Fluss. Wir betrachten alle Ebenen und schauen, ob es eine Übertragung von Plastik im Nahrungsnetz des Flusses gibt. 

Und wie machen Sie das? 

Ter Halle: Wir werden diese Tiere fangen und ihren Magen-Darm-Trakt analysieren. 

Sind diese pulverartigen Plastikpartikel denn die kleinsten Teile, die Sie finden? 

Ter Halle: Nein. Das sind die Mikros, und wir verfolgen auch die Nanos, die sind tausendmal kleiner als die hier. 

Die können Sie mir vermutlich nicht zeigen? 

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Ter Halle (lacht): Nein, die kann ich Ihnen nicht zeigen. Im Jahr 2016 haben wir Mikroplastik aus dem offenen Meer gefischt und mit ins Labor genommen. Dort konnten wir zeigen, dass aus Mikropartikeln unter Belastung Nanopartikel entstehen können. Das war also der erste Schritt.

Und im letzten Jahr, also 2017, haben wir dann eine Studie veröffentlicht, die den ersten Nachweis erbrachte, dass Nanoplastik im der Natur vorkommt. Die Proben kamen auch aus der Sargassosee im Nordatlantik. Wir haben dort Meerwasser gesammelt und es mehr als tausendfach konzentriert. Dann konnten wir darin Partikel erkennen und ihre Größe einschätzen. Wir stellten fest, dass sie nanometrisch sind, im Nanometerbereich.

Die Forscher fanden Plastik, klein wie ein Virus

Doch das war nicht genug, um sie als Plastik zu identifizieren. Deshalb haben wir den chemischen Fingerabdruck dieser nanometrischen Objekte genommen, über eine sogenannte massenspektrometrische Analyse. Das war der Nachweis, dass sie aus Kunststoff waren.

Alexandra ter Halle führt mich aus dem Labor zurück in ihr Büro. Sie will mir zeigen, wie die Nanopartikel aussehen. An ihrer Wand hängt ein Plakat, auf dem eine schwarz-weiße Abbildung dunkle runde Formen zeigt.

Nanoplastik in der Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops: Den winzigen Müll zu finden ist eine Herausforderung.
J. Gigault, B. Pedrono, B. Maxit and A. ter Halle (2016): Marine plastic litters: the unanalyzed nano-fraction. In Environ. Sci.: Nano.

Ter Halle: Das ist das Nanoplastik, das wir unter natürlichen Bedingungen im Labor hergestellt haben. Das Bild wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop gemacht. Sehen Sie diese kleinen Punkte? Wir haben ein paar kleinere und größere im nanometrischen Bereich. Sie haben verschiedene Arten von Formen und einige hängen aneinander. 

Wie klein sind denn diese nanometrischen Partikel, ist das mit etwas anderem in der Natur zu vergleichen?

Ter Halle: Mit Viren. Ja, Nanoplastik ist so groß wie ein Virus. 

So winzig wie ein Virus!

Ter Halle: Genau. 

„Zweifellos anders als der zugrundeliegende Kunststoff“

Und sind das dann immer noch Polymere? 

Ter Halle: Wissen Sie was, das frage ich mich auch! Ein Polymer, das ist eine lange Kette, ein sehr langes Molekül aus Kohlenstoff und Wasserstoff und Sauerstoff. Die Witterung und das UV-Licht der Sonne zerlegen es in immer kleinere Stücke. Ich frage mich deshalb, ob das Polymer-Grundgerüst in diesen Nanopartikeln immer noch so lang ist wie im Originalplastik, oder ob es kürzer wird. Sind das Oligomere? Dieses Material ist zweifellos anders als der zugrundeliegende Kunststoff. 

Was würde das bedeuten, und welche Auswirkungen hätte das, wenn es sich noch um Polymere handelt oder eben nicht mehr? 

Ter Halle: Das hat aus biologischer Sicht wichtige Implikationen. Ein sehr langes Molekül interagiert anders mit Lebewesen, Zellen oder Mikroorganismen als ein kürzeres Molekül. Wenn wir zeigen, dass der Polymer modifiziert wird, dann muss das in die Standards ökotoxikologischer Bewertungen einfließen. Aber es ist sehr schwierig, dieses Nanoplastik in der Natur zu sammeln oder im Labor herzustellen. Wir arbeiten daran. Es wird noch ein paar Jahre dauern, bis wir unsere Ergebnisse präsentieren können. 

Nanoplastik: Die Risiken sind kaum erforscht

Und haben wir schon eine Ahnung, wie viel Nanoplastik es da draußen im Ozean gibt? 

