Nachhaltigkeit
Kann eine ‘Nachhaltigkeitsmetrik’ unsere Plastikverschmutzung eindämmen?
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Kunststoffe, die hauptsächlich aus Polymeren bestehen, sind eine breite Kategorie synthetischer oder halbsynthetischer organischer Verbindungen. Ihre Plastizität ermöglicht es, Kunststoffe in verschiedene Formen zu gießen und hat viele wertvolle Anwendungen.
Da Kunststoff billig, vielseitig und steril ist, findet er zahlreiche Anwendungen, darunter Haushaltsgeräte, Lebensmittelverpackungen, Bauwesen und medizinische Instrumente, und bereichert unser Leben.
Der Kunststoffverbrauch ist in den letzten Jahrzehnten stark gewachsen und führt heute zu etwa 450 Millionen Tonnen Kunststoffabfall pro Jahr. Tatsächlich macht er mindestens 85 % des gesamten Meeresabfalls aus. Der Großteil des Kunststoffabfalls (46 %) wird deponiert, nur 15 % werden zur Wiederverwertung gesammelt und weniger als 9 % tatsächlich recycelt. Der Rest zerfällt entweder in kleinere Fragmente oder wird verbrannt.
Während Kunststoffe Teil des fossilen Erdrekords werden, bringen sie schwere Umwelt-, Gesundheits-, Sozial- und Wirtschaftsfolgen mit sich. Darüber hinaus zeigen neuere Studien ein zunehmendes Vorkommen winziger Partikel in unserem Wasser und unserer Nahrung, was diese Probleme weiter verschärft.
Eine neue Studie von Forschern der Columbia University hat ergeben, dass in im Handel erhältlichem Flaschenwasser möglicherweise zehn- bis hundertmal mehr Plastik enthalten ist, als bisher geschätzt. Das im Wasser gefundene Plastik lag in Form von Nanopartikeln vor, die 1 000‑fach dünner sind als die durchschnittliche Breite eines menschlichen Haares. Diese Nanopartikel sind so winzig, dass sie unter dem Mikroskop nicht zu sehen sind und über die Gewebe des Verdauungstrakts oder der Lungen in den Blutkreislauf gelangen können. Einmal im Blutkreislauf können diese winzigen Partikel schädliche synthetische Chemikalien im gesamten Körper und in die Zellen verteilen.
Die Studie stellt fest, dass im Durchschnitt 240 000 Plastikpartikel in einem Liter Wasser nachgewiesen wurden, was zwei handelsübliche Flaschen entspricht. Diese Partikel stammten aus sieben Kunststoffarten, wobei 90 % Nanoplastik und die restlichen 10 % Mikroplastik waren.
Mikroplastik sind Polymerfragmente, die von weniger als 0,2 Zoll bis zu 1/25 000 Zoll reichen. Alles, was kleiner ist, wird als Nanoplastik eingestuft und in Milliardstel Metern gemessen.
Dieses Ergebnis zeigt, dass Kunststoffe ständig abblättern, ähnlich wie wir Hautzellen verlieren. Das fortlaufende Abblättern winziger Plastikstücke, die dann abbrechen, unterstreicht die Bedeutung der Verwendung von Edelstahl- oder Glasbehältern, um die Exposition zu reduzieren.
Sherri “Sam” Mason, Direktorin für Nachhaltigkeit an der Pennsylvania State University at Erie, die nicht an der Studie beteiligt war, bezeichnete die Studie als
„äußerst beeindruckend … Ich würde sie bahnbrechend nennen.“
Untersuchung der chemischen Struktur & Risiken von Nanopartikeln
Bereits 2018 war Mason Mitautorin einer Studie, die erstmals das Vorhandensein von Mikro‑ und Nanoplastik in der überwiegenden Mehrheit (93 %) der getesteten Flaschenwasserproben nachwies. In ihrer Studie entdeckte sie, dass jeder verschmutzte Liter Wasser im Durchschnitt 300 kleinere Partikel sowie zehn Plastikpartikel enthielt, die breiter als ein menschliches Haar waren.
Obwohl bereits bekannt war, dass Nanoplastik existiert, war es damals nicht möglich, diese Partikel zu beurteilen, geschweige denn herauszufinden, ob es noch mehr gibt.
Jetzt hat eine im dritten Januar‑Woche 2024 im Journal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie gezeigt, dass eine neue Technologie demonstriert wurde, die nicht nur sehen, sondern auch die Anzahl und chemische Struktur von Nanopartikeln in Flaschenwasser erfassen kann.
