Mikroplastik und Klimawandel

Abb. 1: Quellen und Auswirkungen von Mikroplastik im Flusswasser bei steigender Temperatur. Die farbigen Punkte zeigen verschiedene Arten von Mikroplastik an.

Mikroplastik und Klimawandel: zwei globale Umweltbelastungen

Der vom Menschen verursachte Klimawandel und die Plastikverschmutzung stellen große und wachsende globale Bedrohungen dar. Sowohl die wichtigsten Treibhausgase als auch Mikroplastikpartikel verbreiten sich nach ihrer Emission weltweit und sind eine Belastung für den gesamten Planeten. Die globale Mitteltemperatur ist seit Jahrzehnten und vor allem in den letzten Jahren seit 2023 stark angestiegen und hat 2024 zum ersten Mal seit Beginn der Messungen um 1850 um 1,5 °C zugenommen. Damit ist eine Grenze überschritten, die nach dem Pariser Klimaabkommen von 2015 möglichst nicht überschritten werden sollte, um einen gefährlichen Klimawandel zu vermeiden – allerding nicht nur für ein Jahr, sondern als Mittelwert für einen Zeitraum von 20 Jahren.

1950 wurden lediglich 2 Mio. t Kunststoff produziert, 2022 400 Mio. t. Für 2050 wird nach manchen Quellen mit einer weltweiten Kunststoffproduktion von 33 Mrd. Tonnen pro Jahr gerechnet. Kunststoffe werden überall gebraucht und vielfältig weiterverarbeitet. Sie werden fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen produziert. Ein erheblicher Teil landet als Abfall in der Umwelt. Er wird verbrannt und verrottet und wird dabei immer weiter bis hin zu kleinsten Partikeln zersetzt. Plastikpartikel unter 5 mm Größe werden als Mikroplastik bezeichnet. Teilchen, die nur Millionste mm groß sind, heißen Nanoplastik.

Diese beiden globalen Problemfelder, der Klimawandel und die Plastikverschmutzung, werden normalerweise als getrennte Phänomene wahrgenommen. Die Forschung der letzten Jahre hat jedoch gezeigt, dass zwischen der Herstellung und Umwandlung von Kunststoffen bis hin zu kleinsten Plastikpartikeln und dem Klimawandel durchaus wechselseitige Beziehungen bestehen. Kunststoffe werden in den meisten Fällen aus fossilen Rohstoffen, besonders Erdöl, hergestellt, wobei es zu Treibhausgas-Emissionen kommt. Auch beim Verbrennen und der Zersetzung von Plastikabfall entstehen Treibhausgase. Der Klimawandel wiederum beeinflusst die Verbreitung von kleineren Plastikpartikeln in der Atmosphäre, im Ozean und im Boden. Er verändert zudem die Eigenschaften von Mikroplastik und verstärkt die Aufnahme von Mikroplastik durch Organismen.

Mikroplastik verstärkt den Klimawandel

Treibhausgas-Emissionen durch Mikroplastik

Mehr als 98 % der Kunststoffe werden aus Chemikalien hergestellt, die aus fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas) gewonnen werden, primär aus Erdöl. Die derzeitige Produktion von Plastik macht 12 % des weltweiten Erdölverbrauchs aus. Mikroplastik besteht zu mehr als 80 % der Masse aus Kohlenstoff. Grundsätzlich werden in jeder Phase des Lebenszyklus von Kunststoffen Treibhausgase (THG) freigesetzt – von der Gewinnung und dem Transport fossiler Rohstoffe über die Produktion der Kunststoffe bis hin zur Nutzung und dem Verbrennen und der Zersetzung von Plastik.

Für das Jahr 2019 wurden die Treibhausgas-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus von Kunststoffen auf 1,8 Gigatonnen (Gt) CO2-Äquivalente geschätzt; dies entspricht etwa 3,7 % der weltweiten THG-Emissionen und übersteigt die gesamten Nettoemissionen der Mehrheit der einzelnen Länder. Der größte Anteil der Treibhausgasemissionen (rund 90 %) stammt aus energieintensiven Produktionsverfahren. Bei der Produktion von 1 kg Plastik werden 1,5-3 kg CO2 freigesetzt. Auf Prozesse am Ende des Lebenszyklus entfallen die verbleibenden 10 % der Treibhausgasemissionen durch Kunststoffe. Dabei verursacht das Verbrennen der kohlenstoffhaltigen Kunststoffe die meisten Emissionen. Kohlendioxid gelangt aber auch in die Atmosphäre bei der Zersetzung von Plastik durch Sonneneinstrahlung, als Folge der Reaktion mit Ozon oder bei der Zerkleinerung durch Mikroorganismen.

