Mal sind es scharfkantige Bruchstücke im Miniaturformat, mal Kügelchen oder feine Fasern. Die winzigen Kunststoffteilchen, die Christian Laforsch von der Universität Bayreuth und seine Kollegen aus Seen, Flüssen oder Kompostproben fischen, wirken auf den ersten Blick nicht sonderlich spektakulär. Doch dieses so genannte Mikroplastik, das aus Partikeln von weniger als fünf Millimetern Größe besteht, wird für viele Ökosysteme der Erde wohl zu einer schleichenden Gefahr.

Für die Ozeane befürchten Experten das schon länger. Allmählich werden nun aber auch Risiken für Landlebensräume und Binnengewässer deutlich. »Dort hat man allerdings erst vor Kurzem angefangen, das Problem zu untersuchen«, sagt Christian Laforsch. Er und seine Kollegen haben dabei Pionierarbeit geleistet. Im Auftrag der Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz haben sie zum Beispiel untersucht, wie stark verschiedene Gewässer im Süden und Westen Deutschlands mit diesen Partikeln belastet sind. Vor allem im Einzugsgebiet von Rhein und Donau waren sie zwischen 2014 und 2017 unterwegs, um in 22 kleineren und größeren Flüssen mit unterschiedlichen Einzugsgebieten nach Mikroplastik zu fahnden.

Zum Einsatz kam dabei ein eigens entwickeltes Schleppnetz, das neben einem Boot hergezogen wird. Dabei fischt es nicht nur die Kunststoffteilchen aus dem Fluss, sondern misst auch gleichzeitig die untersuchte Wassermenge. So lässt sich nach der Analyse die Konzentration des Mikroplastiks im jeweiligen Gewässer bestimmen. Im Labor haben die Forscher die gesammelten Partikel dann vermessen und mit Hilfe der so genannten FTIR-Spektroskopie chemisch untersucht.

Insgesamt fanden sich in den untersuchten 52 Wasserproben rund 4300 Kunststoffpartikel; mehr als 60 Prozent davon brachten es auf nur mikroskopisch kleine Dimensionen zwischen 0,02 und 0,3 Millimetern. Die chemischen Analysen ergaben, dass die meisten Teilchen aus Polyethylen oder Polypropylen bestanden, den in Europa gängigsten Kunststoffen. Ihre Form verriet zudem, dass es sich überwiegend um Bruchstücke von größeren Kunststoffteilen handelte. Doch auch Fasern, wie sie etwa in Kleidung aus Kunstgewebe verwendet werden, ließen sich vielerorts nachweisen.

Klar ist nun auch, dass es sich um ein weit verbreitetes Phänomen handelt. »An allen Probestellen haben wir in dieser Studie Mikroplastik gefunden«, berichtet Christian Laforsch. Unterschiedlich war allerdings die Konzentration der Teilchen. Während die Probe aus dem Rhein bei Nackenheim in Rheinland-Pfalz zum Beispiel nur 2,9 Partikel pro Kubikmeter Wasser enthielt, kamen im Mündungsbereich der Emscher im Ruhrgebiet 214 zusammen. Weltweit gibt es bisher kaum eine andere Erhebung, die mit einheitlichen und somit vergleichbaren Methoden so umfangreiche Informationen über Mikroplastik in Flüssen zusammengetragen hat. Die vorhandenen Stichproben aus anderen Regionen lassen allerdings vermuten, dass die Belastung der in Deutschland untersuchten Gewässer in einer ähnlichen Größenordnung liegt wie bei vergleichbaren Flüssen im übrigen Europa und in Nordamerika.

Noch schwieriger ist die Situation an Land einzuschätzen. Das liegt unter anderem an den Tücken der Analytik. »In einer komplexen Matrix wie dem Boden lassen sich winzige Plastikteilchen noch viel schwerer aufspüren und analysieren als im Wasser«, sagt Werner Kloas vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin. Er und seine Kollegen befürchten allerdings, dass die Plastikprobleme auf dem Trockenen sogar noch größer sein könnten. »Anders als im Meer gibt es dort ja keinen Verdünnungseffekt«, erklärt der Berliner Forscher. »Die Partikel reichern sich also im Boden an.« Bisherige Schätzungen gehen davon aus, dass die Mikroplastikkonzentrationen auf dem festen Land um das 4- bis 23-Fache höher liegen als im Meer.