Der neue Ansatz, der auf einer modifizierten, laserbasierten Technik namens Raman‑Spektroskopie beruht, kann dabei helfen. Die Stimulated Raman Scattering Microscopy (SRS) misst, wie Moleküle auf Licht reagieren und verstärkt das Signal um ein Vielfaches, sodass das Nanopartikel detektiert werden kann. Man hofft, damit zu verstehen, ob Polymere, „der Plastikanteil des Plastiks“, dem Körper schaden.
Diese Studie war die erste, die Mikroskopie im Nanoplastik‑Bereich einsetzte. Das Forschungsteam untersuchte drei nicht genannte, populäre Wassermarken, die in den USA verkauft werden, und stellte fest, dass sie 110 000 bis 370 000 Plastikstücke pro Liter enthielten, anstatt der erwarteten 300.
„Diese Partikel können anorganische Nanopartikel, organische Partikel und einige andere Plastikpartikel sein, die nicht zu den sieben Haupt‑Kunststofftypen gehören, die wir untersucht haben.“
– Beizhan Yan, der Teil der Forschung war und assoziierter Forschungsprofessor am Earth Observatory der Columbia University ist
Die Fähigkeit dieser Technologie, Nanopartikel zu sehen und zu analysieren, bietet die Möglichkeit, die potenziellen Risiken für die menschliche Gesundheit besser zu verstehen, insbesondere für Säuglinge und kleine Kinder, deren Gehirne und Körper sich noch in der Entwicklungsphase befinden und empfindlicher gegenüber toxischen Belastungen sind.
Unter den verschiedenen Arten der Plastikverschmutzung sind Nanoplastik am alarmierendsten, weil sie sehr klein sind und in die Zellen und Gewebe unserer wichtigsten Organe eindringen können. Dort können diese Plastikstücke potenziell Chemikalien wie Schwermetalle, Phthalate, Bisphenole, Flammschutzmittel und PFAS (per‑ und polyfluorierte Substanzen) ablagern. Diese endokrinen Disruptoren (EDCs) haben zu einem dramatischen Anstieg der US‑Gesundheitskosten geführt, allein im Jahr 2018 etwa 250 Milliarden Dollar, laut Forschung.
Bereits wurde beobachtet, dass die geringe Größe von Mikroplastik es ihnen ermöglicht, toxische Materialien aus der Umwelt zu absorbieren und in die Nahrungskette einzutreten. Zusätzlich gelangen alle bei der Kunststoffherstellung verwendeten Chemikalien nicht nur zusammen mit dem Plastik in unseren Körper, sondern migrieren auch aus dem Plastik heraus in unseren Körper, der eine höhere Temperatur als die äußere Umgebung hat.
Diese Chemikalien gelangen dann in Nieren, Leber und Gehirn. Anschließend werden sie in den Gehirnen, Herzen, Lebern, Nieren und Lungen ungeborener Kinder gefunden, wie Studien an schwangeren Mäusen zeigen, nur 24 Stunden nachdem die Mutter Plastikpartikel aufgenommen oder eingeatmet hatte.
„Mikro‑ und Nanoplastik wurden bereits in der menschlichen Plazenta nachgewiesen. Sie wurden in menschlichem Lungengewebe, menschlichen Fäkalien und menschlichem Blut gefunden.“
– Phoebe Stapleton, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin an der Pharmazieschule der Rutgers University
Die Beständigkeit von Mikroplastik weist darauf hin, dass sie langfristige ökologische und gesundheitliche Risiken darstellen. Neuere Erkenntnisse deuten zudem darauf hin, dass natürliche Ereignisse wie Hurrikane diese Verschmutzung ebenfalls verstärken, indem sie als kraftvolle Verbreitungsmechanismen fungieren. Das stellt eine wachsende Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit weltweit dar.
Lösung des Problems der Plastikverschmutzung mittels Nachhaltigkeitsmetrik
Während neue Technologien und Ansätze eingesetzt werden, um bisher unsichtbare Nanopartikel zu analysieren, werden auch Fortschritte bei der Bekämpfung der Plastikverschmutzung erzielt. In einer jüngsten Studie entwickelten Forscher der gemeinnützigen Organisation für Meeresforschung, dem Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), eine Nachhaltigkeitsmetrik für das ökologische Design von Plastikprodukten mit geringer Umweltbeständigkeit. Die Einhaltung dieser Metrik soll Umwelt‑ und Gesellschaftsvorteile bringen.