Mikroplastik in landwirtschaftlich genutzten Böden

Eine bedeutende Quelle von Treibhausgasemissionen aus der Zersetzung von Kunststoffen sind landwirtschaftlich genutzte Böden. Der Grund ist primär die umfangreiche Nutzung von Plastikmaterialien in der Landwirtschaft. Die FAO schätzt die weltweit in der Landwirtschaft jährlich verwendete Kunststoff-Menge auf 13,4 Mio. t. Der größte Einzelfaktor ist die Foliennutzung, der zweitgrößte sind Be- und Entwässerungsanlagen. Plastikfolien werden primär in Treibhäusern genutzt, aber auch als Mulchfolien zur Abdeckung von Feldfrüchten gegen Wetterschwankungen. Mulchfolien sind in der Regel sehr dünn und werden zudem noch perforieret, damit das Regenwasser durchsickern kann. Das begünstigt die Zersetzung des Materials und die Umwandlung in Mikroplastik z.B. durch UV-Strahlen der Sonne. Eine weitere Quelle sind Kompost und Klärschlämme, die oft von vornherein stark mit Mikroplastik belastet sind, aber dennoch als organischer Dünger genutzt werden. Außerdem gibt es noch externe Quellen wie den Abrieb von Autoreifen oder Textilfasern in Abwässern, die durch Wind oder Niederschlag auf die Felder gelangen.

Auf Böden ausgebreitetes Mikroplastik kann durch verschiedene Prozesse in tiefere Schichten gelangen. Natürliche Prozesse sind das Versickern von Niederschlägen und der Transport durch Bodenlebewesen wie Regenwürmer, Käfer und Milben. Außerdem gelangen Plastikteilchen durch die landwirtschaftliche Bearbeitung wie Pflügen und Eggen in tiefere Bodenschichten. Eine immer weitere Zersetzung führt zur Bildung von Nanoplastik, das Pflanzen schädigen und besonders leicht in die Nahrungskette gelangen kann.

Nach wissenschaftlichen Untersuchungen steigert die Belastung landwirtschaftlicher Böden mit Mikroplastik die Treibhausgasemissionen des Bodens. Das geschieht nicht nur durch die Freisetzung von CO₂ bei der fortschreitenden Zersetzung von Mikroplastik, sondern auch durch die Störung des Pflanzenwachstums und der Photosynthese durch die Aufnahme von Mikro- und Nanoplastik. Dadurch absorbieren Pflanzen weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre, was eine Verstärkung des Treibhauseffekts zur Folge hat. Weniger Pflanzenwachstum führt auch dazu, dass weniger Stickstoff aus dem Boden aufgenommen wird, mit der Folge einer höheren Boden-Emission des Treibhausgases N₂O (Lachgas). Nach Berechnungen von Lv et al. (2025) erhöht sich durch die Einwirkung von Mikroplastik die CO₂-Emission des Bodens um 40%.

Mikroplastik im Ozean

Die meisten Mikroplastikpartikel im Ozean schwimmen an der Meeresoberfläche. Da sie in der Regel heller als die Oberfläche der Meere sind, reflektieren sie mehr Sonnenstrahlung und verringern dadurch die Wärmeaufnahme des Ozeanwassers. Zudem verhindern größere Mengen von Mikroplastik an der Meeresoberfläche die turbulente Durchmischung des Wassers. Die Folge ist, dass die oberflächennahe Konzentration von Mikroplastik weiter zunimmt. Zudem wird weniger Wärme durch absinkendes Wasser in die Tiefe abgeführt und vom Oberflächenwasser weniger Wärme aufgenommen. Insgesamt tragen diese Prozesse zu einem Temperaturanstieg in der Erdatmosphäre bei.

Mikroplastik und die damit verbundenen chemischen Zusatzstoffe beeinträchtigen zudem den Stoffwechsel und das Wachstum von Phytoplankton (zumeist aus winzigen Algen bestehenden Pflanzenteilchen), indem es dessen Zellstrukturen schädigt. Zudem stört es die Nahrungsaufnahme von Zooplankton (frei schwebende tierische Lebewesen), das Mikroplastik als Nahrungsquelle aufnimmt. Dadurch wird der Transfer von Kohlenstoff auf höhere Ebenen in der Nahrungskette und die biologische Pumpe geschwächt, durch die der marine Kohlenstoff in die Tiefsee gelangt. Eine anhaltende Mikroplastikbelastung könnte die Produktion von Phytoplankton um etwa 4 % verringern. Das wiederum reduziert den Export von Kohlenstoff in die Tiefsee um 1 Gigatonne pro Jahr. Zusammen mit der Abnahme der Photosynthese von Algen kann das die CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre erheblich reduzieren.

