Analytische Methode

Hier stellt die Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (Py-GC-MS) eine wichtige Methode dar. Bei diesem analytischen Verfahren werden die Proben durch schnelles Erhitzen in kleinere Fragmente zerlegt, gaschromatographisch getrennt und massenspektrometrisch identifiziert. Da es bisher keine Standards für den Nachweis der unterschiedlichen Polymere gibt, hat das Team Methoden dafür entwickelt. Dazu wurden elf häufige Polymertypen und Reifenpartikel ausgewählt wie PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), PVC (Polyvinylchlorid), PET (Polyethylenterephthalat), PS (Polystyrol), PMMA (Polymethylmethacrylat/Plexiglas), PC (Polycarbonat), PA6 (Polyamid 6) und MDI-PUR (Polyurethan). Der analytische "Fingerabdruck" wurde anhand von kommerziell erhältlichen Rohpolymeren bestimmt und dann mit den Proben aus der Luft in Leipzig verglichen.

Vorgehensweise

Die Feinstaub-Proben von PM10 (kleiner als 10 Mikrometer) und PM2,5 (kleiner als 2,5 Mikrometer) wurden mit Hilfe von zwei Hochvolumensammlern genommen, wie sie auch sonst an Luftüberwachungsstationen gemäß europäischen Normen im Einsatz sind. Dabei werden 500 Liter Luft pro Minute durch ein Filtersystem gesaugt und der Filter alle 24 Stunden gewechselt. Die Filter werden dann im Labor mit Py-GC-MS analysiert. Gemessen wurde zwei Wochen lang (im September 2022) im Wissenschaftspark an einer Ausfallstraße im Stadtgebiet von Leipzig – einem Hotspot der Luftverschmutzung. "Das gab uns einen fokussierten und detaillierten Überblick über die Zusammensetzung von Mikro-Nano-Plastik bei starkem Verkehrseinfluss. Dieser Aufbau bot den Vorteil, dass die Spitzenwerte der städtischen Exposition mit einer feinen Größenauflösung von Feinstaub erfasst und hochwertige Basisdaten für die Abschätzung von Gesundheitsrisiken generiert werden konnten", erklärt Ankush Kaushik, Doktorand am TROPOS, der die Proben analysiert hat. "Nach unserem Kenntnisstand ist unsere Studie die erste polymeraufgelöste, nach Größen sortierte Quantifizierung von Mikro- und Nanokunststoffen in der Luft in Deutschland, die analytische Messungen mit einer Expositions- und Gesundheitsrisikobewertung verbindet."

Die veröffentlichte Studie gibt zunächst einen ersten Einblick in die Belastung der Atemluft mit Mikroplastik in einer Stadt wie Leipzig. Wie stark die Konzentrationen zeitlich und räumlich variieren, ist aber bisher offen. Aus Sicht der Forschenden sollten daher verschiedene Standorte (städtischer und ländlicher Hintergrund) einbezogen und längerfristige Probenahmen durchgeführt werden. Im nächsten Schritt will das Team um Kaushik die Proben eines ganzen Jahres auswerten, um herauszufinden, ob es jahreszeitliche Schwankungen gibt.

Zum Projekt

Im Leibniz-Projekt "AirPlast" wurden Analysemethoden entwickelt, um solche synthetischen Polymere in Aerosolproben nachzuweisen und zu quantifizieren. Zusammen mit Modellierungsansätzen wurden ihre potenziellen Quellen und ihr Transport in der Atmosphäre zurückverfolgt. Daran beteiligt waren Forschende der Leibniz-Institute für Troposphärenforschung (TROPOS) und für Polymerforschung (ipf), des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der TU Berlin sowie der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg.

Mikro- und Nanokunststoffpartikel in der städtischen Luft wurden zuvor bereits von anderen Forschungsteams nachgewiesen. Die Leipziger Studie sei nach TROPOS-Angaben die erste ihrer Art in Deutschland und liefere wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Herkunft der Feinstaubpartikel: Reifenabriebpartikel dominierten mit einem Anteil von etwa 65 % an den gesamten Kunststoffen, gefolgt von Polyvinylchlorid, Polyethylen und Polyethylenterephthalat. Diese Polymere korrelierten stark mit kohlenstoffhaltigen Aerosolmarkern, was auf eine gemeinsame Emission und Vermischung in der Atmosphäre hindeutet.

Um grob abzuschätzen, wie stark Menschen in Leipzig durch Kunststoffpartikel in der Atemluft Risiken ausgesetzt sind, bestimmte das Forschungsteam zunächst die Masse der Kunststoffpartikel in der Luft und rechnete dann hoch, wie viel Erwachsene anhand des Lungenvolumens einatmen. Leipzigerinnen und Leipziger, die sich rund um die Uhr an der Torgauer Straße aufhalten, würden demnach ungefähr 2,1 Mikrogramm Kunststoff-Feinstaub pro Tag einatmen, was 0,7 Milligramm pro Jahr entspricht. Auch für andere Großstädte gibt es Schätzungen darüber, wie viel Mikroplastik Menschen einatmen. Diese Schätzungen variieren jedoch stark. Das zeigt, wie wichtig es ist, alle relevanten Kunststoffarten zu erfassen, und wie notwendig standardisierte Messungen sind.

Aufgrund ihrer geringen Größe können vor allem die kleineren Nano-Kunststoffpartikel tiefer in die Atemwege eindringen, was ein höheres Potenzial für langfristige Erkrankungen birgt. So könnte eingeatmetes Nanoplastik in der Lunge oxidativen Stress oder Entzündungsreaktionen auslösen, die zu Atemwegserkrankungen beitragen. Außerdem können diese Partikel Schwermetalle, Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und andere Stoffe auf ihrer Oberfläche transportieren, die die Giftigkeit verstärken.

Um mögliche gesundheitliche Auswirkungen zu untersuchen, wurden in der Leipziger Studie das relative Risiko auf der Grundlage bestehender epidemiologischer Modelle berechnet, um die Umweltbelastung abzuschätzen. "Dass der überwiegende Anteil an Mikroplastik aus Reifenabrieb besteht, zeigt, dass hier Handlungsbedarf herrscht und sich das Feinstaubproblem nicht allein durch den Umstieg auf Elektromobilität lösen lässt. Zum Schutz der Gesundheit wäre es wichtig, auch den Reifenabrieb bei der Regulierung der Luftqualität zu berücksichtigen und Grenzwerte für Mikroplastik in der Luft zu erlassen", fordert Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS, der die Studie geleitet hat.

Das Einatmen von Kunststoffpartikeln und insbesondere Nanoplastik könnte negative gesundheitliche Auswirkungen haben. Weitere Forschung und Langzeitstudien sind erforderlich, um die Giftigkeit einzelner Kunststoffarten zu bestätigen, sichere Grenzwerte festlegen und Regulierungsstandards entwickeln zu können.

Förderung

Diese Forschung wurde von der Leibniz-Gemeinschaft (Berlin, Deutschland) im Rahmen des Leibniz-Verbundprogramms "Kooperative Exzellenz" unter dem Projekt "AirPlast" finanziert. Die Open-Access-Finanzierung wurde durch das Projekt DEAL ermöglicht und organisiert.

Publikation:
Ankush Kaushik, Anju Elizbath Peter, Manuela van Pinxteren, Barbara M. Scholz-Böttcher & Hartmut Herrmann: Composition, interactions and resulting inhalation risk of micro- and nano-plastics in urban air. Commun Earth Environ 6, 985 (2025). DOI:10.1038/s43247-025-02980-0; https://doi.org/10.1038/s43247-025-02980-0

Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.