Kampf dem Nanoplastik

Die meisten Menschen kennen die Geißel der Mikroplastikverschmutzung - die mikroskopisch kleinen Plastikteile, die in unseren Ozeanen, Gewässern und sogar in abgelegenen Teilen des Planeten allgegenwärtig sind. Doch eine noch kleinere und heimtückischere Form der Plastikverschmutzung findet zunehmend die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler: Nanoplastik. Diese Partikel, die ein Millionstel eines Meters oder kleiner sind, stellen eigene Umwelt- und Gesundheitsrisiken dar, die gerade erst entdeckt werden.

Ein Forscherteam aus der Tschechischen Republik hat neue Instrumente entwickelt, mit denen sich Nanokunststoffe in Wasserproben nicht nur nachweisen, sondern auch entfernen lassen. Die Gruppe unter der Leitung von Dr. Martin Pumera von der Technischen Universität Brünn stellte ihre Ergebnisse in einem kürzlich in ACS Nanoscience veröffentlichten Forschungsbericht vor. Ihre Arbeit ist vielversprechend für ein besseres Verständnis und die Beseitigung von Nanokunststoffverunreinigungen in der Umwelt.

Was sind Nanokunststoffe? Wie Mikroplastik sind auch Nanokunststoffe winzige Fragmente von Kunststoffabfällen, die sich durch Umweltzerstörung und Abnutzungsprozesse von größeren Kunststoffteilen lösen. Zu den üblichen Quellen gehören Mikrofasern, die sich beim Waschen von synthetischen Stoffen ablösen, Kunststoffverpackungen und Reifen, die sich auf den Straßen abnutzen.

Aber im Nanomaßstab haben Kunststoffpartikel neue chemische und physikalische Eigenschaften im Vergleich zu größeren Teilen. Ihre extrem geringe Größe bedeutet, dass Nanokunststoffe leichter in biologisches Gewebe und Zellen eindringen können. Es gibt auch Hinweise darauf, dass sie als Vektor für den Transport anderer toxischer Schadstoffe dienen können. Während Mikroplastik bisher mehr Aufmerksamkeit erhalten hat, erfordern die potenziellen Gefahren von Nanokunststoffen gezielte Forschung, da sie wahrscheinlich überall dort vorkommen, wo Mikroplastik gefunden wurde.

Der Nachweis von Nanokunststoffen ist aufgrund ihrer winzigen Größe in der Größenordnung von 100 Nanometern oder weniger besonders schwierig. Bestehende Verfahren zur Identifizierung von Mikroplastik wie Mikroskopie und Spektroskopie können Nanoplastik oft nicht unterscheiden oder quantifizieren. Pumeras Gruppe ging dieses Problem an, indem sie eine Methode zur Fluoreszenzmarkierung in Verbindung mit der Photolumineszenzspektroskopie entwickelte.

In ihren Experimenten färbten die Forscher Nanokunststoffproben mit dem hydrophoben Farbstoff Nilrot, der selektiv an Kunststoffpolymere bindet. Wurden die gefärbten Nanokunststoffe mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt, gaben sie eine charakteristische Fluoreszenz ab, die mit einem Spektrofluorometer gemessen werden konnte. Durch einen Kalibrierungsprozess konnten sie die Stärke des Fluoreszenzsignals mit der Konzentration der Nanokunststoffe in der Lösung korrelieren. Damit war es zum ersten Mal möglich, Nanokunststoffe bis hinunter zu Konzentrationen von 108 Partikeln pro Milliliter Wasser zu quantifizieren.

"Diese Färbe- und Fluoreszenznachweistechnik bietet eine einfache und schnelle Alternative zu komplexeren und teureren Methoden wie der Massenspektrometrie zur Analyse von Nanoplastik", erklärt Pumera. "Sie könnte in Umweltlabors, die diese neue Verunreinigung überwachen und untersuchen wollen, breite Anwendung finden."

Nachdem die Forscher eine Methode zum Nachweis von Nanokunststoffen entwickelt hatten, widmeten sie sich der Entfernung dieser Stoffe aus Wasserproben. Für diese Aufgabe setzten sie "Nanoroboter" ein - winzige magnetische Partikel aus Eisenoxid mit einer Größe von nur 180 Nanometern. Wenn ein rotierendes Magnetfeld angelegt wurde, konnten diese Nanoroboter aktiv ausschwärmen und mit den Nanokunststoffen in der Lösung kollidieren und sie durch elektrostatische Wechselwirkungen auf ihrer Oberfläche festhalten.

Die Nanoroboter konnten dann mit Hilfe eines stärkeren externen Magneten zusammen mit den eingefangenen Nanokunststoffen aus dem Wasser entfernt werden. Pumeras Gruppe fand heraus, dass ihre magnetischen Nanoagenten in der Lage waren, innerhalb von nur zwei Stunden nach der Behandlung über 90 % der Nanokunststoffe aus verunreinigten Wasserproben abzusondern.

"Die Beseitigung ist ein entscheidender Teil der Lösung für die Verschmutzung durch Nanokunststoffe, und unsere Nanoroboter bieten eine effiziente Möglichkeit, sie aus der Umwelt zu entfernen", so Pumera. "Durch die Integration von Detektions- und Sanierungswerkzeugen wollen wir Forschern und Regulierungsbehörden bessere Methoden zur Untersuchung von Nanokunststoffen und zur Entwicklung von Sanierungsstrategien an die Hand geben.

Während Mikroplastik in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt hat, sind Nanokunststoffe ein aufstrebendes Gebiet, das weiter erforscht werden muss. Mit ihren bahnbrechenden Färbe- und Nanorobotik-Techniken hat das Team von Pumera einen wichtigen Schritt zur Ermöglichung dieser wichtigen Forschung getan. Ihr dualer Ansatz, der eine empfindliche Detektion mit einer effektiven Extraktion verbindet, stellt einen großen Fortschritt gegenüber früheren Einzelmaßnahmen dar.

Wenn die Methode erfolgreich skaliert und umgesetzt wird, könnte sie unsere Möglichkeiten zur Überwachung der weltweiten Verschmutzung durch Nanokunststoffe und zur Eindämmung ihrer Anhäufung und Verbreitung revolutionieren. Weitere Optimierungsarbeiten werden sich auf die Ausweitung der Methode auf verschiedene Kunststoffpolymertypen und die Anpassung der Fluoreszenzfarbstoffe für eine optimale Visualisierung bei unterschiedlichen Partikelgrößen und -zusammensetzungen konzentrieren.

Die Aussicht, dass Kunststoffe bis in den Nanobereich in die Umwelt eindringen, gibt Anlass zu ernster Besorgnis, denn es ist wissenschaftlich erwiesen, dass kleinere Partikel verhältnismäßig größere biologische Risiken darstellen können. Da wir nun in der Lage sind, die Verunreinigung von Wasser durch Nanokunststoffe zu beobachten und zu reinigen, haben wir einen entscheidenden Schritt getan, um die immer noch undurchsichtigen Gefahren für die Ökosysteme und die öffentliche Gesundheit zu verstehen - und hoffentlich zu mindern. Die Verschmutzung durch Nanokunststoffe, die zwar winzig ist, aber potenziell enorme Auswirkungen hat, erfordert unsere wachsende Aufmerksamkeit und Abhilfemaßnahmen.

Hinweis(e)

1. https://doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.4c00002

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