Microplastics in freshwater ecosystemssources, pathways, and risks

Resumen

Kunststoffe und Mikroplastik (MP, Kunststoffe kleiner als 5 mm) sind heute allgegenwärtig in der Umwelt zu finden. Sie stellen eine vielseitige Werkstoffgruppe dar, die aus verschiedenen Polymeren besteht und in unterschiedlichen Formen vorkommen kann (z. B. Kugel, Fragment, Faser). MP werden entweder direkt in dieser Größe in die Umwelt abgegeben oder entstehen durch die Fragmentierung größerer Kunststoffpartikel. Der Beitrag verschiedener MP-Quellen und -Eintragspfade in die Umwelt und zwischen verschiedenen Kompartimenten ist jedoch weitgehend ungeklärt. Es wird vermutet, dass Abwasser und Klärschlamm als Haupteintrittspfade für MP in aquatische und terrestrische Ökosysteme fungieren. Abwasser und Niederschlagswasser führen eine Vielzahl potenzieller MP-Quellen zusammen die direkt in die Umwelt freigesetzt werden können, wenn keine Kläranlagen vorhanden sind oder aufgrund von Mischwasserüberläufen. In Kläranlagen werden die meisten MP aus dem Abwasser entfernt und im Klärschlamm aufkonzentriert, wobei ein kleinerer Anteil der MP nicht zurückgehalten und mit dem geklärten Abwasser in aquatische Systeme eingeleitet wird. Durch das Ausbringen von Klärschlamm als Düngemittel auf landwirtschaftlichen Flächen können die aus dem Abwasser stammenden MP außerdem terrestrische Ökosysteme erreichen. Von dort könnten sie wiederum durch Oberflächenwasserabfluss in aquatische Systeme transportiert werden. Es wird vermutet, dass vor allem MP-Fasern von Textilien und Reifenabrieb über diese Pfade in großen Mengen in die Umwelt gelangen. Einmal in der Umwelt können MP Organismen durch verschiedene physikalische und chemische Mechanismen negativ beeinflussen. Dazu gehören das Verfangen in MP, äußere und innere Verletzungen oder die Blockierung des Verdauungstrakts, Verringerung des Nahrungsgehalts durch den Verzehr von Plastik anstatt Nahrung, oder das Auslaugen schädlicher Zusatzstoffe. Darüber hinaus können MP durch Sorptionsprozesse mit anderen Umweltschadstoffen in Wechselwirkung treten und somit als Transportvektoren dieser Schadstoffe für aquatische Organismen fungieren. Die Hauptziele dieser Arbeit sind: (1) Den aktuellen Wissensstand bezüglich der Quellen, Umweltpfade, Konzentrationen und dem Verbleib von MP in aquatischen und terrestrischen Ökosystemen zu bewerten und Datenlücken zu identifizieren. (2) Die MP-Kontamination in einem Flusseinzugsgebiet in einer Mediterranen Klimazone zu bestimmen und die Rolle von Abwasser als Eintragspfad für MP aufzuklären. (3) Das Schicksal von MP in landwirtschaftlichen Böden nach der Klärschlammausbringung zu bestimmen und die Bedeutung des Oberflächenwasserabflusses von landwirtschaftlich genutzten Flächen als Transportmechanismus für MP in aquatische Ökosysteme unter semi-ariden Klimabedingungen zu identifizieren. (4) Die Auswirkungen häufiger MP-Typen auf Süßwasserinvertebraten unter Berücksichtigung umweltrelevanter Formen, Größen und Konzentrationen zu analysieren und eine Risikobewertung für diese Organismen durchzuführen. (5) Die Relevanz von MP als Vektoren für andere chemische Schadstoffe in der aquatischen Umwelt und ihren Beitrag zu ökologischen Risiken zu bestimmen. Nach der allgemeinen Einführung in Kapitel 1 fasst Kapitel 2 den aktuellen Wissensstand zu den Quellen von Kunststoffen und MP, ihren Pfaden in die Umwelt und Belastungsraten sowie ihrem Vorkommen und Verbleib in verschiedenen Umweltkompartimenten zusammen. Es zeigt, dass das Wissen über die Herkunft von Makroplastikteilen, MP und Nanoplastik in aquatischen und terrestrischen Ökosystemen begrenzt ist. Daten zum Vorkommen von MP in Süßgewässern sind auf bestimmte geografische Regionen beschränkt, während Daten zu Bodenökosystemen im Allgemeinen unzureichend sind. Darüber hinaus bestehen Wissenslücken bezüglich der Eintragspfade in die Umwelt und dem Transport und Verbleib zwischen verschiedenen Umweltkompartimenten. Diese Literaturrecherche zeigt auch, dass das Vorkommen von MP im Abwasser relativ gut untersucht ist. Es besteht jedoch dringender Forschungsbedarf bezüglich des Beitrags von Abwasser zur MPKontamination in aquatischen Ökosystemen im Vergleich zu anderen Eintragspfaden wie dem Oberflächenwasserabfluss oder dem Auftreten von größeren Kunststoffteilen und deren Fragmentierung in MP und Nanoplastik. Schließlich