Are bio-sourced nanoplastics inert for aquatic species? A toxicity study on three micro-algae species and a freshwater bivalve

Plastikverschmutzung ist ein vertrautes Anblick in unseren Ozeanen und Flüssen, aber die Geschichte dessen, was mit diesen Materialien geschieht, ist komplexer als das bloße Zerbrechen in kleinere Stücke. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler untersucht, wie herkömmliche Kunststoffe aus fossilen Brennstoffen in mikroskopische und sogar nanoskopische Partikel zerfallen, die durch das Wasser driften und in Lebewesen gelangen. Kürzlich ist eine neue Klasse von Materialien als potenzielle Lösung aufgetaucht: biobasierte Kunststoffe, oft Biokunststoffe genannt. Diese werden aus erneuerbaren Ressourcen wie Pflanzen, Pflanzenölen oder Holzderivaten anstelle von Erdöl hergestellt. Die Hoffnung ist, dass sie, weil sie aus der Natur stammen, umweltfreundlicher sind und sich vielleicht leichter zersetzen. Doch nur weil ein Material aus einer natürlichen Quelle stammt, bedeutet das nicht automatisch, dass es harmlos ist, sobald es in das Wasser gelangt. Wenn diese Biokunststoffe degradieren, können auch sie winzige Partikel werden, die für das bloße Auge unsichtbar, aber groß genug sind, um von mikroskopischem Leben verschluckt und von Muscheln gefiltert zu werden. Die entscheidende Frage bleibt: Wenn diese biobasierten Partikel in unseren Wasserwegen landen, verhalten sie sich wie ihre Verwandten aus fossilen Brennstoffen oder sind sie wirklich inert und sicher?

Ein Forschungsteam ging die Frage an, indem es eine Bibliothek von fünf verschiedenen Arten biobasierter Nanokunststoffe an lebenden Wasserorganismen testete. Sie entschieden sich dafür, zwei sehr unterschiedliche Arten von Leben zu untersuchen, die die Grundlage des Nahrungsnetzes bilden: winzige einzellige Algen und Süßwassermuscheln. Die Algen, die als Primärproduzenten in aquatischen Ökosystemen fungieren, wurden den Partikeln ausgesetzt, um zu sehen, ob ihr Wachstum gehemmt wurde. Die Muscheln, die Filtrierer sind und ständig Wasser durch ihre Körper pumpen, um Nahrung zu fangen, wurden getestet, um zu sehen, ob die Partikel ihre Fähigkeit zu fressen beeinträchtigen und wie ihre inneren Zellen reagierten. Die Forscher verwendeten fünf spezifische Arten biobasierter Polymere: Einige sind bereits auf dem Markt, wie Polylactid (PLA) und Polyamid 11 (PA11), während andere noch in der Entwicklung sind, darunter ein Polymer, das aus ätherischen Ölkomponenten besteht, und eine neue Art von Polyurethan. Sie erzeugten diese Partikel im Labor in etwa der gleichen Größe, um sicherzustellen, dass etwaige Unterschiede auf das Material selbst und nicht auf die Größe des Partikels zurückzuführen waren.

Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass diese biobasierten Partikel weit davon entfernt sind, inert zu sein. Als die Algen den verschiedenen Arten biobasierter Nanokunststoffe ausgesetzt wurden, wurde ihr Wachstum in fast jedem Fall gehemmt. Die Süßwasseralgenart war am empfindlichsten und zeigte selbst bei sehr geringen Konzentrationen eine deutliche Wachstumsverlangsamung. Unter den fünf getesteten Materialien waren Polylactid und Polyamid 11 am schädlichsten für die Algen, während ein aus ätherischen Ölen gewonnenes Polymer am wenigsten schädlich war, obwohl es dennoch einige kurzfristige Auswirkungen verursachte. Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass die toxischsten Effekte oft bei niedrigeren Konzentrationen auftraten statt bei höheren. Dies deutet darauf hin, dass die Partikel bei sehr hohen Konzentrationen verklumpen könnten und dadurch weniger für die Organismen verfügbar sind, während sie bei niedrigeren, realistischeren Konzentrationen in der Umwelt dispergiert bleiben und eher mit den Zellen interagieren können.

