Beat the Micro Bead: Eine Weckruf für den Umweltschutz

Neue Forschungsergebnisse, die sich auf die Anreicherung von Mikro- und Nanoplastik in porösen Materialien wie Meereis konzentrieren, offenbaren alarmierende Erkenntnisse über die Verbreitung und potenziellen Auswirkungen von Plastikverschmutzung in arktischen Ökosystemen.

von Sina Ruhwedel | 05.04.24

ETH-Fellow Alice Pradel in der Kältekammer: Hier erzeugt sie in mit Meerwasser gefüllten Säulen Eiskerne, um den Transport von Mikro- und Nanoplastik im Eis zu untersuchen.

Quelle: Michel Büchel / ETH Zürich

Forschung & Entwicklung

05. April 2024 Ι Die Initiative „Beat the Micro Bead“ wurde 2012 ins Leben gerufen, um den Einsatz von Mikroplastik in Kosmetikprodukten zu bekämpfen und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit zu reduzieren. Nun offenbaren neue Forschungsergebnisse, die sich auf die Anreicherung von Mikro- und Nanoplastik in porösen Materialien wie Meereis konzentrieren, alarmierende Erkenntnisse über die Verbreitung und potenziellen Auswirkungen von Plastikverschmutzung in arktischen Ökosystemen.

Alice Pradel, eine junge Umweltwissenschaftlerin, betrachtete diese Kampagne als dringenden Appell zum Handeln. Sie war schockiert darüber, wie leichtfertig wir Chemikalien in die Umwelt entlassen, ohne uns um die Folgen zu kümmern. Zu dieser Zeit machten auch Bilder des „Great Pacific garbage patch“ die Runde, ein riesiger Müllteppich im Pazifik, der hauptsächlich aus Plastikabfällen besteht und als Symbol für den übermäßigen Plastikkonsum der Menschheit gilt.

Die globale Plastikkrise: Ausmaß und Herausforderungen

Im Jahr 2020 wurden weltweit etwa 400 Millionen Tonnen Plastik produziert, von denen nur neun Prozent recycelt wurden, 12 Prozent verbrannt wurden und der Rest auf Mülldeponien, in der Umwelt oder im Meer landete.

«Mich fasziniert an den Umweltwissenschaften, dass ich die Möglichkeit habe, laufend mehr über unsere Beziehung zur Umwelt zu lernen», sagt Pradel. «Sich um die Erde zu sorgen, bedeutet für mich auch, sie besser zu verstehen.»

Während ihres Masterstudiums an der Universität Rennes in Nordwestfrankreich spezialisierte sich Alice Pradel darauf, die Anreicherung verschiedener Chemikalien, wie beispielsweise Pestizide, in Böden und anderen porösen Materialien zu untersuchen. Im Jahr 2018 nahm sie an einer Vorlesung von Julien Gigault teil, einem Chemiker am französischen Forschungszentrum CNRS. Dort erörterte er den Studierenden, wie Plastik in der Umwelt durch biotische und abiotische Prozesse in immer kleinere Partikel zerfällt und dabei neue Eigenschaften entwickelt. Die Erkenntnis, dass diese Partikel durch diesen Prozess in alle ökologischen Systeme gelangen können, faszinierte und schockierte Pradel gleichermaßen.

Die unsichtbare Gefahr im arktischen Eis

achdem sie bei Gigault ihre Doktorarbeit begonnen hatte, widmete sich Alice Pradel der Frage, wie und wo sich Mikro- und Nanoplastik in porösen Materialien anreichert. Zu ihrer Überraschung entdeckte sie gegen Ende ihrer Forschung, dass im arktischen Meereis beträchtliche Mengen an Mikroplastik vorhanden waren, wie kürzlich durch Studien bestätigt wurde. Sie erkannte, dass Eis ebenfalls hochporös ist, mit Bereichen höherer und geringerer Dichte sowie mikroskopisch kleinen Salzwasserflüssen zwischen den Eiskristallen. Dieser ständige Austausch zwischen Meerwasser und Eis weckte ihr Interesse. Pradel betonte, dass die Ablagerung von Mikro- und Nanopartikeln zwischen den Eiskristallen problematisch sei, da dies die optimalen Lebensräume für Mikroalgen seien. Andere Forscher hatten bereits gezeigt, dass diese Algen toxische Plastikzusatzstoffe aufnehmen und in die arktische Nahrungskette gelangen können.

