Schleiplastik im Blick der Forschung

Last Updated on 2. Dezember 2021

Die wissenschaftliche Aufarbeitung der Plastikverschmutzung der Meere ist im vollem Gang. In großer Geschwindigkeit fragmentiert Mikroplastik in den Gewässern und gerät selbstverständlich in die Nahrungskette ohne “Sättigung” der Rezipienten. Es droht ein Reißen der Kette mit Folgen für die Artenvielfalt in den Meeren. Doktoranden des Leibnitzinstituts (Robin Lenz und Kristina Enders) untersuchten Heringslarven in der Schlei…

Wie alle Gewässer ist die Schlei ein Empfänger unserer menschlichen und zivilisatorischen Abfälle. Neben den vom SIEZ® oft thematisierten Düngemitteleinträgen stellte sich im März 2018 ein Eintrag von Plastikmüll als neue, Flora und Fauna potenziell gefährdende Art der Umweltverschmutzung dar.

Das Bekanntwerden einer vermutlich seit Jahren bestehenden Einleitung gehäckselter Plastik-Verpackungen über die Schleswiger Kläranlage, führte zu weitem überregionalen Medien-Interesse, noch immer andauernden staatsanwaltschaftlichen Ermittlungen, sowie akuten Problembekämpfungsmaßnahmen der Zivilgesellschaft wie auch der Betreiber.

Ein Großteil der eingeleiteten Plastikpartikel wird sich jedoch nicht mehr zurückholen lassen, sondern sich mit den Strömungen und Sediment-Dynamiken weiter verbreiten und dabei dem langsamen Zerfall in immer kleinere Partikel unterliegen. Unterhalb einer Größe von 1 mm spricht man dabei von Mikroplastik.

Obwohl die charakteristische Größe der gehäckselten Plastikpartikel bei mehreren Millimetern bis Zentimetern lag, kann von der gleichzeitigen Entstehung relevanter Mengen Mikroplastiks während des mechanischen Zerkleinerungsprozesses ausgegangen werden. In der Umwelt werden weitere Fragmentierungsprozesse begünstigt. Besonders die Einwirkung des UV Lichts der Sonne auf an der Wasseroberfläche treibende, oder sich im Flutsaum und Schilfgürtel sammelnde Plastikpartikel ruft diese Zerfallsprozesse hervor. Dies wird die Schlei über lange Zeit einer stetigen Mikroplastikquelle aussetzen.

Dieser 2018 bekannt gewordene Eintrag von Plastik scheint bis jetzt ein Alleinstellungsmerkmal der Schlei zu sein. Daneben ist jedoch auch die Schlei, wie alle unsere Binnen- und Küstengewässer, anderen Quellen von Mikroplastik ausgesetzt. Diese umfassen in der stark landwirtschaftlich geprägten Region Auswaschungen von Feldern, insbesondere, wenn auf diesen Klärschlamm ausgebracht oder so genannte “Plasticulture”-Verfahren (der Einsatz von Plastikfolien und -planen bis hin zu Plastikgewächshäusern) angewandt werden. Hinzu kommt, dass die Fremdstoffgrenzwerte für Plastik in Komposten oder Gärresten (0,1 Gewichtsprozent) nur für Plastik > 2 mm gelten und damit die Mikroplastikzufuhr übersehen und unreguliert lassen. Oberflächenabflüsse aus Siedlungsgebieten und von Straßen, sowie Abwasserüberläufe bei Starkregenereignissen kommen als weitere lokale Einträge zu einer allgemeinen atmosphärischen Deposition hinzu. Auch die schifffahrtliche Nutzung der Schlei wird in Form von verlorenen Plastikabfällen oder -gerätschaften (Abnutzung von Netzen und Seilen), als auch über Abnutzung kunststoffbasierter Anstriche zur Mikroplastikverschmutzung beitragen. Letztere können vor Allem bei der Instandhaltung von Booten auf Werftbetrieben und Marinas anfallen. Auch bereits in tieferen Sedimentschichten begrabene Altlasten können durch Sturmereignisse oder Maschineneinwirkung resuspendiert werden.

Diese Mikroplastik-Grundbelastungen für Gewässer sind unterdessen für ausgewählte Regionen gut erforscht. Das IOW beschäftigte sich beispielsweise intensiv mit eben dieser Grundbelastung in dem Fluss Warnow – sowohl mit ihrem landwirtschaftlich geprägten Hinterland als auch der städtischen und industriell genutzten Mündungsregion (Rostock). Mikroplastik wurde dort im Wasser und den Sedimenten und Stränden detektiert und konnte dabei unterschiedlichsten Quellen zugeordnet werden (z.B. Häfen, Klärwerke). Auf Grund der Vielzahl unterschiedlichster oftmals diffuser Quellen beruht die Quantifizierung von Mikroplastik einer bestimmten Region jedoch oft auf Hochrechnungen und Schätzungen.