Quellen für Mikroplastik

Woher aber kommen all diese Partikel? Ein Teil davon besteht schlicht aus zerbröseltem Müll. Weltweit werden jedes Jahr mehr als 400 Millionen Tonnen Kunststoff produziert, und ein guter Teil davon landet früher oder später als Abfall in der Umwelt. Nach einer Schätzung des Weltwirtschaftsforums betrifft das zum Beispiel knapp ein Drittel aller Plastikverpackungen. Obwohl diese Produkte oft äußerst langlebig sind, verändern sie sich mit der Zeit. Die UV-Strahlung der Sonne lässt das Material brüchig werden, und allerlei mechanische Belastungen vom Wind bis zum Pflug auf dem Acker zerlegen es in immer kleinere Teilchen. Es gibt aber auch Mikroplastik, das eigens hergestellt wird. In Zahnpasta, Peeling-Produkten und anderen Kosmetika kommen diese Minikörnchen ebenso zum Einsatz wie in Reinigungs- und Schleifmitteln. Mit dem Abwasser werden diese Winzlinge oft in die Kläranlagen und von dort in die Flüsse geschwemmt.

Das Gleiche gilt auch für Mikrofasern. Die lösen sich beim Waschen von Fleecejacken und anderer Funktionskleidung ab und verlassen die Waschmaschine Richtung Kläranlage. »Ein Teil davon wird dort nicht zurückgehalten und fließt daher weiter in die Gewässer«, erklärt Werner Kloas. Der Rest landet im Klärschlamm. Der aber wird wegen seines hohen Nährstoffgehaltes oft als Dünger für die Landwirtschaft eingesetzt. Und damit gelangen auch die darin enthaltenen Mikrofasern in den Boden. Studien haben im Klärschlamm bis zu 300 zwischen einem und fünf Millimeter große Teilchen pro Kilogramm Trockengewicht gefunden. Dazu kommen noch zwischen 1000 und 24 000 kleinere Partikel.

Eine weitere Quelle, über die Mikroplastik in den Boden gelangen kann, ist der eigentlich durchaus umweltfreundliche Kompost. Mehr als fünf Millionen Tonnen davon wurden 2013 in Deutschland aus Biomüll gewonnen und dann zum Düngen von Feldern und Gärten verwendet. Christian Laforsch und seine Kollegen haben kürzlich untersucht, wie viel Mikroplastik dieser Dünger enthält. Unter die Lupe genommen haben sie dabei Kompost aus etlichen Anlagen, die nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten.

In einigen lässt man die organischen Abfälle zum Beispiel direkt verrotten. In anderen werden sie zunächst unter Luftabschluss vergoren, um Biogas für die Energieversorgung zu gewinnen. Erst danach wird dann das dabei übrig gebliebene Material kompostiert. Unterschiedlich ist aber auch die Art des verarbeiteten Bioabfalls. Mal stammt er überwiegend aus Privathaushalten, mal aus Handel und Industrie oder dem Anbau von Energiepflanzen. Und schließlich wird in manchen Anlagen das Fremdmaterial vor der Kompostierung durch aufwändiges Sieben und Aussortieren möglichst umfassend entfernt, während man in anderen nur den fertigen Kompost durchsiebt.

»Wir sind ziemlich sicher, dass es da ein Problem gibt«
Werner Kloas

Diese Unterschiede schlagen sich deutlich in der Konzentration des Mikroplastiks im produzierten Dünger nieder. Analysiert haben die Forscher sämtliche Teilchen zwischen einem und fünf Millimeter Größe. Bei Qualitätskompost aus der Anlage mit direkter Kompostierung und vorgeschalteten Sortierschritten kamen sie dabei auf weniger als 25 Partikel pro Kilogramm Trockengewicht. Bei der Anlage ohne Vorsortierung, die zunächst Biogas und dann erst Kompost produzierte, lag die Belastung dagegen um etwa eine Größenordnung höher.