Eine Studie aus dem Jahr 2018 ergab zudem, dass die kleinsten Mikroplastikpartikel am häufigsten im Meereis vorkommen. Während Mikroplastik gemäß der Definition kleiner als fünf Zentimeter ist, gilt Nanoplastik als noch kleiner, oft weniger als ein Mikrometer. Forscher stoßen bei Mikroplastikpartikeln, die kleiner als zehn Mikrometer sind, jedoch an analytische Grenzen, was darauf hindeutet, dass der größte Teil des Plastiks im Meereseis weder sichtbar noch genau messbar ist.

Einblick in die Anreicherung von Mikroplastik

Während ihrer Doktorarbeit entwickelte die Forscherin ein Laborverfahren, um Meereis unter kontrollierten Bedingungen im Labor zu züchten. Seit April 2022 führt Pradel ihre Experimente im Rahmen eines ETH Postdoctoral Fellowships am Departement für Umweltnaturwissenschaften der ETH Zürich durch. Dabei wird Meerwasser in einer Glassäule mit einem Temperaturgradienten von 1 °C (unten) bis -5 °C (oben) gekühlt. Innerhalb von 19 Stunden bildet sich ein etwa zehn Zentimeter dicker Eiskern am oberen Ende. Wenn dem Meerwasser zu Beginn Mikro- und Nanoplastikpartikel zugesetzt werden, ermöglicht dies Pradel, den Weg der Partikel vom Wasser ins Eis und deren Einlagerung nachzuverfolgen.

Pradel forscht derzeit in der Gruppe von Professorin Denise Mitrano, die sie auf einer Konferenz kennengelernt hatte. Mitrano und ihre Gruppe untersuchen anthropogene Partikel und deren Auswirkungen auf die Umwelt und die Toxizität. Sie haben fortschrittliche Analysemethoden entwickelt, mit denen Mikro- und Nanoplastik genauer gemessen werden können. Diese Ergänzungen haben Pradels Forschung optimal unterstützt. Ein zentrales Problem bei der Quantifizierung von Mikro- und Nanoplastik besteht darin, den Kohlenstoff von natürlichen Materialien wie Algen von dem in Plastik zu unterscheiden. Um dieses Problem zu umgehen, verwenden die Forscherinnen anorganische Tracer, die als Stellvertreter für die Kunststoffe dienen. Durch diese Tracer können sie die Kunststoffpartikel im Eis effektiv mit Standardmethoden der Umweltanalytik, einschließlich der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, messen.

Analyse der Mikroplastik-Anreicherung im Eis

Für ihre Analysen arbeitet Pradel eng mit Forschenden der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) zusammen. Im WSL-Labor in Davos verwendet sie Eis-Tomografen, um ihre Eiskerne bei -15 °C zu untersuchen. Die daraus resultierenden Bilder liefern wichtige Informationen über die Porosität und Struktur des Eises, was Aufschluss darüber gibt, wo sich Mikro- und Nanoplastikpartikel anreichern könnten.

Die laufenden Experimente deuten darauf hin, dass Nanoplastikpartikel ähnlich wie im Meerwasser gelöste Salze durch das Eis transportiert werden, während die Anreicherung von Mikroplastik im Meereis stärker von der Partikeldichte abhängt. Pradel ist davon überzeugt, dass ihre Experimente auch in anderen Forschungsbereichen neue Erkenntnisse ermöglichen könnten. Angesichts der globalen Erwärmung wird das arktische Meereis zunehmend dynamischer, dünner und Schmelzprozesse verlaufen schneller, was die Verteilung von Salzen und Partikeln im Eis beschleunigt. Durch ihre Experimente können solche Entwicklungen im Labor simuliert werden, ohne dass Forschende in die Arktis reisen müssen, was auch im Sinne einer klimaschonenden Umweltforschung sinnvoll ist. Dennoch wird Pradels Forschung auch Expeditionen erfordern. Im kommenden Winter wird Alice Pradel erstmals in den arktischen Ozean reisen, um den dortigen Plastik-Fußabdruck der Menschheit im Eis möglichst genau zu quantifizieren.