Wie lange halten sich Strohhalme im Meer?
Neue Studie zeigt: Manche Plastikstrohhalme zersetzen sich schneller als andere. WHOI-Forscher bestimmen die Lebensdauer handelsüblicher Trinkhalme im Küstenmeer und entwickeln den Prototyp eines Strohhalms aus Biokunststoff, der sich noch schneller abbaut als Papier.
Strohhalme gehören zu den häufigsten Kunststoffabfällen an den Küsten. Da immer mehr Plastikprodukte produziert, konsumiert und entsorgt werden, entwickeln Wissenschaftler und Hersteller alternative Materialien, die ebenso gut funktionieren und nicht zu einer anhaltenden Plastikverschmutzung der Umwelt beitragen.
Aber nicht alle Kunststoffe sind gleich – verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Formulierungen von Basispolymeren (z. B. Polymilchsäure (PLA) und Polypropylen (PP)) und chemische Zusatzstoffe. Das bedeutet, dass sich verschiedene Kunststoffformulierungen in der Umwelt unterschiedlich verhalten und sich im Meer unterschiedlich schnell abbauen. Es gibt neue Materialien auf dem Markt, die nicht mehr aus Erdöl hergestellt werden, wie z. B. Cellulosediacetat (CDA), ein aus Zellstoff gewonnenes Polymer, das häufig in Konsumgütern verwendet wird. Wissenschaftler des Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) haben die ökologische Lebensdauer einer Vielzahl von Kunststoffprodukten quantifiziert, um die ungelöste Frage zu beantworten: Wie lange halten sich Strohhalme im Meer?
In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht wurde, haben die WHOI-Wissenschaftler Collin Ward, Bryan James, Chris Reddy und Yanchen Sun verschiedene Arten von Kunststoffen und Trinkhalmen aus Papier gegeneinander antreten lassen, um herauszufinden, welche sich im Küstenmeer am schnellsten abbauen. Dabei arbeiteten sie mit Wissenschaftlern des Biokunststoffherstellers Eastman zusammen, der die Studie finanziell unterstützte, als Koautor mitwirkte und Materialien zur Verfügung stellte.
„Wir wissen nicht genau, wie lange Kunststoffe im Meer überleben, also haben wir Methoden entwickelt, um zu messen, wie schnell sich diese Materialien abbauen“, so Ward. „Es stellte sich heraus, dass es in diesem Fall einige Strohhalme aus Biokunststoff gibt, die sich tatsächlich recht schnell abbauen, was eine gute Nachricht ist.
Die Forscher setzten acht verschiedene Arten von Strohhalmen in einem Tank mit kontinuierlich fließendem Meerwasser aus dem Martha’s Vineyard Sound in Massachusetts aus. Bei dieser Methode wurden auch die Temperatur, die Lichteinwirkung und andere Umgebungsvariablen kontrolliert, um die natürliche Meeresumwelt zu imitieren. Alle Strohhalme wurden über einen Zeitraum von 16 Wochen auf Anzeichen von Zersetzung überwacht, und die auf den Strohhalmen wachsenden mikrobiellen Gemeinschaften wurden charakterisiert.
„Mein Interesse war es, den Verbleib, die Persistenz und die Toxizität von Kunststoffen zu verstehen und herauszufinden, wie wir diese Informationen nutzen können, um Materialien der nächsten Generation zu entwickeln, die besser für die Menschen und den Planeten sind“, so James. „Wir haben die einzigartige Möglichkeit, in unseren Tanks im Labor für Umweltsysteme die Umwelt des Ozeans an Land zu bringen. So haben wir eine sehr kontrollierte Umgebung mit natürlichem Meerwasser.“
Sie testeten Strohhalme aus CDA, Polyhydroxyalkanoaten (PHA), Papier, PLA und PP. In den Wochen, in denen die Strohhalme in die Tanks getaucht wurden, bauten sich die CDA-, PHA- und Papierstrohhalme um bis zu 50 % ab, was eine Lebensdauer von 10 bis 20 Monaten in den Küstengewässern erwarten lässt. Die PLA- und PP-Strohhalme zeigten keine messbaren Anzeichen von Abbau.
Anschließend verglichen die Wissenschaftler zwei Strohhalme aus CDA – einen festen und einen geschäumten, die beide von Eastman zur Verfügung gestellt wurden. Der Strohhalm aus geschäumtem CDA war ein Prototyp, um zu sehen, ob eine Vergrößerung der Oberfläche den Abbau beschleunigen würde. Sie fanden heraus, dass die Abbaugeschwindigkeit des Schaumstrohhalms um 184 % schneller war als die seines festen Gegenstücks, was zu einer kürzeren voraussichtlichen Lebensdauer in der Umwelt führte als bei den Papierstrohhalmen.