Die neue Studie verglich Indizes für die Umweltauswirkungen von Kunststoffen sowie deren Ersatzstoffen und zeigte, dass die Berücksichtigung der Umweltbeständigkeit von Kunststoffen zu Vorteilen von mehreren hundert Millionen Dollar für ein einzelnes Konsumprodukt führen könnte.
Solche Produkte werden im Allgemeinen durch das Ausbalancieren von Zielkonflikten zwischen Ressourcenverbrauch und Umweltbelangen entworfen. Dieses Gleichgewicht ist nötig, weil, obwohl es Rahmenwerke zur Abschätzung dieser Auswirkungen gibt, bisher keines für die Materialauswahl oder die Quantifizierung der Umweltbeständigkeit entwickelt wurde. Die aktuelle Studie zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem sie Metriken und Methoden einführt, die Designern, Ingenieuren und Wissenschaftlern helfen, fundierte Designentscheidungen zu treffen und Forschungsprioritäten zu setzen.
Für diesen Zweck hat eine im Journal ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlichte Studie eine Nachhaltigkeitsmetrik für das ökologische Design von Plastikprodukten mit geringer Umweltbeständigkeit entwickelt.
Trotz der Risiken, die die Plastikverschmutzung für die menschliche Gesundheit und Ökosysteme darstellt, steigt die Nutzung von Plastikprodukten weiter an. Daher erfordert die Begrenzung des Schadens Designstrategien für Plastikprodukte, die von den Bedrohungen, die Kunststoffe für die Umwelt darstellen, informiert sind, wie in der Studie dargelegt.
Zu diesem Zweck wurde eine Nachhaltigkeitsmetrik für das Öko‑Design von Plastikprodukten entwickelt, die darauf abzielt, die Leistung zu erhalten und gleichzeitig eine geringe Umweltbeständigkeit sicherzustellen. Die Analyse identifiziert Materialien und deren Eigenschaften, die für die Entwicklung, Einführung und Investition in die Herstellung von Plastikprodukten, die weniger umweltbelastend, aber dennoch funktional sind, förderungswürdig sind.
„Wichtig ist zu bestimmen, wie wir funktionale, nachhaltige und unbedenkliche Materialien, Produkte und Prozesse entwerfen können, die alle Prinzipien des grünen Materialengineerings in die zukünftige Welt einfließen lassen, in der wir leben werden.“
– sagte leitender Autor Bryan James, Materialwissenschaftler und Ingenieur
Er fügte hinzu:
„Welche nächsten Strategien und Werkzeuge können Ingenieure, Produktdesigner und sogar der durchschnittliche Verbraucher nutzen, um die besten Entscheidungen für die Umwelt zu treffen, ohne die Produktleistung opfern zu müssen?“
Um diese Metrik zu erstellen, nutzte die Studie die Umweltabbau‑Rate von Plastik zusammen mit etablierten Strategien zur Materialauswahl. Dieser Ansatz konzentrierte sich auf die Umweltauswirkungen und Eigenschaften verschiedener Materialien und lieferte einen Leitfaden, der auf ihrer Beständigkeit in der Umwelt basiert.
Die Implementierung einer Nachhaltigkeitsmetrik für Beständigkeit war herausfordernd, weil historisch umfassende Daten zu den verschiedenen Kunststoffarten, die in Konsumgütern verwendet werden, fehlten. Mit dem jüngsten Zugang zu ausreichenden Daten über realistische Umweltabbau‑Raten einer breiten Palette von Kunststoffen können Forscher nun aufzeigen, wie der Austausch eines Materials gegen ein anderes im Designprozess sowohl die Produktkosten als auch die Treibhausgasemissionen reduzieren kann.
Durch die Berücksichtigung der Eigenschaften verschiedener Kunststoffarten und deren strategische Nutzung können Wechsel vorgenommen werden, um die Umweltbeständigkeit zu minimieren und erhebliche Vorteile zu erzielen.
Beispielsweise wendete die Studie diese Metrik an, um auf alternative Materialien wie Cellulose‑Diacetat und Polyhydroxyalkanoate für Einweg‑Kaffeebecher‑Deckel umzusteigen. Dieser Wechsel könnte die gesellschaftlichen Umweltkosten um mehrere hundert Millionen Dollar senken. Diese Deckel, die derzeit aus Materialien wie Polymilchsäure, Polypropylen und Polystyrol hergestellt werden, tragen zu etwa 5 % aller weltweit bei Küstenreinigungen gesammelten Plastikabfälle bei. Cellulose‑Diacetat und Polyhydroxyalkanoate sind zwar etwas teurer, haben aber geringere Treibhausgasemissionen als Polymilchsäure und zersetzen sich nicht im Ozean.
