13.09.2021 - Woods Hole Oceanographic Institution

Sonnenlicht kann Plastik im Meer in Zehntausende von chemischen Verbindungen zerlegen

Früher dachte man, dass Sonnenlicht Kunststoffe in der Meeresumwelt nur in kleinere Partikel zerlegt, die dem ursprünglichen Material chemisch ähneln und für immer bestehen bleiben. In jüngerer Zeit haben Wissenschaftler jedoch gelernt, dass Sonnenlicht Kunststoffe auch chemisch in eine Reihe von polymeren, gelösten und gasförmigen Produkten umwandelt.

Eine neue Studie zeigt nun, dass diese chemische Reaktion Zehntausende von wasserlöslichen Verbindungen oder Formulierungen erzeugen kann. Die Zerlegung in so viele Formulierungen innerhalb weniger Wochen ist mindestens zehnmal komplexer als bisher angenommen.

"Die zunehmenden Belege dafür, dass die photochemische Umwandlung von Kunststoffen ein wichtiger Transformationsprozess in Oberflächengewässern ist, stellen eine weit verbreitete Annahme über die Persistenz von Kunststoffen in der Umwelt in Frage", heißt es in dem in der Zeitschrift Environmental Science & Technologyveröffentlichten Artikel Plastic formulation is an emerging control of its photochemical fate in the ocean .

Wissenschaftler, politische Entscheidungsträger, die Industrie und andere "gehen davon aus, dass Makroplastik durch Sonneneinstrahlung lediglich physikalisch in Mikroplastik zerlegt wird, das anschließend für immer in der Umwelt verbleibt", heißt es in dem Papier, dessen Hauptautorin Anna Walsh, Studentin am Massachusetts Institute of Technology-Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) Joint Program in Chemical Oceanography ist. Die neuen Erkenntnisse sowie die in der Literatur veröffentlichten Ergebnisse "stellen diese Richtlinie grundlegend in Frage und zeigen, dass Sonnenlicht nicht nur die physikalische Fragmentierung von Plastik unterstützt, sondern es auch chemisch verändert und eine Reihe von Umwandlungsprodukten erzeugt, die dem Ausgangsmaterial nicht mehr ähneln".

"Es ist erstaunlich, dass Sonnenlicht Plastik, das im Wesentlichen aus einer einzigen Verbindung besteht, der üblicherweise einige Zusatzstoffe beigemischt sind, in Zehntausende von Verbindungen zerlegen kann, die sich in Wasser auflösen", sagt Mitautor Collin Ward, Assistenzwissenschaftler in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI.

"Wir müssen nicht nur über den Verbleib und die Auswirkungen der ursprünglichen Kunststoffe nachdenken, die in die Umwelt gelangen, sondern auch über die Umwandlung dieser Materialien", so Ward. "Wir wissen noch nicht wirklich, welche Auswirkungen diese Produkte auf aquatische Ökosysteme oder biogeochemische Prozesse wie den Kohlenstoffkreislauf haben könnten. Dass Kunststoffe schneller als erwartet abgebaut werden, mag zwar eine gute Sache sein, aber es ist unklar, wie sich diese Chemikalien auf die Umwelt auswirken.

Die Studie untersuchte den Abbau von vier verschiedenen Einweg-Polyethylen-Plastiktüten von drei großen Einzelhändlern, die viele Plastiktüten herstellen - Target, CVS und Walmart - unter Sonnenlicht und verglich sie mit reiner Polyethylenfolie. Die meisten Kunststoffe, darunter auch die Tüten dieser Einzelhändler, bestehen nicht nur aus einem reinen Basisharz, sondern enthalten eine komplexe Formulierung chemischer Zusatzstoffe, die dem Kunststoff ein bestimmtes Verhalten oder Aussehen verleihen. Bis zu einem Drittel der Masse der Plastiktüten der Einzelhändler bestand aus anorganischen Additiven.

Die durch das Sonnenlicht erzeugten organischen Verbindungen wurden im National High Magnetic Field Laboratory analysiert, das ein Massenspektrometer mit einem 21-Tesla-Magneten konzipiert und entwickelt hat, das die höchste Massenauflösung und -genauigkeit der Welt erreicht. Im Grunde genommen ist das Gerät die raffinierteste Waage der Welt, mit der die Wissenschaftler die Zusammensetzung der durch Sonnenlicht erzeugten Formulierungen bestimmen können.

Die Forscher fanden heraus, dass die vier Tüten der Einzelhändler unter Sonneneinstrahlung zwischen etwa 5.000 Formulierungen (für die Target-Tüte) und 15.000 Formulierungen (für die Walmart-Tüte) produzierten, während die reine Polyethylenfolie etwa 9.000 Formulierungen produzierte. Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass sich die Zusammensetzung der produzierten Formulierungen zwischen dem reinen und dem Konsumkunststoff unterschied.

In vielen früheren Studien über Kunststoffe im Meer wurden in der Regel reine Polymere verwendet, die für Kunststoffe in der Meeresumwelt wenig aussagekräftig sind. In dem Papier wird die Forschungsgemeinschaft aufgefordert, "die verschiedenen Formulierungen und sonnenlichtbedingten Umwandlungen von Kunststoffen im Meer zu berücksichtigen", um ein umfassendes und genaues Verständnis des Verbleibs und der Auswirkungen der Meeresverschmutzung durch Kunststoffe zu gewinnen.

"Wenn wir den Verbleib und die Auswirkungen dieser Materialien verstehen wollen, müssen wir Kunststoffe untersuchen, die repräsentativ für diejenigen sind, die tatsächlich in die Umwelt gelangen, und wir müssen die Verwitterungsprozesse untersuchen, die auf sie einwirken", sagt Ward.

"Ich bin begeistert von dieser Arbeit, weil sie umsetzbare und realisierbare Ansätze für die Herstellung von weniger persistenten Kunststoffen in der Zukunft liefert", sagt Mitautor Christopher Reddy, leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI. "Durch einfache Änderung der Inhaltsstoffe in ihren Rezepturen kann die Kunststoffindustrie ihre Produkte anfälliger für den Abbau machen, wenn das Produkt seine Nutzungsdauer erreicht hat".

"Es gibt viel Raum für eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie bei diesem Problem", fügt Ward hinzu. "Ein logischer Weg, das Problem schneller zu lösen, besteht darin, mit denjenigen zusammenzuarbeiten, die die Materialien entwickeln und ihre Zusammensetzungen verstehen. Im Idealfall können wir herausfinden, wie Kunststoffe so umformuliert werden können, dass sie entweder schneller zu unbedenklichen Produkten abgebaut werden oder dass die Produktion von unbedenklichen Verbindungen minimiert wird.

Eine frühere Arbeit von Ward, Reddy und dem Hauptautor Taylor Nelson, einem Postdoktoranden in der Abteilung für Meereschemie und Geochemie des WHOI, zeigt, dass Biofilme, die auf Plastik im Meer wachsen, das Licht davon abhalten, die Plastikoberfläche zu erreichen, und den Abbau von Plastik durch Sonnenlicht verlangsamen können. Wie die von Walsh geleitete Arbeit zeigt auch Nelsons Arbeit, dass die Zusammensetzung des Kunststoffs, einschließlich des Vorhandenseins von Zusatzstoffen, das Ausmaß dieses Effekts beeinflusst.

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