Kunststoffe umgeben uns überall, seien es die Einkaufstüten im Supermarkt oder Haushaltsgegenstände wie Shampoo- und Waschmittelflaschen. Kunststoffe existieren nicht nur als große Objekte, sondern auch als mikroskopisch kleine Partikel, die von diesen größeren Produkten freigesetzt werden. Diese mikroskopisch kleinen Kunststoffe können in die Umwelt gelangen und von unserem Körper aufgenommen werden.
Jetzt haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) einige weit verbreitete Konsumgüter analysiert, um diese mikroskopisch kleinen Kunststoffe besser zu verstehen. Sie fanden heraus, dass die Kunststoffprodukte, wenn sie heißem Wasser ausgesetzt werden, Billionen von Nanopartikeln pro Liter an das Wasser abgeben.
Die NIST-Forscher haben ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht.
„Die wichtigste Erkenntnis hier ist, dass es überall Plastikpartikel gibt. Da sind viele von denen. Billionen pro Liter. Wir wissen nicht, ob diese gesundheitsschädliche Auswirkungen auf Menschen oder Tiere haben. Wir gehen aber davon aus, dass sie da sind“, sagte NIST-Chemiker Christopher Zangmeister.
Es gibt viele verschiedene Arten von Kunststoffmaterialien, aber sie bestehen alle aus Polymeren, bei denen es sich um natürliche oder vom Menschen hergestellte Substanzen handelt, die aus miteinander verbundenen großen Molekülen bestehen. Wissenschaftler haben mikroskopisch kleine Partikel dieser größeren Kunststoffe in vielen Umgebungen, einschließlich der Ozeane, gefunden. Forscher teilen sie in zwei Gruppen ein: Mikro- und Nanoplastik.
Mikroplastik gilt im Allgemeinen als kleiner als 5 Millimeter (0,2 Zoll) und kann mit bloßem Auge gesehen werden, während Nanoplastik kleiner als ein Millionstel Meter (ein Mikrometer) ist und die meisten nicht einmal mit einem Standardmikroskop gesehen werden können. Jüngste Studien haben gezeigt, dass einige Verbraucherprodukte, die Flüssigkeiten enthalten oder mit ihnen interagieren, wie z. B. Babyflaschen aus Polypropylen (PP) und Teebeutel aus Nylonkunststoff, diese Kunststoffpartikel in das umgebende Wasser abgeben.
In ihrer Studie untersuchten die NIST-Forscher zwei Arten von kommerziellen Kunststoffprodukten: Nylonbeutel in Lebensmittelqualität, wie zum Beispiel Kaffeetassen. Die von ihnen analysierten Getränkebecher waren mit Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) beschichtet, einer weichen, flexiblen Kunststofffolie, die häufig als Auskleidung verwendet wird.
Die mit LDPE ausgekleideten Getränkebecher wurden 20 Minuten lang Wasser bei 100 Grad Celsius ausgesetzt.
Um die aus diesen Kunststoffprodukten freigesetzten Nanopartikel zu analysieren, mussten die Forscher zunächst herausfinden, wie sie nachgewiesen werden können. „Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Tasse Wasser in einem generischen Kaffeebecher zum Mitnehmen. Es könnte viele Milliarden Partikel enthalten, und wir müssten herausfinden, wie wir diese Nanokunststoffe finden können. Es ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, sagte Zangmeister.
Also mussten er und seine Kollegen einen neuen Ansatz wählen. „Wir haben das Wasser aus dem Becher zu einem feinen Nebel versprüht und den Nebel und alles, was in der Lösung verblieben ist, getrocknet“, sagte Zangmeister. Durch diesen Prozess werden die Nanopartikel vom Rest der Lösung isoliert.
Die Technik selbst wurde zuvor verwendet, um winzige Partikel in der Atmosphäre zu erkennen. „Wir erfinden das Rad also nicht neu, sondern wenden es auf einen neuen Bereich an“, so Zangmeister.
