Mikro- und Nanoplastik und die menschliche Gesundheit

Tamara S. Galloway

Mikro- und Nanoplastik und die menschliche Gesundheit

Kapitel 13. Übersetzt und bearbeitet von Nicole Chanady und Kalliopi Droumalia

  1. Zahlen

Weltweit werden rund 300 Millionen Tonnen Kunststoff hergestellt.

Die Nachfrage nach Kunststoffen in der Europäischen Union wurde im Jahr 2010 auf rund 46,4 Millionen Tonnen geschätzt. Im Jahr 2012 wurde die Nachfrage nach Kunststoffen auf rund 45,9 Millionen Tonnen geschätzt. (PlasticsEurope 2013).

Die Gesamt-Recyclingquote liegt bei rund 57,9 %:

  • Dies entspricht rund 24,7 Millionen Tonnen von Plastikmüll, die jedes Jahr in den Abfallstrom gelangen.
  • Zur Abfallbeseitigung gehören die ungezielte Müllentsorgung, Deponien und Kanalisationssysteme.
  • Schließlich gelangt ein erheblicher Teil des Kunststoffabfalls ins Meer.
  • Jambeck et al. (2015) schätzen, dass im Jahr 2010 zwischen 4,8 und 12,7 Millionen Tonnen Kunststoffabfall im Meer landeten.
  1. Was ist Biomonitoring?

Die wachsenden Risiken der chronischen Aussetzung von Kunststoffen und ihren Zusätzen sind nur schwer abzuschätzen, da wir nur über begrenzte Informationen über die Stärke der Degradierung und Fragmentierung, das Auslaugen von Chemikalien in Umweltmatrizen, und die Aufnahme in die Nahrungskette verfügen.

Um trotzdem Informationen zu erhalten, muss man feststellen, welche Chemikalien sich tatsächlich im menschlichen Körper befinden. Zur Bioüberwachung (biomonitoring) von Menschen gehört die Messung der Konzentration von Umweltschadstoffen und/oder ihrer Stoffwechselprodukte im menschlichen Gewebe oder in Körperflüssigkeiten, zum Beispiel im Blut, in der Muttermilch, im Speichel oder im Urin. Das Biomonitoring wird als so genannter Goldstandard bei der Bewertung der Gesundheitsrisiken der Umweltbelastung angesehen, da es zusätzlich misst, inwieweit ein einzelner Mensch Umweltgiften ausgesetzt ist.

Dazu existiert eine Studie des amerikanischen Disease Control Center (NHANES), die sich aus mehreren Studien zusammensetzt. Diese wurden entwickelt, um den Gesundheits- und Ernährungsstatus von Erwachsenen und Kindern in den USA einzuschätzen. Es handelt sich um eines der umfassendsten Programme zur Bioüberwachung von Menschen. (http://www.cdc.gov/nchs/nhanes.htm).

 

 

  1. Was sind Kunststoffe, welche Arten gibt es und wo werden sie eingesetzt?

Der Begriff Kunststoff beschreibt Kunststoffpolymere, zu denen verschiedene Zusätze hinzugefügt wurden, um dem Endprodukt erwünschte Eigenschaften zu verleihen. (OECD 2004)

Es gibt zwei große Einsatzgebiete von Kunststoffen:

  • Kunststoffe, die zur Verpackung von Lebensmitteln und Konsumgütern eingesetzt werden
  • Kunststoffe in der Bauindustrie (PlasticsEurope 2013).

Kunststoffe werden aus Monomeren synthetisiert. Diese Monomere werden polymerisiert, um makromolekulare Ketten zu bilden. Eine Reihe von zusätzlichen Chemikalien können bei der Herstellung hinzugefügt werden, wie zum Beispiel Initiatoren, Katalysatoren und Lösungsmittel. Zusätze, die die Eigenschaften des Endproduktes verändern, sind Stabilisatoren, Weichmacher, Flammschutzmittel, Pigmente und Füllstoffe. Sie können sich vom Kunststoffpolymer lösen (Crompten 2007) und in die umliegende Umwelt gelangen, wie etwa in die Luft, ins Wasser, in unsere Lebensmittel oder in Körpergewebe.

