Obwohl Plastikpartikel in der Luft zunehmend in den Fokus geraten, ist das Wissen über deren Verbreitung und Wirkung immer noch begrenzt. Chemische Analysen aus Leipzig liefern jetzt erstmals Details aus Deutschland dazu: Rund 4 Prozent der Feinstaub-Masse bestehen aus Plastik. Rund zwei Drittel davon gehen auf Reifenabrieb zurück. Hochgerechnet bedeutet dies, dass Menschen in einer Stadt wie Leipzig ungefähr 2,1 Mikrogramm Plastik pro Tag über die Luft einatmen, was das Sterberisiko durch Herzkreislauferkrankungen um 9 Prozent und durch Lungenkrebs um 13 Prozent erhöht.

Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, global Maßnahmen gegen die Plastikverschmutzung zu ergreifen sowie Luftqualität und Gesundheit regional unter die Lupe zu nehmen, schreiben Forschende des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) und der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg im Fachjournal communications earth & environment der Nature-Verlagsgruppe. Die Studie entstand im Rahmen des von der Leibniz-Gemeinschaft geförderten Projekts „AirPlast“.

Plastikpartikel in der Luft sind in den letzten Jahren in den Fokus der Wissenschaft geraten, weil sie selbst in menschenleeren Regionen wie den Polargebieten oder Hochgebirgen nachgewiesen werden konnten und sie das Potenzial haben, ökologische Prozesse zu stören und die menschliche Gesundheit zu beeinflussen. Für diese Art der Luftverschmutzung kommen verschiedenste Quellen in Frage wie Reifenabrieb, Bremsabrieb, Textilfasern, Staub oder urbane Oberflächen.

Aber auch Plastik, das in großen Mengen über die Flüsse in die Ozeane gelangt, kann später als Mikro- und Nanoplastik über die Gischt aus dem Wasser wieder in die Luft gelangen. Als Nanoplastik werden alle Plastikpartikel kleiner als 1 Mikrometer bezeichnet, als Mikroplastik alle zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter. Obwohl die Mengen an Plastik offensichtlich zunehmen, ist über die Risiken durch eingeatmete Plastikpartikel bisher noch zu wenig bekannt.

Klar ist bisher: Eingeatmetes Nanoplastik kann bis in die Luge geraten und dort oxidativen Stress oder Entzündungsreaktionen auslösen, die zu Atemwegserkrankungen beitragen. Außerdem können diese Partikel Schwermetalle, Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) und andere Stoffe auf ihrer Oberfläche transportieren, die die Giftigkeit verstärken. Das lückenhafte Wissen über Mikro- und Nanoplastik ist auch ein Grund, dass es momentan weder von der Weltgesundheitsorganisation WHO noch von der Europäischen Union Empfehlungen oder Grenzwerte für Plastik in der Luft gibt. Während die Plastikverschmutzung in den Ozeanen inzwischen Teil der Verhandlungen über ein UN-Plastikabkommen ist, spielen die kleinen Plastikpartikel in der Luft bisher in der politischen Diskussion kaum eine Rolle.

Die Forschung zu Plastik in der Luft hat erst in den letzten zehn Jahren an Dynamik gewonnen. Ein Grund dafür ist, dass „Plastik“ nicht ein Material ist, sondern eine ganze Gruppe verschiedener Substanzen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften. Aufgrund dieser Vielfalt verwenden Wissenschaftler mehrere sich ergänzende Analysemethoden. Spektroskopische Techniken können Informationen über die Partikelstruktur und Oberflächeneigenschaften liefern, während massenbasierte Ansätze zur Bestimmung der Gesamtmengen eingesetzt werden.

Allerdings sind sehr kleine Partikel, insbesondere Nanokunststoffe, in komplexen Umweltproben besonders schwer zu analysieren und eindeutig zu identifizieren. Herkömmliche optische Methoden sind nur begrenzt in der Lage, Partikel im Nanometerbereich zuverlässig nachzuweisen, und die Identifizierung des genauen Polymertyps bleibt bei diesen kleinen Größenordnungen eine Herausforderung.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde die Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (Py-GC-MS) zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt. Bei diesem analytischen Verfahren werden die Proben durch schnelle Erhitzung (Pyrolyse) in kleinere Fragmente zerlegt, gaschromatographisch getrennt und massenspektrometrisch identifiziert. Da es bisher keine Standards für den Nachweis der unterschiedlichen Polymere gibt, musste das Team Methoden dafür entwickeln.