Ter Halle: Nein. Wir konnten es zwar über die Massenspektrometrie nachweisen. Aber im Moment sind wir noch nicht in der Lage, das Nanoplastik quantitativ zu erfassen. Wir wissen also nicht, wie viel es gibt. 

Was könnte dieses Nanoplastik für mögliche Risiken mit sich bringen, für uns und die Umwelt?

Ter Halle: Wir fragen uns, ob es in den Körper eindringen kann. Es gibt jetzt einige neue Studien, die einen Transfer belegen. Und es gab eine Studie, die zeigt, dass diese nanoplastischen Materialien in die Nahrung wandern können. 

In unsere Nahrung?

Ter Halle: Die Studie mit der Nahrungsübertragung wurde mit Algen, wirbellosen Tieren und und zwei Fischarten durchgeführt. Da hat sich gezeigt, dass es über diese Arten einen Transfer gibt. Die Algen wuchsen in Gegenwart des Nanoplastik. Die wirbellosen Tiere aßen diese Algen und wurden wiederum von den Fischen gefressen.

Das Experiment, von dem ter Halle hier berichtet, führte Yooeun Chae mit Kolleg*innen an Grünalgen, großen Wasserflöhen, Reiskärpflingen und dem Fisch Zacco temminckii durch. Sie setzten Pflanzen und Tiere hohen Konzentrationen an Polystyrol aus, die sie dann in den Mägen der Fische wiederfanden. Außerdem durchdrang das Nanoplastik die Embryonenwände und befand sich im Dottersack von geschlüpften Jungtieren. In einer Studie von Karin Mattson und Kolleg*innen war zuvor gezeigt worden, dass Nanoplastik die Blut-Hirn-Schranke von Fischen überwinden kann.

Nanoplastik könnte also in den Körper und in die Nahrungskette eindringen. Gibt es weitere Befürchtungen?

Ter Halle: Wir untersuchen, ob das Konsequenzen für die Organismen hat. Dafür machen wir ökotoxikologische Tests mit unseren Kollegen im Toulouser Ecolab. Und wir fragen uns, ob es genotoxische Effekte gibt, oder Veränderungen in der Mortalität oder im Verhalten der Tiere. Wir forschen in all diese Richtungen. 

Genotoxisch, was würde das denn bedeuten? Dass das Nanoplastik das Erbgut verändert?

Ter Halle: Ja, unsere Kollegen schauen sich die Gene der Tiere an. Sie untersuchen spezielle Tiere und schauen, ob bei einer Wechselwirkung mit der DNA kleine Punkte zu sehen sind, die sie dann mit dem Mikroskop erkennen können. So können sie sehen, ob es einen genotoxischen Effekt bei den Tieren gibt. 

(Auf Nachfrage erklärte mir ter Halle, welche Tiere das sind: Kieselalgen und Cyanobakterien. Sie werden mit den sogenannten automatisierten Mikronukleus-Tests untersucht.)

Eine letzte Frage, weil Sie Chemikerin sind, und ich mich das schon immer gefragt habe: Was macht Kunststoffe im Vergleich zu natürlichen Polymeren eigentlich so besonders?

Ter Halle: Kunststoffe haben im Gegensatz zu natürlichen Polymeren eine lange Lebensdauer. Sie sind nicht biologisch abbaubar. Diese Beständigkeit des Kunststoffs ist sehr nützlich, so können wir Lebensmittel oder Flüssigkeiten für lange Zeit aufbewahren. Ich denke, wenn wir das Plastikmüll-Problem lösen wollen, müssen wir verhindern, dass der Kunststoff in die Umgebung gelangt. Wir müssen ihn einsammeln, recyceln und die Mülldeponien abschaffen.

Vielen Dank für die Laborbesichtigung, Alexandra ter Halle! 

Ter Halle: Ich danke Ihnen!

Das Interview ist eine gestraffte, stilistisch überarbeitete Übersetzung des Audio-Podcasts. Ich habe einzelne Sätze gegenüber dem Wortlaut umgestellt und einige Fragen und Antworten leicht verändert oder ergänzt.


Mehr zum Thema

Video-Dokumentation zur Forschungsexpedition zum "siebten Kontinent" auf Französisch:

Die wissenschaftlichen Arbeiten von Alexandra ter Halle und Kolleg*innen zum Nachlesen:

Studien, die im Interview noch erwähnt werden:

Weiterführende Links (auf Französisch)

Ich danke Melanie Bergmann vom Alfred-Wegener-Institut für die Links zum Thema Nanoplastik.

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