Kunststoffabfälle schaden Meerestieren, die sich in größeren Teilen wie Netzen und Tüten verfangen oder kleinere Kunststoffteile mit Nahrung verwechseln, die dann den Magen-Darm-Trakt verstopfen oder verletzen können. Kunststoffpartikel im Mikro- und Nanobereich werden zum Großteil wieder ausgeschieden, können aber zum Teil durch die Darmwand in den Körper aufgenommen werden und in den Blutkreislauf gelangen.

Ein Großteil wissenschaftlicher Untersuchungen fokussierte bisher Kunststoffteilchen im Makro- und Mikrobereich. So gibt es recht wenige quantitative Angaben zur Belastung der Ozeane durch Nanoplastik, denn solche Kunststoffpartikel haben eine Größe von weniger als einem Mikrometer und sind zudem leicht veränderbar und methodisch oft nur schwer von anderen Partikeln in der Umwelt zu unterscheiden.

Auf einer Expedition der RV Pelagia, das größte seegängige Forschungsschiff der Niederlande und Flaggschiff des Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ), haben UFZ-Forscher und -Forscherinnen in Kooperation mit der Universität Utrecht im Jahr 2020 entlang eines Transekts im Nordatlantik das Nanoplastikvorkommen erfasst – vom küstennahen europäischen Festlandschelf über den offenen Atlantik bis hin zum subtropischen Nordatlantikwirbel, einem Strömungssystem des Nordatlantiks. An zwölf Messstellen wurden Proben gezogen: in der obersten Wasserschicht in rund zehn Meter Tiefe, in der Zwischenschicht in rund 1 000 Meter Tiefe und dann 30 Meter über dem Meeresboden. "Mit den Daten dieser Messstellen können wir Aussagen über die vertikale und horizontale Verteilung von Nanoplastik im Nordatlantik treffen", sagt Dr. Dušan Materić, Chemiker am UFZ und Erstautor der Studie.

Massenspektrometrische Analytik

Für die Untersuchungen wurden die Meerwasserproben im Labor zunächst durch einen Membranfilter mit einer Porengröße von einem Mikrometer gefiltert. Das Filtrat wurde dann auf Kunststoffarten untersucht. Für die Analyse der Wasserproben setzten die Forschenden ein hochauflösendes Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometer (PTR-MS) ein, das mit thermischer Desorption (TD) gekoppelt ist und so die Konzentrationen von organischen Spurengasen messen kann: Die winzigen Kunststoffpartikel in den Proben werden verbrannt und dann über das entstehende Gas quantifiziert. "Da jedes Polymer einen eigenen chemischen Fingerabdruck von Gasen erzeugt, lassen sich Identität und Konzentration sehr gut ermitteln", sagt Dušan Materić, der die Methodik im Jahr 2020 an der Universität Utrecht entwickelt hatte.

An allen zwölf Messstandorten konnten das Forschungsteam Kunststoffpartikel im Nanobereich nachweisen. "Sie sind überall in so großen Mengen vertreten, dass wir sie ökologisch nicht mehr vernachlässigen können", bilanziert der UFZ-Chemiker. Am häufigsten fand das Forschungsteam Nanopartikel von Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) – allesamt häufige Kunststoffe, aus denen beispielsweise Ein- und Mehrwegplastikflaschen, Folien oder Einwegtrinkbecher und Einmalbesteck bestehen. In der obersten Meerwasserschicht wiesen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen diese Kunststoffarten an fast allen Messpunkten nach. "Dies liegt daran, dass zum einen die Weiterverteilung aus der Atmosphäre über die Meeresoberfläche geschieht und zum anderen, dass viel Plastik über die Mündungsbereiche von Flüssen eingetragen wird", erklärt Dušan Materić. In der Zwischenschicht, der Schicht zwischen dem sauerstoffhaltigen Oberflächenwasser und dem sauerstofffreien Tiefenwasser, dominieren PET-Nanopartikel. "Im subtropischen Wirbel des Nordatlantiks haben wir eine höhere Belastung mit Nanoplastik festgestellt als außerhalb des Wirbels, der aufgrund der Meeresströmungen als Anreicherungszone für Mikroplastik an der Oberfläche bekannt ist." In der meeresbodennahen Schicht stellten die Forschenden die geringsten Konzentrationen von Nanoplastik fest. Aber auch dort registrierten sie an allen Messstellen Nanoplastik aus PET. Selbst in mehr als 4 500 Metern Tiefe fanden sie PET-Nanokunststoffe, die wahrscheinlich aus fragmentierten synthetischen Kleidungsfasern stammen, möglicherweise auch durch bislang unbekannte dynamische Prozesse entstanden sein könnten.

Überraschend war für das Forschungsteam, dass sie an keiner Messstelle Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) nachweisen konnten. Denn oft landen Müllsäcke und Plastiktüten, die PE und PP enthalten, als Müll im Meer "Es gibt sehr viel PE/PP-Mikroplastik an der Meeresoberfläche, aber wir fanden keine PE/PP-Nanopartikel, die beispielsweise infolge von Sonneneinstrahlung oder Abrieb durch den Wellengang hätten entstehen können", sagt Dušan Materić. Möglicherweise werde PE/PP-Nanoplastik mineralisiert oder so stark molekular verändert, dass es vom Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometer nicht mehr als ein Kunststoff erkannt werde, oder es könnten andere dynamische Sedimentations- und Entfernungsprozesse ablaufen, die bislang noch nicht bekannt seien.

Basierend auf den Konzentrationsmessungen konnten die Forschenden die Masse von Nanoplastik im Nordatlantik extrapolieren. Demnach befinden sich in der obersten, bis zu 200 Meter tiefen Wasserschicht des Nordatlantiks von der gemäßigten bis zur subtropischen Zone rund 27 Millionen Tonnen der winzigen Partikel der Kunststoffe PET, PS und PVC: 12,0 Millionen Tonnen Polyethylenterephthalat (PET), 6,5 Millionen Tonnen Polystyrol (PS) und 8,5 Millionen Tonnen Polyvinylchlorid (PVC). "Das ist etwa die gleiche Größenordnung wie die geschätzte Masse am Makro- und Mikrokunststoff für den gesamten Atlantik", sagt Dušan Materić. Damit mache Nanoplastik einen großen Teil an der Verschmutzung der Meere durch Kunststoffe aus. "Noch vor ein paar Jahren war umstritten, ob es überhaupt Nanoplastik gibt. Unsere Ergebnisse zeigen nun, dass zumindest in diesem Ozeansystem die Masse von Nanoplastik mit derjenigen von Makro- und Mikroplastik vergleichbar ist", sagt er.

Publikation:
Sophie ten Hietbrink, Dušan Materić, Rupert Holzinger, Sjoerd Groeskamp, Helge Niemann: Nanoplastic concentrations across the North Atlantic. Nature 643, 412–416 (2025). DOI:10.1038/s41586-025-09218-1

Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