»Dafür gibt es verschiedene Erklärungen«, sagt Christian Laforsch. So nimmt das Trockengewicht des Biomülls bei der Vergärung stärker ab als beim Kompostieren. In den Überresten des Gärprozesses und dem daraus entstehenden Kompost reichern sich die Kunststoffpartikel daher stärker an. Dazu kommt, dass man durch Sieben und Sortieren des Ausgangsmaterials zwar nicht das gesamte Plastik herausbekommt, die Belastung aber deutlich reduzieren kann. Und schließlich spielt auch die Herkunft des Bioabfalls eine Rolle.

Während sich in Kompost aus Energiepflanzenresten kaum Mikroplastik fand, lag die Belastung bei der aus Haushaltsbiomüll hergestellten Variante deutlich höher. Besonders häufig fanden sich darin Bruchstücke von typischen Verpackungsmaterialien. »Das liegt daran, dass viele Leute ihre Abfälle mitsamt der Plastikverpackung in die Biotonne werfen«, erklärt Christian Laforsch. Doch auch Handel und Industrie sind beim korrekten Mülltrennen offenbar keine Vorbilder. Die höchsten Konzentrationen von 895 Partikeln pro Kilogramm Trockengewicht fand das Team jedenfalls in Dünger, der aus den Abfällen von Märkten und der Lebensmittelindustrie hergestellt wurde.

Anhand ihrer Ergebnisse schätzen die Forscher, dass über den Kompost allein in Deutschland jedes Jahr 35 Milliarden bis 2,2 Billionen Mikroplastikteilchen zwischen einem und fünf Millimeter Größe in die Umwelt gelangen könnten. Dazu kommt noch eine unbestimmte Menge von kleineren Partikeln. »Das ist also eine wichtige Quelle, die bisher vernachlässigt wurde«, resümiert Christan Laforsch. Und da hier zu Lande besonders strenge Vorschriften für die Qualität von organischem Dünger gelten, dürfte die Belastung in anderen Regionen der Welt noch deutlich höher liegen.

Rätseln über die Folgen

Was aber bewirken all diese Teilchen? Wie gefährlich sind sie für Lebewesen und Ökosysteme? »Die Forschung zu diesem Thema steht noch ganz am Anfang«, sagt Werner Kloas vom IGB in Berlin. »Deshalb lässt sich das bisher nur sehr schwer einschätzen.« Kompliziert wird die Sache dadurch, dass die Belastung so vielfältig ist. So haben verschiedene Plastiksorten wie Polyethylen oder Polystyrol jeweils andere Dichten und Oberflächen und können daher auch unterschiedliche Effekte erzielen. Weichmacher und andere Zusatzstoffe sorgen selbst innerhalb der gleichen Plastiksorte für Abweichungen. Und zu allem Überfluss verhält sich ein fabrikneuer Kunststoff auch noch anders als einer, der schon länger im Wasser treibt oder auf dem Feld herumliegt. »Wenn er in immer kleinere Teilchen zerbröselt, ändern sich auch seine physikalischen und chemischen Eigenschaften«, erklärt Werner Kloas.

Zum einen können beim Zerfall Additive wie der Weichmacher Bisphenol A frei werden, die das Hormonsystem von Wirbeltieren und einigen Wirbellosen durcheinanderbringen. Zum anderen gewinnen die Partikel durch das Zerbrechen immer größere Oberflächen, an denen sich solche hormonell wirksamen Substanzen, aber auch andere Schadstoffe oder Krankheitserreger anlagern können. Entsprechend vielfältig sind die möglichen Auswirkungen auf Organismen. Werner Kloas und seine Kollegen am IGB haben zum Beispiel herausgefunden, dass die Oberflächen der Plastikteilchen Bisphenol A binden und so aus dem Wasser herausholen. »Für Wasserflöhe ist das eine gute Nachricht, weil für sie das Wasser dadurch weniger toxisch wird«, erklärt der Forscher. Kaulquappen dagegen fressen die Partikel mitsamt der daran haftenden Substanzen. In ihrem Körper reichert sich die hormonähnliche Verbindung dadurch also an.