Mikroplastik auf Eis und Schnee

Größere Eis- und Schneeflächen befinden sich zumeist in abgelegenen, wenig vom Menschen beeinflussten Regionen wie vor allem in den Polargebieten und in Hochgebirgen. Dennoch finden sich Mikroplastikpartikel auch hier an den abgelegensten Plätzen. So enthält der Schnee in der Arktis große Mengen an Mikroplastik, das mit Schneefällen aus Nordamerika und Europa herangetragen und später über Nordgrönland sowie anderen Teilen der Arktis abgelagert wurde. Teilweise stammt es aber auch von Schiffsanstrichen aus der Arktis selbst. 2020 wurde Mikroplastik auch in der Antarktis entdeckt. Es stammte aus lokalen Quellen wie Forschungsstationen, aber auch aus 6000 km Entfernung.

Selbst der Schnee auf dem Mount Everest in bis über 8.000 m Höhe enthielt Mikroplastik, das meist vom Tourismus der Region freigesetzt wurde. Kleidung und Ausrüstung der Touristen bestehen vielfach aus Kunststoffen, von denen sich Fasern auf Eis und Schnee ablagern. Ebenso wurde Mikroplastik im Meereis entdeckt sowie im Permafrost. Das Gefrieren und Tauen von Eis konserviert einerseits Mikroplastik, setzt es aber auch wieder frei und ermöglicht den Transport durch Meeresströmungen über weite Strecken.

Die Auswirkungen von Mikroplastik auf Eis und Schnee beziehen sich vor allem auf die Veränderung der Albedo, also des Rückstrahlvermögens der Oberfläche für die Sonneneinstrahlung. Mikroplastikpartikel auf Schnee und Eis machen die Oberfläche dunkler, wodurch weniger Sonnenstrahlung reflektiert wird. Dadurch wird mehr Sonnenenergie absorbiert als reflektiert, was den Schmelzprozess beschleunigt.

Einfluss des Klimawandels auf Mikroplastik

Globale Verbreitung von Mikroplastik

Die geringe Größe von Mikro- und Nanoplastikteilchen erleichtert ihre Ausbreitung nahezu überall auf der Erde, von landwirtschaftlichen Böden über das arktische Eis, die Gipfel der Hochgebirge bis in die Tiefen des Ozeans. Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass der Klimawandel und seine Folgen an der universellen Ausbreitung von Mikroplastik stark beteiligt sind. Sie verstärken häufig natürlich Prozesse wie Luft- und Meeresströmungen, Stürme und Starkniederschläge und ändern ihre Richtungen und Verläufe.

Stürme und Überschwemmungen sind derzeit die wichtigsten natürlichen Phänomene, die zur Umverteilung von Mikroplastik beitragen. Hohe Wellen und Strömungen können im Küstenbereich im Sediment gebundenes Mikroplastik aufwirbeln und in Richtung offenes Meer transportieren. Überschwemmungen verbreiten das Material über die Erdoberfläche. Der Großteil der entsorgten Kunststoffe landet auf Deponien und offenen Müllkippen. Diese sind besonders anfällig für Überschwemmungen und Erosion, da sie häufig in der Nähe städtischer Zentren auf kostengünstigen, tiefgelegenen Überschwemmungs- oder Küstenebenen angelegt sind. Die (Re-)Mobilisierung von Mikroplastik dürfte daher besonders in bevölkerungsreichen, tiefgelegenen und von Überschwemmungsgebieten geprägten Regionen verbreitet sein.

Einfluss steigender Temperatur

Steigende Temperaturen bewirken, dass Plastikteilchen Risse bekommen und spröder werden. Schließlich zerfallen sie in immer kleinere Fragmente. So kann ein Temperaturanstieg von 10 °C die Abbaugeschwindigkeit von Kunststoffen verdoppeln. Eine zusätzliche UV-Strahlung durch die Sonne beschleunigt diesen Prozess noch. Dadurch verbreitet sich immer mehr Mikroplastik in der Umwelt und wird von Pflanzen und anderen Organismen aufgenommen.

Untersuchungen haben ergeben, dass die Belastung von Organismen durch höhere Temperaturen für sich verhältnismäßig gering ist, in Kombination mit Mikroplastik jedoch deutlich schädlicher ausfällt. Ein Grund ist, dass steigende Temperaturen auch die Oberflächeneigenschaften von Mikroplastik verändern, die dadurch mehr Schadstoffe aus der Umwelt aufnehmen und in den Körpern von Organismen wieder freisetzen. Höhere Temperaturen verändern jedoch nicht nur die Eigenschaften von Plastikpartikeln, sondern bewirken auch eine verstärkte Aufnahme von Mikroplastik durch die Organismen. Sie beschleunigen die Stoffwechselrate von Pflanzen und anderen Lebewesen im Boden und im Wasser.

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Kontakt: Dieter Kasang