Mikroplastik in der Umwelt

„Jeder Einzelne kann etwas tun, damit kein Mikroplastik in Gewässern entsteht“, sagt Nicole Zumbülte. Sie koordiniert das Verbundprojekt MicBin im BMBF-Forschungsschwerpunkt „Plastik in der Umwelt“.

Dr. Nicole Zumbülte, Koordinatorin des BMBF-Verbundprojektes MicBin, im Labor des Technologiezentrums Wasser
Dr. Nicole Zumbülte, Koordinatorin des BMBF-Verbundprojektes MicBin, im Labor des Technologiezentrums Wasser © Cordula Witzig, TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser

Frau Zumbülte, Sie und Ihre Projektpartner haben sich im Verbundprojekt MicBin seit 2017 mit der Frage beschäftigt, wie Plastik und insbesondere sehr kleine Plastikteilchen – sogenanntes Mikroplastik – in Flüsse gelangt und was dort damit passiert. Welche Erkenntnisse haben Sie gewonnen?

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Untersuchung von Mikroplastik nach wie vor eine große Herausforderung darstellt. Das liegt insbesondere daran, dass bisher noch keine standardisierten Methoden zur Probenahme, Aufbereitung und Analyse von Mikroplastik existieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in unserem und auch in anderen Projekten des Forschungsschwerpunkts „Plastik in der Umwelt“ haben daher viel Arbeit in die Entwicklung, Optimierung und Prüfung von Methoden gesteckt. Nur so können wir sicherstellen, dass wir verlässliche und miteinander vergleichbare Ergebnisse erhalten. Bei MicBin haben wir Feldmessungen mit Laboranalysen und der Modellierung von Daten kombiniert, um genaueres über Einträge, Konzentrationen, Transport und Verbleib von Mikroplastik in Gewässern herauszufinden. Durch unsere Untersuchungen haben wir zum Beispiel festgestellt, dass die Mikroplastik-Gehalte im Gewässer schwanken und die Beprobung immer nur eine Momentaufnahme darstellt.

Bei Mikroplastik handelt es sich um winzige Teilchen, die bis zu einem Tausendstelmillimeter klein sein können. Wie gehen Sie da bei der Beprobung vor?  

Der gesamte Prozess ist sehr aufwändig. Die Proben für die Analysen haben wir im Rahmen von zwei Messkampagnen an verschiedenen Flüssen und Kläranlagenabläufen im Einzugsgebiet der Donau genommen. Das Wasser wird dabei über feinmaschige Filtersiebe gepumpt. Die Partikel, zum Beispiel Sandkörner, Pflanzenreste, aber eben auch Mikroplastikpartikel, bleiben auf den Filtersieben hängen, während das Wasser zurück in den Fluss geleitet wird. Der Vorteil dieser Art der Probenahme ist, dass damit die Partikel aus Hunderten von Litern Flusswasser auf den Filtersieben angereichert und anschließend im Labor analysiert werden können. Vor der Analyse müssen die Teilchen im Labor von den Filtersieben abgelöst und zum Beispiel Sand sowie Pflanzenreste davon abgetrennt werden. Dieser Schritt alleine kann bis zu vier Tage pro Probe dauern. Dabei muss vor allem verhindert werden, dass nachträglich Mikroplastik unter anderem aus der Luft, von der Kleidung oder durch Laborutensilien in die Proben gelangt.

Wie lässt sich das vermeiden?

Die Proben werden in sogenannten Reinluft-Boxen aufbereitet. Die Luft in diesen Boxen ist gefiltert, sodass sie eine saubere, partikelfreie Umgebung bieten. Zum Spülen von Utensilien – die plastikfrei sein müssen – verwenden wir partikelfreies Wasser. Und natürlich ist auch der Laborkittel zu 100% aus Baumwolle, sodass keine synthetischen Fasern von dort in die Probe gelangen können.

Und wie sieht die anschließende Analyse der Proben aus?

Um zu bestimmen, wie viel Mikroplastik in den Proben vorhanden ist, werden im Projekt MicBin drei verschiedene Analysetechniken angewendet: Bei der Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie wird ein Teil der Probe kontrolliert verbrannt. Ein Massenspektrometer gibt anschließend Aufschluss über die Masse der enthaltenen Kunststoffsorten. Bei der Raman-Mikrospektroskopie und der Fourier-Transform-Infrarot-Mikrospektroskopie werden die Mikroplastikteilchen mit einem Laserstrahl oder infrarotem Licht „abgerastert“. Charakteristische Muster – sogenannte Spektren - geben Auskunft über die Beschaffenheit jedes einzelnen Partikels. So können wir herausfinden, wie viele Kunststoffpartikel von welcher Kunststoffsorte in dem beprobten Flusswasser enthalten sind. Die Messung ist allerdings sehr aufwändig und kann bis zu fünf Tage pro Probe in Anspruch nehmen.