Was aber passiert mit dem Plastik selbst, wenn es von Wasserbewohnern verspeist wird? Zumindest die besonders kleinen Teilchen können offenbar vom Verdauungstrakt der Organismen ins Gewebe übergehen und in die Zellen aufgenommen werden. Es gibt sogar Hinweise darauf, dass sie die Blut-Hirn-Schranke überwinden und so im Denkorgan von Fischen landen können. »Was sie dort genau bewirken, ist allerdings unklar«, sagt Werner Kloas. Noch größeres Rätselraten herrscht über die Wirkungen, die das Mikroplastik an Land entfaltet. Anderson Abel de Souza Machado, der am IGB und an der Freien Universität Berlin forscht, hat kürzlich das bisherige Wissen zu diesem Thema zusammengetragen. »Wir sind ziemlich sicher, dass es da ein Problem gibt«, sagt Werner Kloas.

Durch die Partikel ändere sich zum Beispiel die chemisch-physikalische Beschaffenheit der Böden. Und das habe wiederum Auswirkungen auf die Freisetzung von Nähr- und Schadstoffen. Auch Bodentiere bleiben offenbar nicht unbeeindruckt. »Es gibt Hinweise darauf, dass Mikroplastik das Verhalten von Regenwürmern verändert«, sagt Werner Kloas. Aus bisher unbekannten Gründen graben sie ihre Röhren dann nicht mehr so stark in die Tiefe, sondern bleiben eher in der Horizontalen. Dadurch durchmischen diese ökologisch sehr wichtigen Tiere das Erdreich nicht mehr so effektiv wie normalerweise. Andere Studien zeigen, dass Regenwürmer schneller sterben und langsamer wachsen, wenn sie sich den gängigen Kunststoff Polyethylen einverleibt haben.

Bei vielen anderen Organismen ist dagegen bisher völlig unklar, wie sie auf den neuen Mitspieler in ihrer Umgebung reagieren. Anderson Abel de Souza Machado untersucht zum Beispiel gerade, ob und mit welchen Folgen die Partikel von Pflanzen aufgenommen werden. Zudem interessiert er sich dafür, ob Mikroplastik die Vielfalt der Bakteriengemeinschaften im Boden beeinflusst. »In beiden Fällen befürchten wir sehr weit reichende Effekte«, sagt Werner Kloas. Theoretisch könne das Mikroplastik alle Lebewesen beeinflussen, die mit Erde oder Wasser interagieren.

Möglicherweise gilt das sogar für den Menschen. Immerhin wurden die Kunststoffzwerge auch schon in verschiedenen Lebensmitteln von Meeresfrüchten bis zu Bier gefunden. Zudem schweben leichtere Partikel auch in der Luft, so dass man sie beim Einatmen in die Lunge bekommen kann. Welche gesundheitlichen Folgen das hat, ist bis heute ungeklärt. Genau wie viele andere Fragen rund ums Mikroplastik. »Das Zeug ist überall, und man wird es nicht wieder los«, resümiert Werner Kloas. »Gleichzeitig wissen wir viel zu wenig darüber.« Aus seiner Sicht ist das eine ziemlich besorgniserregende Situation.

Was aber kann man tun, um die Invasion der Mikropartikel in die Ökosysteme zu bremsen? »Da wir wohl kaum komplett auf Plastik verzichten können, müssen wir zumindest richtig damit umgehen«, meint Christian Laforsch von der Universität Bayreuth. Dazu gehört es zum Beispiel, Plastikverpackungen nicht im Biomüll zu entsorgen, sondern zu recyceln. Eine Alternative könnte es auch sein, Klärschlamm zu verbrennen, statt ihn auf den Acker zu bringen. Und aus dem Abwasser lassen sich Kunstfasern möglicherweise besser entfernen, wenn man es in der Kläranlage mit Aktivkohle behandelt. Die Erfolgsaussichten dürften dabei allerdings von der Plastiksorte abhängen. »Auch in dieser Hinsicht werden Experten noch einiges zu tüfteln haben«, sagt Werner Kloas. Die Invasion der Plastikzwerge lässt in Forscherkreisen keine Langeweile aufkommen.