Das Polymer Polyvinylchlorid (PVC) wird mit dem Einsatz von vielen Zusätzen hergestellt, wie Hitzestabilisatoren, die es während der Herstellung beständig machen, und Weichmachern, wie Phtalate, die dem Polymer Flexibilität verleihen (Lithner et al. 2011). Viele Faktoren, wie etwa die Größe und Volatilität der Zusätze, die Durchlässigkeit des Polymers selbst und die Temperatur und der pH-Wert der Umgebung bestimmen, wie schnell diese Substanzen vom Produkt freigesetzt werden (Zweifel 2001).

Kunststoffe können allein durch die Abgabe von Monomerkomponenten eine Gefahr darstellen (Lithner et al. 2011). Viele Kunststoffe im täglichen Gebrauch sind sehr resistent gegen den mikrobiellen Abbau. Stattdessen wird die Degradation und Freisetzung von Polymeren letztendlich durch die Belastung durch abiotische Faktoren verursacht, wie zum Beispiel Ultraviolettstrahlung (UV-Licht), Hitze oder mechanischem und/oder chemischem Verschleiß (Andrady 2015). Die Zerstörung der chemischen Verbindungen im Polymerrückgrat führt zu einer Kettenspaltung und Depolymerisation; eine Kettenablösung findet statt, wenn Seitenketten zerstört und freigesetzt werden. Diese Prozesse finden auf unterschiedlichen Wegen und unter verschiedenen Umwelteinflüssen statt, zum Beispiel bei Temperatur- und Sauerstoffschwankungen, und sie erfolgen bei unterschiedlichen Polymerarten in unterschiedlicher Geschwindigkeit. Polyester, Polycarbonat und Polyurethan sind zum Beispiel anfälliger für Depolymerisation als Polyethylen oder Polypropylen (Nicholson: 1996; La Mantia 2002).

3.1 In welchen Branchen werden Kunststoffe eingesetzt?

Jährlich werden 14,5 Millionen Tonnen Kunststoff allein in der Lebensmittelverpackungsindustrie eingesetzt (European Plastics Converters). Ein positiver Aspekt ist, dass Verbesserungen bei Lebensmittelverpackungen bakterielle Infektionen verhindern können, wie zum Beispiel Salmonellenbefall und andere durch Lebensmittel verursachte Krankheiten (Hanning et al. 2009; European Commission 2014). Außerdem können diese Verbesserungen dabei helfen, weniger Abfall zu produzieren und ihre Verbreitung einzudämmen.

 

Menge der verarbeiteten Kunststoffwerkstoffe nach relevanten Branchen 2013 (Deutschland)

 

Branche

Verarbeitung in kt
2013 2011
Verpackung 4.115 4.190
Bau 2.760 2.780
Fahrzeuge 1.180 1.170
Elektro / Elektronik 705 730
Haushaltswaren 345 350
Möbel 455 450
Landwirtschaft 370 370
Medizin 270 260
Sonstiges 1.555 1.560
Gesamt 11.755 11.860

 

Quelle: http://www.plasticseurope.org/documents/document/20141008165104endbericht_2013_2_(23__sep_2014)_kurzfassung.pdf

3.2 Was ist das Risikoverhältnis von Kunststoffen?

Lithner et al. (2011) befasste sich mit diesem Problem und führte eine umfassende Gefahrenbewertung der Kunstoffpolymere durch, basierend auf ihrer chemische Zusammensetzung. Diese Wertung betrachtet 55 der am häufigsten eingesetzten Polymerarten mit einer jährlichen weltweiten Produktion von mehr als 10.000 Tonnen. Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Modell für die Gefahrenbewertung der einzelnen Polymere. Das Modell basiert auf der Bewertung verschiedener einzelner Monomere nach den international anerkannten Kriterien für die Identifizierung sowohl physikalischer Risiken als auch von Umwelt- und Gesundheitsrisiken. Die Polymerarten, die anhand dieser Kriterien am höchsten und am niedrigsten bewertet wurden, sind in dieser Tabelle dargestellt.

