Unbekannte Mengen des Zivilisationsmülls lagern sich an den Stränden ferner Eilande und am Meeresboden ab. Während dieser ganzen Zeit nehmen ihn Meeresbewohner, groß wie klein, ungewollt auf, mit teilweise tödlichen Konsequenzen. Seevögel verenden mit Mägen voller Kunststoff, Schildkröten fressen Plastiktüten und Wale verschlucken ganze Abdeckplanen. Aber auch kleinste Plastikpartikel, in der Größenordnung von wenigen Mikro- bis zu einigen Millimetern, belasten marine Ökosysteme. Organismen wie Muscheln oder Wattwürmer, die Wasser filtern oder Sediment fressen, aber auch Fische, nehmen sie mit ihrer Nahrung auf. Welche Konsequenzen das hat, ist noch weitgehend unbekannt. Verbleibt Mikroplastik in den Organismen? Welche Rolle spielen Schadstoffe auf und in dem Mikroplastik? Welche Mengen an Mikroplastik sind schädlich für die Tiere? Hier setzen die ­Kieler Meereswissenschaften an. Das GEOMAR und der Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ wollen diese Fragen in mehreren gemeinsamen Projekten beantworten.

Mikroplastik – wie belastet sind die Meere überhaupt?

Zu den grundsätzlichen, bisher aber nur ungenau beantworteten Fragen, gehört die nach der Menge des Mikroplastiks in der Umwelt. Denn je kleiner die Partikel, desto schwieriger ist es, sie sicher als Kunststoff zu identifizieren. Zu groß ist oft die Ähnlichkeit mit natürlichem Material, wie zum Beispiel Sandkörnern oder den Resten einer Muschelschale. „Ohne technisch aufwendige Verfahren ist das Plastik nicht einwandfrei als Plastik zu erkennen“, erklärt Dr. Matthias Haeckel. Er und sein Team nutzen und verfeinern derzeit so ein Verfahren. Mit einem Raman-Mikroskop untersuchen sie Sediment­proben aus der Ostsee. Das Gerät erfasst nach Dichtetrennung vom Sediment und mehreren Filtrationsschritten die Partikel mengenmäßig und charakterisiert sie chemisch. Im JPI-Oceans Projekt „BASEMAN“ vergleichen sie ihre Methode in einem Ringversuch mit anderen europäischen Laboren.
Das Raman-Spektroskop ist auch das wichtigste Analyse-Werkzeug für das Projekt „Mikroplastik an unseren Küsten“. Die Beteiligten von der Kieler Forschungswerkstatt, von „Ozean der Zukunft“ und vom GEOMAR wollen erstmals die Mikroplastik-Belastung der schleswig-holsteinischen Ostseeküste erfassen. Im Laufe des Jahres 2018 nehmen sie insgesamt 20 Sandproben an Stränden zwischen der Flensburger Förde und der Lübecker Bucht und analysieren sie mit Hilfe des Geräts. Erste belastbare Ergebnisse werden für Ende 2018 erwartet. „Die Ostsee ist zwar definitiv weniger belastet als andere Regionen der Erde“, sagt Dr. Mark Lenz aus der Arbeitsgruppe Benthosökologie des GEOMAR, einer der Projektkoordinatoren, „doch auch bei uns finden wir die winzigen Spuren der Wegwerfgesellschaft“.

Während das Projekt „Mikroplastik an unseren Küsten“ die Strände unter die Lupe nimmt, haben sich Dr. Nicolas Ory, Postdoc im Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ und Dr. Catriona Clemmesen aus der Forschungseinheit „Evolutionsökologie“ des GEOMAR das Ostseewasser, genauer dessen Oberfläche, vorgenommen. Einmal im Monat fahren sie mit der Forschungsbarkasse POLARFUCHS acht genau definierte Stationen in der Kieler Förde an und nehmen mit einem Spezialnetz Proben. Eine Gesamtanalyse der Daten steht noch aus, aber bisher gibt es keine eindeutigen Belastungs-Schwerpunkte. „Das Mikroplastik ist da, aber in jedem Monat in sehr unterschiedlichen Mengen an verschiedenen Orten“, erklärt Dr. Ory. Gespannt sind die beiden auf die Auswirkungen der Kieler Woche. „Wir werden vorher und nachher Beprobungen von Mikro- und Makroplastik durchführen und miteinander vergleichen. Eine Kollegin am Institut für Ostseeforschung in Warnemünde macht das Gleiche vor und nach der Hanse Sail dort. So erhalten wir hoffentlich Aussagen darüber, ob Großveranstaltungen ein Faktor bei der Plastikverschmutzung sind oder nicht“, sagt Dr. Clemmesen.