Nachdem der Nebel getrocknet war, wurden die darin enthaltenen Nanopartikel nach ihrer Größe und Ladung sortiert. Forscher könnten dann eine bestimmte Größe vorgeben, zum Beispiel Nanopartikel um die 100 Nanometer, und sie in einen Partikelzähler leiten. Die Nanopartikel wurden einem heißen Dampf von Butanol, einer Art Alkohol, ausgesetzt und dann schnell abgekühlt. Als der Alkohol kondensierte, schwollen die Partikel von der Größe von Nanometern auf Mikrometer an, wodurch sie viel besser nachweisbar waren. Dieser Prozess ist automatisiert und wird von einem Computerprogramm ausgeführt, das die Partikel zählt.
Die Forscher könnten auch die chemische Zusammensetzung der Nanopartikel identifizieren, indem sie sie auf eine Oberfläche legen und sie mit Techniken beobachten, die als Rasterelektronenmikroskopie bekannt sind, die hochauflösende Bilder einer Probe mit einem Strahl hochenergetischer Elektronen und Fourier-Transformations-Infrarot aufnimmt, Spektroskopie, eine Technik, die das Infrarotlichtspektrum eines Gases, eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit erfasst.
All diese Techniken zusammen ergaben ein vollständigeres Bild der Größe und Zusammensetzung der Nanopartikel.
In ihren Analysen und Beobachtungen stellten die Forscher fest, dass die durchschnittliche Größe der Nanopartikel zwischen 30 Nanometer und 80 Nanometer lag, mit wenigen über 200 Nanometer. Darüber hinaus war die Konzentration von Nanopartikeln, die aus Nylon in Lebensmittelqualität in heißes Wasser freigesetzt wurden, siebenmal höher als bei Einweggetränkebechern.
„In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler überall in der Umwelt Kunststoffe gefunden. Menschen haben sich Schnee in der Antarktis, dem Grund von Gletscherseen, angesehen und Mikroplastik gefunden, das größer als etwa 100 Nanometer ist, was bedeutet, dass es wahrscheinlich nicht klein genug war, um in eine Zelle einzudringen und körperliche Probleme zu verursachen“, sagte Zangmeister.
„Unsere Studie ist anders, weil diese Nanopartikel wirklich klein und eine große Sache sind, weil sie in eine Zelle eindringen und möglicherweise ihre Funktion stören könnten“, sagte Zangmeister, der auch betonte, dass niemand festgestellt habe, dass dies der Fall wäre.
Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) regelt die Kunststoffe, die mit der Nahrung, die wir essen, oder dem Wasser, das wir trinken, in Berührung kommen. Die Agentur verfügt über Standards und Sicherheitsmaßnahmen, um festzustellen, was sicher ist. Die Forscher der FDA führen strenge Tests an diesen Kunststoffen durch und messen, wie viel Kunststoffmasse verloren geht, wenn sie heißem Wasser ausgesetzt werden. Beispielsweise hat die FDA festgestellt, dass Nylon in Lebensmittelqualität (wie es in Teebeuteln verwendet wird) unter Hochtemperaturbedingungen sicher bis zu 1 % seiner Masse verlieren kann. In der NIST-Studie mit ihrer neuen Technik stellten die Forscher fest, dass ein Zehntelprozent der Masse verloren ging, was deutlich unter den aktuellen FDA-Grenzwerten für das liegt, was als sicher gilt.
Zangmeister bemerkte, dass es keinen allgemein verwendeten Test zur Messung von LDPE gibt, das aus Proben wie Kaffeetassen in Wasser freigesetzt wird, aber es gibt Tests für Nylonkunststoffe. Die Erkenntnisse aus dieser Studie könnten bei den Bemühungen zur Entwicklung solcher Tests hilfreich sein. Inzwischen haben Zangmeister und sein Team weitere Konsumgüter und Materialien analysiert, etwa Stoffe, Baumwoll-Polyester, Plastiktüten und in Plastikrohren gespeichertes Wasser.
Die Ergebnisse dieser Studie werden in Kombination mit denen der anderen analysierten Materialtypen neue Forschungswege in diesem Bereich für die Zukunft eröffnen. „Die meisten Studien zu diesem Thema zielen darauf ab, Kollegen auszubilden. Dieses Papier wird beides tun: Wissenschaftler ausbilden und Öffentlichkeitsarbeit leisten“, sagte Zangmeister.