 

 

Polymer Monomer(e) / Zusätze Risikoverhältnisa Recycling-Code Komponente gemessen in NHANES
Polymere mit dem höchsten Risikoverhältnis
Polyurethan PUR als Weichschaum Propylenoxid 13.844 6
Ethylenoxid
TDI (Tuluol-diisocyanat)
Polyacrylamid PAN mit Comonomere Acrylonitril 12.379 7 Acrylamid
Acrylamid
Vinylacetat
Polyvinylchlorid PVC, weichgemacht Mit Weichmacher 10.551 3 Benzylbutylphtalat (BBP)
Benzylbutylphtalat (BBP)

Bei 50 Gew.%

Polyvinylchlorid, PVC, nicht weichgemacht / hart   10.001 3
Polyurethan, PUR als Hartschaum Propylenoxid 7.384 6
4,4´-Methylendiphenyldiisocanat (MDI)
Cyclopentan
Epoxidharz DGEBA Bisphenol A 7.139 7 Bisphenol A
Epichlorhydrin
4,4´-Methylendianalin
Modacryl Acrylonitril 6.597
Vinylidenchlorid
Acrylnitril-Butadien-Styrol ABS Styrol 6.552 7 Styrol
Acrylnitril
1,3 Butadien
Styrol-Acrylnitril Styrol 2.788 7 Styrol
Acrylnitril
Schlagfestes Polystyrol SB Styrol 1.628 Styrol
Polymere mit dem niedrigsten Risikoverhältnis
Polyethylen mit niedriger Dichte LDPE Ethylen 11 4
Polyethylen mit hoher Dichte HDPE Ethylen 11 2
Polyethylen-terephtalat PET Terephthalsäure 4 1
Polyvinylacetat PVA Vinylacetat 1
Polypropylen PP Propylen 1 5

aRisikoverhältnis abgeleitet von verschiedenen einzelnen Monomeren.
Höhere Wertung = Höheres Risiko

  1. Was ist Mikroplastik?

Mikroplastikteilchen sind Kunststoffteilchen mit einer Größe von unter fünf Millimetern. Oftmals sind die Teilchen so klein, dass sie für das menschliche Auge kaum noch sichtbar sind.

4.1 Wo wird Mikroplastik eingesetzt?

Die Kosmetikindustrie verwendet Mikroplastik als Schleifmittel, Filmbildner oder Füllstoff, aber auch in flüssiger Form, zum Beispiel als Bindemittel.

4.2 Wie kann Mikroplastik in den Organismus gelangen?

Eine Aufnahme von Mikroplastik erfolgt meist passiv über die Gegenden des Darms, die nur mit einer Gewebeschicht (Epithel) bedeckt sind (Volkheimer 1977). Eine Kombination aus Größe, Oberflächenladung und hydrophilen Eigenschaften trägt zu einer besseren Aufnahme bei (diskutiert von Awaad et al. 2012). Dabei spielt vor allem die Teilchengröße eine wichtige Rolle, denn kleinere Teilchen werden besser aufgenommen als größere Teilchen.

Es wurde herausgefunden, dass die Aufnahme von Mikroteilchen über den Darm meist durch darmassoziiertes lymphatisches Gewebe (GALT) stattfindet.

4.3 Ist Mikroplastik eine Gefahr für unsere Gesundheit?

Aufgrund seiner Oberflächeneigenschaften wirkt Kunststoff wie ein Magnet auf Umweltgifte. Diese Gifte befinden sich im Wasser und reichern sich auf der Oberfläche der Mikroplastikteilchen an. Die Partikel werden dann samt Schadstoffen von den im Wasser lebenden Organismen, sowohl im Süßwasser als auch im Salzwasser, aufgenommen: Mikroplastik wurde in Seehunden, Fischen, Muscheln und kleineren Organismen nachgewiesen, die es mit ihrer Nahrung aufgenommen hatten.