Wie gelangt Mikroplastik denn überhaupt in die Umwelt?

Anhand verschiedener Experimente und Untersuchungen konnten wir eine Reihe zentraler Eintragsquellen in unserem Untersuchungsgebiet, der bayerischen Donau, nachweisen. Dazu zählt beispielsweise die achtlose Entsorgung von Plastikmüll in der Umwelt – hier spricht man von Littering. Mit Abriebversuchen im Labor konnten wir simulieren, wie aus Alltagsgegenständen zum Beispiel Joghurtbechern oder Getränkeflaschen unter dem Einfluss von Wasser, Wellen, Sediment und UV-Licht Mikroplastik entsteht. Die Gegenstände zeigen zunächst Schleifspuren, zerbrechen irgendwann und werden dann immer kleiner bis am Ende Mikroplastikpartikel übrigbleiben.

Und was passiert dann mit dem Mikroplastik in der Umwelt?

Mikroplastik wird in der Umwelt ständig weiter transportiert und kommt darum inzwischen überall vor. Zum Beispiel ist Mikroplastik auch in der Luft vorhanden. Bei Niederschlag werden die Teilchen dann herausgewaschen und gelangen so unter anderem in Gewässer oder Böden. Um das genauer zu untersuchen, haben wir auch an verschiedenen Orten über mehrere Monate Niederschlagsproben gesammelt und sie auf Mikroplastik untersucht. Vom „Flachland“ Nordbayerns bis hinauf zur Zugspitze haben sie in allen Proben zumindest geringe Mengen Mikroplastik und Fasern gefunden. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Niederschlagsmenge und der Zahl der Mikroplastikpartikel konnte bei diesen Untersuchungen nicht festgestellt werden.

Auch von landwirtschaftlichen Flächen kann Mikroplastik, zum Beispiel aus Folien für den Gemüse- und Obstanbau, Klärschlamm oder Dünger, und von dort über die Bodenerosion in die Gewässer gelangen. Diesen Prozess haben wir uns anhand von Beregnungsversuchen genauer angeschaut und untersucht, wie Mikroplastik bei Starkregen mobilisiert wird. Durch Modellierung der Bodenerosion haben wir abgeschätzt, wie viel Mikroplastik von landwirtschaftlichen Flächen in die Gewässer gelangen. Grundsätzlich ist dieser Transport stark von der Partikelgröße und der Interaktion mit dem Boden abhängig. Kleine Plastikteilchen werden dabei weniger transportiert als gröbere Teilchen.

Mit welchen weiteren Folgen?

Mit der Zeit könnte sich Mikroplastik auch in tiefere Bodenschichten verlagern. Um das zu untersuchen, wurden parallel zu den Feldversuchen auch Laborversuche mit sogenannten Klein-Lysimetern durchgeführt. Das sind Röhren, die einen natürlichen, durch Ausstanzen gewonnenen Bodenausschnitt enthalten – also mit allem, was darin zu finden ist: Regenwürmer, Wurzeln, große und kleine Hohlräume. Die oberste Bodenschicht wurde mit Mikroplastik versetzt und kontrolliert beregnet. Dabei hat sich gezeigt, dass die Partikel unabhängig von der Bodenart, nur zu einem sehr geringen Anteil mit dem Wasser in tiefere Bodenschichten transportiert werden. Für die Verlagerung sind unter anderem Bodenlebewesen wie Regenwürmer und große Poren im Boden verantwortlich.

In Flüssen wird Mikroplastik weiter in Richtung Meer transportiert oder lagert sich ab. Flächendeckende Aussagen über das Vorkommen und die Verbreitung von Mikroplastik in Gewässern sind allerdings nur durch Modellierung möglich, weil der Aufwand für ein entsprechendes Messprogramm viel zu hoch wäre. Wir haben ein solches Modell für das Flussgebiet der bayerischen Donau mit den Messdaten aus MicBin gefüttert. Das Modell liefert unter anderem Informationen, in welchen Flussabschnitten erhöhte Mikroplastikmengen vorliegen könnten. Zudem konnten wir mit einem weiteren Modell eine großflächige Abschätzung des Eintrags von Mikroplastik und größerem Plastik in die Meere vornehmen.

Lassen sich aus den im Projekt MicBin gewonnenen Daten konkrete Maßnahmen ableiten, um die Mikroplastikbelastung in Flüssen zu mindern?