hebt dieses Kapitel Forschungsbereiche hervor die vorangetrieben werden müssen um das Verständnis potenzieller ökologischer Risiken der Plastikverschmutzung zu erweitern, und gibt Empfehlungen zum Management und der Reduzierung von Plastik- und MP-Einträgen in die Umwelt. Im nächsten Kapitel (Kapitel 3) wird die MP-Kontamination in einem Flusseinzugsgebiet in der Mediterranen Klimazone (Einzugsgebiet des Flusses Henares, Zentralspanien) bewertet und der Beitrag von Abwasser zum MPGesamtabfluss im Einzugsgebiet ermittelt. Dieses Kapitel zeigt, dass obwohl Kläranlagen im Durchschnitt 93 % der MP zurückhalten, die behandelten Abwässer und kleine Mengen an unbehandeltem Abwasser, immer noch bis zu 50 % der gesamten MP-Fördermenge des Einzugsgebietes beitragen können. Somit stellt das Abwassersystem einen wichtigen Eintragspfad für MP in Fließgewässer der Mediterranen Klimazone dar. Darüber hinaus wird gezeigt, dass MP-Konzentrationen in der Wassersäule und in Sedimenten stark von der Landnutzung abhängen und mit zunehmendem anthropogenem Druck signifikant zunehmen. Schließlich wird festgestellt, dass die MP-Kontamination im Wassereinzugsgebiet aufgrund von Hochwasserperioden im Frühjahr mit höheren Wasserkonzentrationen, aber niedrigeren Sedimentkonzentrationen von der Jahreszeit beeinflusst werden. In Kapitel 4 wird der Verbleib von MP in landwirtschaftlichen Böden mit unterschiedlichen Klärschlammbehandlungen und der Beitrag von Oberflächenwasserabfluss von landwirtschaftlichen Böden zur MP-Verschmutzung in aquatischen Ökosystemen untersucht. Dieses Kapitel zeigt, dass die Ausbringung von Klärschlamm die MP-Konzentrationen in Böden signifikant erhöht. Die Bodenkonzentrationen bleiben im Verlauf eines Jahres relativ konstant und der Transport in tiefere Bodenschichten ist gering. Darüber hinaus weist die Studie darauf hin, dass MP-Konzentrationen in Böden auch noch fünf Jahre nach der Klärschlammausbringung hoch sind. Schließlich hebt dieses Kapitel hervor, dass der Einfluss von Oberflächenwasserabfluss für den MP-Export aus landwirtschaftlichen Böden vernachlässigbar ist. Daher kommt es zu dem Schluss, dass landwirtschaftliche Flächen unter den untersuchten Boden- und Wetterbedingungen als langfristige MPAkkumulatoren betrachtet werden können. In Kapitel 5 werden die Aufnahme und die Wirkung von Polyesterfasern und Autoreifenpartikeln für Süßwasserinvertebraten mit unterschiedlichen Strategien zur Nahrungsaufnahme und unterschiedlichen Lebensraumpräferenzen evaluiert. Das Kapitel zeigt, dass die Fähigkeit zum Verzehr von der Form und Größe der MP abhängt, während die Aufnahmemenge auch vom Expositionsweg und der Strategie zur Nahrungsaufnahme des Testorganismus beeinflusst wird. In dieser Studie werden keine negativen Auswirkungen auf das Überleben oder die Fortpflanzungsleistung benthischer Makroinvertebraten beobachtet. Sie kommt jedoch zu dem Schluss, dass eine chronische Exposition von Daphnia magna (pelagische Art) gegenüber beiden MP-Typen deren Fortpflanzung und Überleben beeinträchtigen könnte. Dies tritt jedoch bei Konzentrationen auf, die derzeit zum größten Teil noch nicht ökologisch realistisch sind. Schließlich zeigt dieses Kapitel, dass MP über unterschiedliche Mechanismen auf Organismen einwirken. In Kapitel 6 wird die Relevanz von MP als Vektoren für organische Schadstoffe in Süßwasserfischen betrachtet. Dazu wird die Biokonzentration von zwei hydrophoben organischen Chemikalien in An- und Abwesenheit von MP in Danio rerio und deren Einfluss auf chemischen Stress untersucht. Dieses Kapitel zeigt, dass MP die Biokonzentration dieser Chemikalien nicht erhöhen, sondern eher verringern. Die Reduktion der Biokonzentration ist darüber hinaus größer für die hydrophobere Chemikalie. Auch chemischer Stress, gemessen an Biomarkerantworten, wird in Gegenwart von MP nicht verstärkt. Dies bestätigt, dass die MP-Kontamination in Süßwasserökosystemen die Risiken, die mit der Biokonzentration organischer Chemikalien in aquatischen Organismen einhergehen, voraussichtlich nicht erhöht. Andere Expositionswege (z. B. die Aufnahme über die Atmung oder Haut) erscheinen von größerer Bedeutung zu sein. Abschließend werden in Kapitel 7 die allgemeinen Schlussfolgerungen dieser Arbeit präsentiert, zusammen mit einigen Empfehlungen für die zukünftige Forschung und das Management für MP-Verschmutzung.