Das Risiko, Mikroplastik aufzunehmen, das sich bereits auf verschiedenem Gewebe angereichert hat, hängt von dem Aufnahmegrad von Mikroplastik und dessen Verteilung und Speicherung im Körpergewebe ab.

Einmal in den Organismus aufgenommen, kann das Mikroplastik oft nicht mehr ausgeschieden werden. Weiterhin kann die Aufnahme zu Darmverschlüssen und Verletzungen an Schleimhäuten führen. Die große Oberfläche von Mikroplastik zieht Umweltschadstoffe an, die sich im Gewebe verteilen können.

4.4 Gibt es wissenschaftliche Beweise für die Aufnahme von Mikroplastik in den menschlichen Organismus?

Die Möglichkeit besteht durchaus, dass sich Mikroplastik in unserer Nahrung befindet, allerdings gibt es zurzeit keine wissenschaftlichen Beweise für eine unbeabsichtigte Aufnahme oder eine nachträgliche Verteilung der Mikroplastikteilchen, die über die Nahrung in den menschlichen Körper gelangen könnten.

Weltweit ist das Interesse allerdings sehr groß, Mikro- und Nanopartikeln mit glatter Oberfläche als Drug Delivery Systems (Arzneimittelabgabesystem) über orale, intravenöse und perkutane Wege zu nutzen (Kim et al. 2010). Die Migration von Nanopolymeren aus Verpackungsmaterial in die Nahrungsmittel wird ebenfalls weltweit erforscht (EFSA 2011; Lagaron and Lopez-Rubio 2011).

  1. Bewertung der Risiken von Mikro- und Nanoplastik für die Gesundheit

5.1 Auslaugen toxischer Kunststoffadditive

Kunststoff kann aus einer komplexen Mischung aus verschiedenen Additiven zusammengesetzt sein, die seine physikalischen Eigenschaften verbessern können. Diese Additive können aus dem Polymer in das Umfeld austreten, daher spricht man hier auch vom Auslaugen der Additive. Das Auslaugen findet vorrangig auf der Oberfläche der Kunststoffteilchen statt. Dabei besteht die Möglichkeit einer kontinuierlichen Diffusion von Chemikalien aus dem Teilchenkern an die Oberfläche. Obwohl die meisten dieser Chemikalien nicht persistent sind und eine kurze Halbwertszeit im Körper haben, könnte das Auslaugen von Kunststoffteilen eine langfristige Quelle von Chemikalien in Gewebe und Körperflüssigkeiten darstellen (Engler 2012). Kunststoffadditive, die für unsere Gesundheit bedenklich sein können, sind Phtalate, Bisphenol A, bromierte Flammschutzmittel, Triclosan, Benzophenone und zinnorganische Verbindungen.

Der Migrationslevel dieser Chemikalien wird durch Schätzwerte vorher durchgeführter Messungen ermittelt. In den Messungen werden verschiedene Lösungsmittel verwendet, um die Aufnahmeumgebung (z.B. Lebensmittel) zu simulieren. Schätzungen über Trennungsmodelle tragen ebenfalls zu Messwerten bei. Dabei werden Aspekte wie die Desorptionsrate bei Polymeren, d.h. die Geschwindigkeit, bei der Atome die Teilchenoberfläche verlassen, die verschiedenen Dimensionen der Polymerrahmenstruktur und der diffundierenden Moleküle in Betracht gezogen (Helmroth et al. 2002).

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit setzte einen Migrationsgrenzwert von 10 mg/dm² für Additive in Kunststoff, der als Verpackungsmaterial eingesetzt wird, fest. Bei bestimmten bedenklichen Chemikalien wurde ein strengerer Grenzwert von 0,01 mg/kg festgelegt (Richtlinie 2007/19/CE der EU-Kommission, Änderung der Richtlinie 2002/72/CE). Das bedeutet, dass ein durchschnittlicher Erwachsener mit einem Körpergewicht von 60 kg, der täglich 3 kg Nahrung und Flüssigkeit aufnimmt, einzelnen Stoffen aus Lebensmittelverpackungen von bis zu 250 μg pro Kilogramm pro Tag Körpergewicht ausgesetzt ist (Muncke 2011).

