Überprüfung der biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen im Ozean

In den letzten Jahren sind die weltweite jährliche Produktion und Verwendung von Kunststoffen deutlich gestiegen. Die meisten Kunststoffe lassen sich nur schwer biologisch abbauen und verwandeln sich beim Eindringen in den Ozean in große Partikel oder Mikroplastik, die von Meeresorganismen aufgenommen oder verwickelt werden können und eine Gefahr für das Meeresökosystem darstellen. Die biologische Abbaubarkeit von Mikroplastik hängt von seiner chemischen Zusammensetzung, der Verfügbarkeit von Nährstoffen im Ozean, der Mikrobenart und der Verarbeitungszeit ab.
 
Wie in Abbildung 1 dargestellt, dauert es mehrere Tage bis Monate, bis Mikroplastik in einer Tiefe von 40 Metern biologisch abgebaut ist, Monate bis Jahre für Mikroplastik in einem Bereich von 40 bis 200 Metern und Jahrhunderte für Mikroplastik in tieferen Tiefen. Faktoren wie Sauerstoffgehalt, Temperatur, Phosphor und Stickstoff sind wichtige limitierende Faktoren für das mikrobielle Wachstum und den biologischen Abbau von marinem Mikroplastik. Mikroplastik kann das mikroökologische Gleichgewicht im Ozean verändern, wo nur ein kleiner Teil des aktiven Stickstoffs, einschließlich gelöstem organischem Stickstoff, Ammoniak und Nitrat, von Mikroorganismen aufgenommen werden kann. Ein breiter Konsens besteht darin, dass der Stickstoffgehalt kurzfristig relativ niedrig ist und dass die Anpassungsfähigkeit von Mikroalgen an nährstoffarme Umgebungen sie drei Milliarden Jahre lang zur dominierenden Art im Ozean gemacht hat. Eine Studie hat ergeben, dass Blaualgen auf Mikroplastikpartikeln häufiger vorkommen als Bakterien in der umgebenden Meeresumwelt.

Abbildung 1 Abbau von Mikroplastik im Ozean – Aus dem Originaltext
Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), die American Society for Testing and Materials (ASTM) und die International Organization for Standardization (ISO) haben Methoden zur Analyse künstlicher Materialien, Kunststoffe, synthetischer Materialien und ihrer biologischen Abbaubarkeit veröffentlicht. Die ASTM- und ISO-Standards haben auch Atembestimmungsmethoden zur Bewertung der biologischen Abbaubarkeit in Meeresumgebungen entwickelt. Unter aeroben Bedingungen beträgt die Mindestanforderung für den biologischen Abbau von Kunststoffproben zu Kohlendioxid 60 bis 70 %, wobei die Dauer zwischen 3 Monaten (ASTM D6691-09), 6 Monaten (ASTM D7473-12) und 24 Monaten (ISO 18830, ISO 19679, ASTM D7991-15) liegt.
 
Aufgrund der begrenzten Stickstoffmenge, die Bakterien im Meerwasser benötigen, kann die mit der ASTM-Methode geschätzte biologische Abbaurate 6000-mal höher sein als die tatsächliche Rate im Ozean. Der in den Tests verwendete Zeitbereich für den biologischen Abbau kann ebenfalls überschätzt werden. Daher kann die biologische Abbaurate von Mikroplastik in der Meeresumwelt in der Praxis niedriger sein als geschätzt.
 
Darüber hinaus hat Mikroplastik erhebliche Auswirkungen auf Meeresökosysteme. Mikroplastik bietet eine riesige Oberfläche und wird schnell von anorganischen und organischen Materialien bedeckt, wodurch Kohlenstoff und Nährstoffe für die Biofilmbildung in Meeresumgebungen bereitgestellt werden. Derzeit wurde Mikroplastik in allen Ozeanen gefunden, und innerhalb desselben Wassergebiets unterscheiden sich die Mikroorganismen auf Mikroplastikfasern deutlich von suspendierten Mikroorganismen auf umgebenden Partikeln oder im Wasser. Daher müssen wir die organische Belastung und die Stickstoffverfügbarkeit modellieren, um zu verhindern, dass das bestehende mikroökologische Gleichgewicht der Meere gestört wird und sich in eine ungünstige Richtung entwickelt.
 
Schlüsselerkenntnisse
Nach dem Rückgang des Stickstoffgehalts dürften weiterhin Algen die Hauptgruppe darstellen, was negative Auswirkungen auf die marine Nahrungskette haben könnte. Es ist notwendig, die Testmethoden für die biologische Abbaubarkeit zu verbessern und die Verfügbarkeit von organischer Belastung und Stickstoff in der zukünftigen Forschung zu modellieren.