Die Auswirkungen auf die Süßwassermuscheln waren gleichermaßen signifikant. Nach einer Woche der Exposition zeigten die Muscheln, die allen fünf biobasierten Nanokunststoffen ausgesetzt waren, eine deutliche Abnahme ihrer Filtrationsrate, was bedeutet, dass sie weniger effizient beim Pumpen von Wasser und dem Sammeln von Nahrung waren. Dieser Effekt wurde selbst bei Konzentrationen von nur einem Mikrogramm pro Liter beobachtet, einem Niveau, das sehr klein, aber potenziell relevant für die Umwelt ist. Die Muscheln lehnten die Partikel nicht einfach ab; stattdessen versetzten sich ihre Körper in einen Zustand hoher Alarmbereitschaft. Als die Forscher die Gene im Gewebe der Muscheln untersuchten, fanden sie, dass die Exposition eine massive biologische Reaktion auslöste. Die Muscheln aktivierten Gene, die mit der Aufnahme fremder Partikel, der Entgiftung ihrer Systeme und der Bekämpfung von oxidativem Stress – einer Form der Zellschädigung – zusammenhängen. Sie zeigten auch Anzeichen einer Aktivierung des Immunsystems und sogar den Beginn des programmierten Zelltods, ein Prozess, bei dem der Körper beschädigte Zellen opfert, um den gesamten Organismus zu schützen.

Die Studie verdeutlichte, dass verschiedene Materialien unterschiedliche Arten von Stress verursachten. Beispielsweise verursachten das aus ätherischen Ölen gewonnene Polymer und das neue Polyurethan die stärksten Reaktionen in den inneren Organen der Muscheln bei den niedrigsten Konzentrationen, während Polylactid und Polyamid 11 besonders hart auf die Algen wirkten. Diese Variation legt nahe, dass die chemische Struktur des biobasierten Kunststoffs eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie toxisch er ist, genau wie es bei herkömmlichen Kunststoffen der Fall ist. Die Forscher stellten fest, dass diese Effekte schnell eintraten, innerhalb einer einzigen Woche, und bei Konzentrationen, die viel niedriger waren als die in vielen früheren Studien verwendeten. Dies deutet darauf hin, dass die potenzielle Gefahr dieser Materialien unterschätzt worden sein könnte, wenn Forscher nur hohe Konzentrationen oder kurze Zeiträume betrachteten.

Letztendlich stellen die Ergebnisse die Annahme infrage, dass biobasierte Kunststoffe eine harmlose Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen sind. Obwohl diese Materialien aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden, zeigt die Studie, dass sie, sobald sie in Wasser zu winzigen Partikeln zerfallen, das Wachstum von Algen und die Gesundheit von Filtrierern dennoch stören können. Die Körper der Muscheln reagierten, als würden sie angegriffen, indem sie komplexe Abwehrmechanismen aktivierten, die Energie kosten und ihr langfristiges Überleben beeinflussen könnten. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass, obwohl diese biobasierten Kunststoffe schneller degradieren könnten als Kunststoffe aus fossilen Brennstoffen, ihre anfängliche Auswirkung auf das Leben im Wasser real und signifikant ist. Da die Produktion dieser Materialien zunimmt, ist das Verständnis ihrer spezifischen Risiken unerlässlich. Die Studie legt nahe, dass der bloße Wechsel zu biobasierten Materialien kein Allheilmittel ist; stattdessen müssen diese neuen Materialien mit der gleichen Sorgfalt und Prüfung entwickelt und bewertet werden wie jede andere Substanz, die in unsere Umwelt gelangt, um sicherzustellen, dass die Lösung für ein Problem nicht ein anderes schafft.