Die Welt ist übersät mit Billionen von Kunststoffteilchen, die nur wenige Mikro- oder Nanometer groß sind. Solches Mikro- und Nanoplastik kann Zellen zerstören und teilweise sogar die DNA im Zellkern verändern. In Lebewesen im Wasser und an Land, einschließlich des Menschen, kann es daher erheblichen Schaden anrichten. Forschende haben die winzigen Plastikfragmente bereits fast überall gefunden, wo sie gesucht haben – vom Schnee in der Antarktis bis hin zu menschlichem Blut. Denn die Teilchen sind äußerst robust und verbleiben über Jahrhunderte in der Umwelt. Sie entstehen aus unseren Alltagsprodukten, von denen seit etwa 75 Jahren viele aus Kunststoffen gefertigt werden. Doch wie genau zerfällt das Plastik? Welcher molekulare Prozess steckt dahinter?
Nur weiche Plastik-Schichten zerfallen
Das haben nun Chemieingenieure um Nicholas Mendez von der Columbia University näher untersucht. Dafür simulierten sie den Zerfallsprozess von gängigen Kunststoffen im Labor und betrachteten die Abläufe unter dem Mikroskop. Zu den untersuchten Plastiksorten gehörten Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS). Diese Kunststoffe gehören zu den insgesamt etwa 70 Prozent aller Plastikmaterialien, die aus tausenden, jeweils wenige Nanometer dünnen Polymer-Schichten bestehen, die abwechselnd hart und weich sind. In den weichen, amorphen Schichten haben die Kunststoffmoleküle keine geordnete Struktur, in den harten Schichten sind sie hingegen in starren Kristallstrukturen organisiert. Dieser Aufbau und die jeweilige Verbindung zwischen den Schichten machen Plastik so flexibel und leicht sowie zugleich langlebig und robust, wie das Team erklärt.
Bei ihren Beobachtungen stellten die Forschenden nun fest, dass der Zerfallsprozess von solchen teilkristallinen Plastik-Polymeren in den weichen Schichten beginnt. Die chemischen Bindungen zwischen den Polymer-Molekülen in diesen Schichten werden innerhalb weniger Tage oder Wochen durch Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung, Hitze und Oxidation an der Luft schwächer. Dadurch lösen sich die weichen Plastikschichten langsam auf und die harten Kunststoffschichten brechen oder blättern Stück für Stück ab. Übrig bleiben letztlich nur kristalline Kunststofffragmente, das sogenannte Nano- und Mikroplastik. „Wir wissen seit den 1950er Jahren, dass das weiche Zeug das harte Zeug zusammenhält. Was wir in der neuen Studie zeigen, ist, wie leicht diese weichen Verbindungsschichten selbst unter Ruhebedingungen wie auf einer Mülldeponie zerfallen. Sobald diese Schicht versagt, zerstreuen sich die harten Segmente in die Umgebung“, erklärt Seniorautor Sanat Kumar von der Columbia University.
Wird die Kunststoffproduktion angepasst?
Mit dem Wissen könnte nun der Herstellungsprozess von Plastik so verändert werden, dass die Kunststoffprodukte künftig nicht mehr zu Mikro- und Nanoplastik zerfallen oder zumindest weniger von diesen Teilchen entstehen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die weichen Schichten so konstruiert werden müssen, dass sie widerstandsfähiger sind, damit weniger kristalline Fragmente abbrechen“, sagt Kumar. Alternativ könnten mehr Kunststoffe ohne diesen Schichtaufbau hergestellt werden. Denn: „Nichtkristalline Analoga, die keine klar definierte Mikrostruktur aufweisen, bilden kein Nanoplastik“, berichten Mendez und seine Kollegen. Die Kunststoffprodukte, die bereits existieren, sollten nach Ansicht der Forschenden häufiger recycelt werden. Das würde verhindern, dass sie in der Umwelt landen, dort zu Mikro- und Nanoplastik zerfallen und Lebewesen schädigen.