Hinter dem Sammelbegriff “Plastik” verstecken sich eine Reihe verschiedener Polymerarten, wie zum Beispiel Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polyvinylcarbonat (PVC), Polyethylenterephtalat (PET), etc., um einige der bekanntesten und häufigsten zu nennen. Aber auch innerhalb dieser Gruppen gibt es mitunter große Unterschiede. Polymerarten können teilweise gemischt, mit unterschiedlichsten Zusatzstoffen wie Füllstoffen, Weichmachern, Farbstoffen, etc. versetzt sein, welche gezielt Einfluss auf ihre Stoff- und Nutzungseigenschaften nehmen. Ab dem Zeitpunkt wo wir das Plastik nur mehr als Müll bezeichnen, werden diese unterschiedlichsten Eigenschaften zum Problem, denn diese große Diversität an Mischstoffen verhindert maßgeblich ein effizientes Recycling. Auch für die Forschung ist diese Diversität an Materialien eine große Herausforderung, denn die Aufbereitungs- und Analyseverfahren müssen tausende von verschiedenen Stoffen effizient erkennen können. Das macht die Mikroplastikforschung zeitaufwendig und teuer.

Die nun in der Schlei treibenden Mikroplastikpartikel unterliegen entsprechend ihren Eigenschaften verschiedenen Verteilungs- und Fragmentierungsprozessen und können von Tieren aufgenommen werden. Die Dichte – hauptsächlich bestimmt durch Polymertyp und Fertigungsverfahren – sowie die Partikelgröße sind dabei die wichtigsten Eigenschaften: während große schwere Partikel sich schnell einer Ablagerung in den Faulschlammgründen entgegenbewegen, können kleine leichte Partikel sich an der Oberfläche oder in der Wassersäule halten und mit Strömungen verdriften. Im unteren Mikrometerbereich wird der Einfluss der Dichte weniger relevant, weshalb Partikel entsprechend der Turbulenz im Wasser bewegt werden. Ein Zusammenklumpen mit anderen natürlichen Partikeln und der Bewuchs mit Biofilmen (Bakterien, einzellige Algen) auf Partikeln kann deren spezifisches Gewicht erhöhen und wiederum ein Absinken begünstigen. Ein solcher Bewuchs kann schon nach wenigen Tagen und Wochen etabliert sein. Auf diesem Weg können auch leichte Plastiksorten wie PE und PP (typische Verpackungsmaterialien wie z.B. Folien), die vermutlich ein Hauptbestandteil des eingeleiteten Plastiks in die Schlei ausmachten, vor den Augen der Öffentlichkeit scheinbar verschwinden, indem sie die Wasseroberfläche verlassen und auf das Sediment herabsinken. Das Schleisediment stellt dabei eine Senke und ein sich nur langsam veränderndes Langzeitarchiv der Plastikbelastung dar.

Abbildung 1: Eindrücke der Probenahme-Kampagne zur Untersuchung der Mikroplastik-Belastung der Schlei. A) Das Forschungsboot “Klaashahn” des IOW wurde zur Probenahme am 14., 15. und 16. Mai eingesetzt. B) Sedimentproben wurden mittels Backengreifer gehoben und für die spätere Analyse in Glasgefäßen verpackt. Zur Beprobung von Heringen und Wasser kam ein an der Oberfläche geschlepptes Planktonnetz mit 300 µm Maschenweite zum Einsatz (nicht im Bild). C) Teilweise erfolgte die Probennahme watend in flachen Uferbereichen. D) Die in der Ferne erkennbare Einmündung des Kläranlagenvorfluters wurde zum Zeitpunkt der Probenahmen von Arbeitern großflächig mit Vliesmatten ausgelegt. Fotos: Robin Lenz und Kristina Enders.

Im Rahmen der Forschungsprojekte MicroCatch_Balt unter Leitung von Matthias Labrenz und MicroPoll, geleitet von Sonja Oberbeckmann (beide vom Leibniz Institut für Ostseeforschung in Warnemünde, IOW) werden die Einträge und Verteilungsmechanismen von Mikroplastik in der Ostsee und einleitenden Gewässern untersucht. Hier soll an mehreren Stationen entlang der gesamten Schlei im Rahmen von 2 Doktorarbeiten am IOW die Belastungssituation untersucht werden (Abb. 1, 2).