Dazu wurden 11 häufige Arten einschließlich 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 analytischen „Fingerabdruck“ wurde anhand von kommerziell erhältlichen Rohpolymeren bestimmt und dann mit den Proben aus der Luft in Leipzig verglichen.

Die Feinstaub-Proben von PM10 (kleiner als 10 Mikrometer) und PM2,5 (kleiner als 2,5 Mikrometer) wurden mit 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 aller 24 Stunden gewechselt. Die Filter werden später im Labor mit Pyrolyse-Gaschromatographie und Massenspektroskopie aufwendig analysiert.

Gemessen wurde zwei Wochen lang (01. bis 14. September 2022) im Wissenschaftspark an der Torgauer Straße, einer Ausfallstraße im Stadtgebiet von Leipzig – also an 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 genommen und 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 jetzt veröffentlichte Studie ist ein erster Einblick in die Belastung der Atemluft mit Mikroplastik in einer Stadt wie Leipzig. Wie stark die Konzentrationen zeitlich und räumlich variieren, ist aber bisher noch völlig 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.

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 in Graz (Österreich), Kyoto (Japan) und Shanghai (China) nachgewiesen. Die Leipziger Studie ist die erste ihrer Art in Deutschland und liefert 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.

Feinstaub als Gesundheitsrisiko ist seit Jahrzehnten bekannt. Laut WHO ist die Massenkonzentration ein entscheidender Parameter für die Bewertung der Luftverschmutzung und ihrer Auswirkungen auf die Gesundheit sowie für die Entwicklung von Rechtsvorschriften. Um grob abzuschätzen wie stark Menschen in Leipzig durch Plastikpartikel in der Atemluft Risiken ausgesetzt sind, bestimmte das Forschungsteam zunächst die Masse der Plastikpartikel 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 Plastik-Feinstaub pro Tag einatmen, was 0,7 Milligramm pro Jahr entspricht. Auch für Megastädte in China und Indien gibt es inzwischen Schätzungen darüber, wie viel Mikroplastik Menschen einatmen. Diese Schätzungen variieren jedoch stark. Die große Bandbreite unterstreicht, 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-Plastik-Partikel tiefer in die Atemwege eindringen, was ein höheres Potenzial für langfristige Erkrankungen birgt. 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. Diese Hochrechnungen ergaben ein potenziell erhöhtes Mortalitätsrisiko von 5–9 % für Herz-Lungen-Erkrankungen (relatives Risiko (RR): 1.08) und von 8–13 % für Lungenkrebs (relatives Risiko (RR): 1.12).

„Das ist höher als das Risiko von Feinstaub PM2.5 allgemein in Europa. Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass Mikro-Nano-Plastik trotz geringer Masse Gesundheitsrisiken im Laufe der Zeit mit sich bringen kann. Das erhöhte Sterberisiko bei Lungenkrebs und Herzkreislauferkrankungen könnte von einer möglichen polymerspezifischen Toxizität des Plastik-Feinstaubes verursacht sein“, erklärt Kaushik.

Die Bekämpfung der Luftverschmutzung durch Plastikfeinstaub ist wichtig für die Verringerung der Exposition der Menschen (UN-Ziel SDG 3 für nachhaltige Entwicklung: Gesundheit und Wohlergehen), die Integration des Luftqualitätsmanagements in die Stadtplanung (UN-SDG 11: Nachhaltige Städte und Gemeinden) und die Auswirkungen auf die Atmosphäre (UN-SDG 13: Klimaschutz). „Das 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.

Aktuelle Erkenntnisse wie diese Studie aus Leipzig deuten zunehmend darauf hin, dass das Einatmen von Plastikpartikeln und besonders Nanoplastik gesundheitliche Auswirkungen haben könnte. Die Forschung dazu ist jedoch noch relativ jung. Weitere Langzeitstudien sind erforderlich, um die Giftigkeit einzelner Plastikarten zu bestätigen, sichere Grenzwerte festzulegen und Regulierungsstandards zu entwickeln. Bis dahin unterstreichen die Ergebnisse aus Leipzig, wie wichtig es ist, Mikro- und Nanoplastikpartikel in der Luft als neue Schadstoffe zu überwachen und die Methoden zur Bewertung von Gesundheitsrisiken weiter zu verfeinern. Tilo Arnhold