Gerade die Modellierung ist sehr hilfreich bei der Ableitung von Maßnahmen, da dadurch der Einfluss verschiedener Maßnahmen auf den Mikroplastikgehalt im Gewässer rechnerisch getestet werden kann. So haben wir zum Beispiel durch Modellrechnungen herausgefunden, dass durch die regelmäßige Entnahme und Entsorgung des Treibguts, das sich an den Rechen von Wasserkraftanlagen sammelt, jährlich zwischen 80 bis 290 Tonnen Makroplastik aus dem bayerischen Donaueinzugsgebiet entfernt werden können. Das von uns genutzte Flussmodell ermöglicht es zudem, den Effekt von Abwasserreinigungsmaßnahmen auf die Mikroplastikbelastung zu untersuchen. Modellierungen und die zugrundeliegenden Messdaten sind also ein wichtiger Ansatzpunkt zur Entwicklung möglicher Maßnahmen gegen Mikroplastik. Außerdem lassen sich die Modelle auf andere Einzugsgebiete anpassen und können dort gleichermaßen eingesetzt werden. In der Deponie Leppe in Nordrhein-Westfalen haben wir außerdem erforscht, wie viel Mikroplastik in unbehandeltem Deponiesickerwasser enthalten ist und wie wirksam es in einer Sickerwasseraufbereitungsanlage zurückgehalten wird. Grundsätzlich leisten Aufbereitungsanlagen - in Deponien, aber auch industriellen und kommunalen Kläranlagen - einen sehr wichtigen Beitrag zur Reduktion von Mikroplastik im Gewässer.

Trotz unserer bereits gewonnenen Erkenntnisse brauchen wir noch mehr Forschung und weitere Daten, um die Mikroplastikbelastung in Gewässern langfristig und nachhaltig reduzieren zu können. Einen Beitrag kann jeder Einzelne aber schon jetzt leisten: Wer keinen Plastikmüll achtlos in der Umwelt entsorgt, der ist zumindest nicht für die Entstehung von Mikroplastik in Gewässern verantwortlich.

Forschungsschwerpunkt „Plastik in der Umwelt“

Plastik in der Umwelt ist ein weltweites Problem. Trotz zahlreicher Aktivitäten sind viele Fragen zu Eintragspfaden, Verbreitungswegen und Auswirkungen noch ungeklärt. Seit 2017 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) daher 20 Verbundprojekte und ein wissenschaftliches Begleitvorhaben im themenübergreifenden Forschungsschwerpunkt „Plastik in der Umwelt – Quellen • Senken • Lösungsansätze" mit rund 40 Mio. Euro gefördert. Mehr als 100 Institutionen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Praxis haben sich an einem der weltweit größten Forschungsschwerpunkte zu den Umweltauswirkungen von Plastikmüll beteiligt.
Ziel der Forschungen ist es, erstmals das Problem des Plastikmülls in seiner Gesamtheit wissenschaftlich zu erfassen und vorhandene Wissenslücken zu schließen. Außerdem sollen Lösungsansätze zur Minderung der Einträge identifiziert und umgesetzt werden. Zu diesem Zweck betrachtet „Plastik in der Umwelt“ die gesamte Wertschöpfungskette der Kunststoffe von der Herstellung über die Nutzung bis zur Entsorgung, um Verbesserungsmöglichkeiten und Handlungsoptionen, insbesondere auch im internationalen Kontext, aufzuzeigen.
„Plastik in der Umwelt“ läuft noch bis 2022. Zentrale Ergebnisse der Verbundprojekte aus den fünf Themenbereichen Green Economy, Konsum, Recycling, Limnische Systeme, Meer und Ozeane sowie der sieben projektübergreifenden Querschnittsthemen wurden auf der Abschlusskonferenz zum Forschungsschwerpunkt am 20.-21. April 2021 online präsentiert.

Verbundprojekt „MicBin“

Im Verbundprojekt „MicBin (Mikroplastik in Binnengewässern – Untersuchung und Modellierung des Eintrags und Verbleibs im Donaugebiet als Grundlage für Maßnahmenplanungen)“ haben sieben Partner unter Koordination des „TZW: DVGW Technologiezentrum Wasser“ den Eintrag und Verbleib von Plastikteilchen verschiedener Größen im deutschen Donaueinzugsgebiet untersucht. Im Fokus stand hierbei hauptsächlich sogenanntes Mikroplastik – winzige Teilchen, die bis zu einem Tausendstelmillimeter klein sein können. Die Forschenden haben die Mengen an Mikroplastik in mehreren Donauzuflüssen ermittelt, Quellen und Senken untersucht und in Modellen mögliche Vorsorgemaßnahmen getestet, die den Eintrag der Plastikteilchen in das Donaueinzugsgebiet und somit im weiteren Verlauf ins Schwarze Meer verringern können. MicBin wurde innerhalb des Forschungsschwerpunkts Plastik in der Umwelt mit 2,3 Mio. € vom BMBF gefördert und lief vom 01.10.2017 bis 31.03.2021. Beteiligt waren das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser, Universität Osnabrück, Universität Augsburg, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Technische Hochschule Köln, Bayerisches Landesamt für Umwelt und BKV GmbH.