„Das Einzigartige an diesem Schaumstoffstrohhalm ist, dass er eine kürzere Lebensdauer als die Papierstrohhalme hat, aber die Eigenschaften eines Kunststoff- oder Biokunststoffstrohhalms beibehält“, so James, was ihn zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Kunststoffstrohhalmen im Vergleich zu Papierstrohhalmen macht, die sich im Meer schnell zersetzen, aber die Benutzererfahrung beeinträchtigen, weil sie durchnässt werden, so die Autoren.
„Diese Studie kann für die Hersteller von Trinkhalmen sehr wertvoll sein, da sie fundierte und transparente Daten für die Auswahl des Materials für Trinkhalme liefert. Darüber hinaus bietet sie die Gewissheit, dass Strohhalme auf CDA-Basis nicht zur anhaltenden Plastikverschmutzung beitragen, und zeigt gleichzeitig das Engagement der Strohhalmhersteller, ein nachhaltiges Produkt anzubieten, das die Risiken für die Meeresbewohner reduziert“, so Jeff Carbeck, Vice President of Corporate Innovation bei Eastman.
Die Wissenschaft unterstützt die Abkehr von konventionellem Plastikmaterial. Die Kunststoffverschmutzung schadet Menschen und Ökosystemen, und die Kunststoffindustrie trägt in großem Umfang zum Klimawandel bei, da sie über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg für etwa 4 bis 5 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Da Kunststoffabfälle in den letzten 50 Jahren in den Weltmeeren und in der marinen Nahrungskette allgegenwärtig geworden sind, ist es wichtig, neue Materialien zu finden, die aus nachhaltigen Quellen stammen, zum Übergang von einer linearen zu einer Kreislaufwirtschaft beitragen und sich abbauen lassen, wenn sie versehentlich in die Umwelt gelangen.
„Während einige darauf drängen, von Kunststoffen wegzukommen, ist die Realität, dass Kunststoffe hier bleiben werden. Wir versuchen, die Tatsache zu akzeptieren, dass diese Materialien von den Verbrauchern verwendet werden, und dann können wir mit den Unternehmen zusammenarbeiten, um die Auswirkungen zu minimieren, falls sie in die Umwelt gelangen“, sagte Ward.
„Wir haben erkannt, wie wichtig es ist, den Abbau unserer CDA-basierten Produkte im Meer zu testen, zu validieren und zu verstehen, aber uns fehlten die nötigen Ressourcen“, so Carbeck. „Da wir wussten, dass die WHOI über das nötige Fachwissen und die entsprechenden Einrichtungen verfügte, haben wir uns auf eine Zusammenarbeit eingelassen, um diese Herausforderung zu meistern. Diese Partnerschaft ist ein Beispiel dafür, wie die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Hochschulen gemeinsame Ziele vorantreiben und eine positive Wirkung erzielen kann.“
Das Forschungsteam fand auch heraus, dass die mikrobiellen Gemeinschaften der Strohhalme, die sich zersetzten, für jedes Strohhalmmaterial einzigartig waren. Die mikrobiellen Gemeinschaften auf den beiden nicht abgebauten Strohhalmen waren jedoch dieselben, obwohl sie sehr unterschiedliche chemische Strukturen aufwiesen. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass die einheimischen Mikroben die biologisch abbaubaren Strohhalme abbauen, während die biologisch nicht abbaubaren Strohhalme wahrscheinlich im Meer verbleiben.
„Unser Wissen über die Auswirkungen der Plastikverschmutzung auf die Gesundheit der Ozeane ist wirklich ungewiss, und vieles davon läuft darauf hinaus, dass wir das langfristige Schicksal dieser Materialien nicht kennen“, sagte Ward. Er und der Rest des Forschungsteams planen, die Abbaubarkeit von Kunststoffen weiterhin zu messen, in der Hoffnung, der Industrie die nächsten Schritte vorgeben zu können.
„Die Zusammenarbeit mit Materialherstellern bietet viele Vorteile, darunter den Zugang zu Analyseeinrichtungen sowie Kenntnisse über und Zugang zu ihren Materialien, die man nicht erhält, wenn man in seinem eigenen Silo arbeitet“, so Ward. „Wir versuchen, ihre Produkte so zu optimieren, dass sie in der Umwelt abgebaut werden und letztlich dem Planeten zugute kommen.