Bei der Entscheidung, zu welchem Material gewechselt werden soll, prüfte die Studie, ob es besser ist, ein Material mit geringeren Treibhausgasemissionen zu verwenden, das jedoch länger beständig bleibt, oder eines mit leicht höheren Emissionen, das jedoch weniger beständig ist. Zu diesem Zweck ordnete die Studie jedem Material einen Geldwert für die Umweltkosten zu.
„Einfach Produkte zu schaffen, die weniger beständig sind, weil sie nicht vorhanden sind oder schneller verschwinden, reduziert die Kosten für die Gesellschaft enorm.“
– sagte leitender Autor Jame, Postdoktorand in der Abteilung Marine Chemistry & Geochemistry des WHOI
Indem die Beständigkeit des Deckels berücksichtigt wird, die Designer derzeit nicht berücksichtigen, sagte Co‑Berater Christopher Reddy, Senior Scientist in der Abteilung Marine Chemistry & Geochemistry des WHOI, diese Metrik sei „bahnbrechend“, da sie die Erzählung von der Definition des Problems hin zu Lösungen verschiebt.
Wie Mitautorin und Co‑Beraterin Collin Ward, assoziierter Wissenschaftler in der Abteilung Marine Chemistry & Geochemistry des WHOI, bemerkte, angesichts der hohen Nützlichkeit von Kunststoffen, „sie werden nicht so bald verschwinden.“ Dennoch stimmen alle darin überein, dass das Problem der Plastikverschmutzung und ihr Ausmaß, das in die Umwelt gelangt, gravierend ist. Ward sagte:
„Der in dieser Studie vorgestellte Rahmen stellt einen wichtigen ersten Schritt zur Lösung dieses Problems dar, indem Materialien entworfen werden, die gleichzeitig den Bedürfnissen der Verbraucher entsprechen und nicht beständig bleiben, wenn sie versehentlich in die Umwelt gelangen.“
Unternehmen, die neuartige Lösungen zur Entfernung von Plastikabfällen entwickeln
Da die Plastikverschmutzung zu einem kritischen Problem wird, arbeiten weltweit viele Unternehmen an Lösungen zur Entfernung von Plastikabfällen aus Gewässern, wie zum Beispiel:
1. SUEZ Group
Dieses europäische Unternehmen konzentriert sich weltweit auf das Management des Wasserkreislaufs sowie auf Lösungen zur Abfallrecycling‑ und -rückgewinnung. Die SUEZ Group verfügt über fast 1 700 Patente und zehn Forschungszentren zum Schutz der Umwelt.
Die Unternehmensanteile sind an den Euronext‑Börsen in Paris und Brüssel notiert und werden derzeit zu 19,83 EUR gehandelt. Im September 2023 unterzeichnete das Unternehmen zwei neue Verträge für Wasser‑ und Abfallprojekte, um Chinas Ziel der CO₂‑Neutralität bis 2060 weiter zu unterstützen.
2. Clearwater Mills
Das Unternehmen baute Trash Wheels, um Flussabfälle zu bekämpfen, und hat bisher insgesamt etwa 2 000 Tonnen Müll eingesammelt. Die Funktionsweise besteht darin, dass Fangbojen in V‑Form über dem Fluss angeordnet werden, mit Gummischürzen knapp unter der Wasseroberfläche, die den Müll auffangen und zu einem rotierenden Wasserrad leiten, das den Müll aus dem Fluss hebt.
Fazit
Um das ernsthafte Problem der Plastikverschmutzung anzugehen, ist es entscheidend, sowohl das Problem zu verstehen als auch neue Ansätze zu finden, um es zu bekämpfen. Wie wir gesehen haben, werden Studien durchgeführt, um Kunststoffe auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen und die Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit zu bewerten. Zusätzlich arbeiten Wissenschaftler an verschiedenen Strategien, um die Kunststoffproduktion zu reduzieren und das Design sowie die Materialien von Kunststoffprodukten zu verbessern. Gemeinsam unterstützen diese Bemühungen Designer, Wissenschaftler und Unternehmen dabei, einen bedeutenden Einfluss auf die Plastikverschmutzungskrise zu nehmen.