  1. Bisphenol A und die menschliche Gesundheit

Bisphenol A (BPA) wurde erstmals in den 1930er Jahren synthetisiert und als Östrogen eingesetzt (Dodds und Lawson 1936). Heute wird es in großen Mengen hergestellt und als Monomer in der Herstellung von Polycarbonat und Epoxidharz, das Lebensmittel- und Getränkedosen auskleidet, eingesetzt.

 

Zahlreiche Studien zeigen, dass die Migration von BPA aus Polycarbonat Lebensmittel und Getränke verunreinigen kann (überprüft/nachgeschlagen in Guart et al. 2013). Außerdem wird in weiteren Studien eine Belastung mit BPA von >95 % der Bevölkerung in den USA, Europa und Asien bestätigt (Galloway et al. 2010; Vandenberg et al. 2010).

Es gibt zunehmend Beweise von epidemiologischen Studien und Laborstudien, dass die Belastung durch BPA in der normalen Bevölkerung, bei einem Level von 0,2 – 20 ng/ml (Urin-Werte), mit schädlichen Auswirkungen auf die Gesundheit assoziiert werden kann, u.a. Ansätze zur Fettleibigkeit und Herz-Kreislauferkrankungen (Lang et al. 2008; Melzer et al. 2010, 2012; Cipelli et al. 2013). BPA kann, neben der Magenschleimhaut, auch über andere Körperoberflächen aufgenommen werden.

 

6.1. Alternativen zu BPA

Das Copolyester TritanTM, das aus drei verschiedenen Monomeren, Dimethylterephthalat, Cyclohexandimethanol, Tretamethyl-Cyclobutandiol, besteht, ist ein vielversprechendes Produkt (Eastman 2010). In Studien wurde gezeigt, dass es ein geringes Migrationspotential gibt, sowohl für die einzelnen Monomere als auch für die Additive, die in der Polymermatrix vorhanden sind. Das wichtigste Ergebnis jedoch ist, dass die Bestandteile und Auslaugungsprodukte des Polymers weder eine hormonelle noch eine toxische Aktivität zeigten.

  1. Ausblick

Die mögliche Belastung der Menschen durch Mikro- und Nanoplastik ist noch nicht ausreichend geprüft und bewiesen worden und hinterlässt daher einige offene Fragen:

  • Findet in der Umwelt eine signifikante biologische Anreicherung und durch Lebensmittel bedingte Verteilung von Mikro- und Nanoplastik statt?
  • Wenn ja, welche Spezies trägt dann das höchste Risiko?
  • Inwiefern beeinflusst das Altern der Kunststoffe ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften und ihre daraus folgende Toxizität?
  • Folgt man der Nahrungsaufnahme, werden dabei Mikro- und Nanoplastikteilchen mit aufgenommen? Wie variiert das bei unterschiedlichen Kunststoffabfallarten und welche Zellen sind am anfälligsten für Giftstoffe?
  • Welche Methoden sollten verwendet werden, um Mikro- und Nanoplastikteilchen in komplexen Matrizen, einschließlich Körpergewebe, zu lokalisieren, zu identifizieren und zu quantifizieren?
  • Bereits bekannte Techniken sind die Feldflussfraktionierung, multi-angled light scattering (MALS), Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) und nicht-lineares optisches Bioimaging.


 

Quellen:

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Cipelli, R., Harries, L., Okuda, K., Yoshihara, S., Melzer, D., & Galloway, T. S. (2013).Bisphenol A modulates the expression of Estrogen-Related Receptor-α in T-Cells.Reproduction, 147, 419–426.

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Dodds, E. C., & Lawson, W. (1936). Synthetic estrogenic agents without the phenanthrene nucleus. Nature, 137, 996.

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