Die Einleitung einer solch großen Menge Plastik in ein Gewässer wie die Schlei, Schätzungen zufolge bis zu 100 Tonnen Plastik über die Jahre 2015-2018 (Quelle: SIEZ®,beruhend auf Angaben der Kreisverwaltung Schleswig-Flensburg), welche von einer bestimmten Punktquelle ausgingen, ist für die Forschung von besonderem Interesse. Besonderes Augenmerk liegt auf der Frage in wie fern eben diese Langzeitarchive schon Auswirkungen dieser besonderen Belastungssituation aufweisen, beispielsweise durch sichtbar werden eines Gradienten mit Höchstwerten nahe des Klärwerks. Auch die Polymerzusammensetzung kann hier kennzeichnend sein.

Beispielhaft soll an der Schlei ein Verfahren angewendet werden, welches eine verbesserte Hochrechnung der Mikroplastikgesamtbelastung der Sedimente ermöglichen soll. Unter Berücksichtigung verschiedener Sedimentparameter (wie z.B. der Korngrößenverteilung) und der ermittelten Mikroplastikkonzentrationen entlang der Schlei soll berechnet werden was die erwartbare Mikroplastiklast an anderen Punkten der Schlei ist. Darüber hinaus könnte dieses Verfahren die Vergleichbarkeit zu anderen Gewässern verbessern.

Abbildung 2: In der Schlei wurden an mehreren Stellen Sedimentproben (graue Punktstationen, S1-S32) genommen und Transekte des Oberflächenwassers mittels Planktonnetz (orange Pfeile, M1-M8) beprobt. Letztere enthielten die Heringslarven welche nun auf potentielle Mikroplastikbelastung hin untersucht werden. Quelle Kartenebene: OpenStreetMap Contributors auf https://www.openstreetmap.org

Neben den Sedimenten als Mikroplastiklangzeitarchiv stellte die Untersuchung von Heringslarven einen weiteren Schwerpunkt der Mikroplastikbeprobung in der Schlei dar. Die in der Schlei heimische, frühjahrslaichende westbaltische Population des Atlantischen Herings (Clupea harengus) stellt mit den in großer Zahl auftretenden Larvenschwärmen ein wichtiger Teil des lokalen Ökosystems dar. Und auch für die Schleifischerei ist und war der Hering eine – wenn nicht die – wichtigste Fischart. Er ist in Deutschland zur Fischart des Jahres 2021 gewählt worden, um Aufmerksamkeit auf seine ökologische wie kommerzielle Bedeutung, gleichzeitig aber auch auf seine Gefährdung und bedrohte biologische Vielfalt zu lenken. Die Aufnahme von Fremdkörpern wie Mikroplastik könnte neben anderen Stressoren negative Auswirkungen auf den Hering haben. Hier soll untersucht werden welche Mengen und in welcher Zusammensetzung Mikroplastik von Heringslarven verschiedener Entwicklungsgrößen (zwischen 10 und 30 mm Standardlänge) aufgenommen wurde. Zusätzlich könnte die vergleichende Analyse des Umgebungswassers Aufschluss darüber geben, in welchem Verhältnis die Larven verschiedene Polymere aus ihrem Nahrungsangebot entnahmen.

Abbildung 3: Einblicke in die Mikroplastikaufarbeitungsmethoden der Heringe und Sedimente aus der Schlei. Bearbeitungsfortschritt in den Bildern jeweils von links nach rechts: A) Die Larven wurden im Labor äußerlich gereinigt und entsprechend ihrer Längen in Gruppen zusammengefasst. Anschließend wurden sie mit einem basischen Verdauverfahren aufgelöst; B) Sedimente durchlaufen auf Grund ihrer hohen Partikelanzahl verschiedene und sich wiederholende Aufreinigungsschritte bis das Mikroplastik so aufkonzentriert wurde das mikrospektroskopische Analyseverfahren zum Einsatz kommen können. Einer der effektivsten Schritte der Mikroplastikextraktion ist die Dichteseparation, hier dargestellt anhand fluoreszierender Modellpartikel in Quarzsand in der Schwerflüssigkeit Natriumpolywolframat. Fotos: Robin Lenz und Kristina Enders.

Die genannten Proben aus Sedimenten, Heringen und Wasser wurden dann im Labor so aufgereinigt, dass umgebende natürliche Sedimente, pflanzliche und tierische Bestandteile bestmöglich entfernt wurden ohne jedoch das Mikroplastik zu zerstören (Abb. 3). Dabei kamen u.a. Dichteseparationsverfahren sowie basische und oxidative Verdauungsreagenzien zum Einsatz. Die extrahierten Plastikpartikel, welche mit bloßem Auge größtenteils nicht mehr erkennbar sind, wurden dann mittels mikrospektroskopischer Verfahren unter der Leitung von Dieter Fischer am Leibniz Institut für Polymerforschung (IPF, Dresden) chemisch charakterisiert und quantifiziert. Die Untersuchungen sollen im Laufe des nächsten Jahres abgeschlossen werden und bei Veröffentlichung der Ergebnisse werden wir auch hier davon berichten.

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