Doch nicht nur in der Ostsee wollen Forscherinnen und Forscher des GEOMAR und des Exzellenzclusters „Ozean der Zukunft“ herausfinden, wie viele winzige Plastikteilchen wo im Wasser sind. Dr. Toste Tanhua aus der Forschungseinheit „Chemische Ozeanographie“ hat einen ungewöhnlichen Weg gefunden, Daten aus besonders abgelegenen Regionen der Ozeane zu erheben. Es gelang ihm, eine Kooperation mit den Organisatoren des härtesten Segel-Rennens um die Welt, des Volvo Ocean Race, einzugehen. Die unter Flagge der UN segelnde Rennyacht „Turn the Tide on Plastic“ trägt seit dem Start der Regatta im Oktober 2017 Sensoren und Filtergeräte in ihrem Rumpf, die neben ozeanographischen Informationen auch Mikroplastikpartikel aus dem durchsegelten Meerwasser filtern. Mittlerweile ist auch das Boot des Teams AkzoNobel entsprechend ausgestattet. „Der Vorteil: Um besonders schnell zu sein, segeln die Teams durch Regionen, die sonst kaum ein Schiff befährt. So erhalten wir Informationen aus Gegenden, über deren Belastung wir bisher kaum etwas wissen“, sagt Dr. Tanhua.

Zusätzliche Untersuchungen im Pazifik finden im Juli und August während einer Expedition des Forschungsschiffs SONNE statt. Die Fahrt unter Leitung von Dr. Dirk Nürnberg aus der Forschungseinheit Paläo-Ozeanographie dient eigentlich dazu, die Klimageschichte des Westpazifiks zu entschlüsseln. Doch auf dem Kurs von Fiji nach Japan werden die Forscherinnen und Forscher an Bord auch nach Mikro- und Makroplastik im größten Ozean der Erde suchen.

Mikroplastik in marinen Organismen – wo steckt es, wie schädlich ist es?

Zuverlässige Daten zum Ist-Stand der globalen Plastikbelastung sind aber nur der erste Schritt. Mindestens genauso wichtig: Wie schädlich sind die künstlichen Partikel für Organismen in den Ozeanen? Dieser Problematik widmete das internationale Forschungs- und Ausbildungsprogramm GAME (Globaler Ansatz durch Modulare Experimente) mittlerweile drei globale Forschungsprojekte. „Die Studierenden, die an diesen Projekten teilnahmen, haben in verschiedenen Ökosystemen rund um den Globus erforscht, wie Mikroplastik sich auf benthische Organismen, wie Muscheln, Würmer, Seegurken und Krebstiere auswirkt“, erklärt Dr. Mark Lenz, der auch GAME koordiniert und so zu dem Forschungsthema Plastik im Meer fand. An acht Standorten wurden in drei Jahren weltweit 22 Tierarten untersucht. Hierfür wurden die Tiere bis zu drei Monate lang im Labor verschiedenen Mikroplastikkonzentrationen ausgesetzt. Für alle Arten konnte gezeigt werden, dass sie Mikroplastik aufnehmen und bei knapp einem Drittel wurden negative Effekte des Mikroplastiks beobachtet. „Wir konnten zudem zeigen, dass der Einfluss eines zusätzlichen Stressors, wie Hitze, die Empfindlichkeit der Tiere gegenüber der Mikroplastikbelastung erhöhen kann“, erklärt Lenz. Mikroplastik stellt unter bestimmten Bedingungen also nachweislich einen Umweltstress dar.

Im Anschluss an diese Globalstudien führt nun die ehemalige GAME-Teilnehmerin Thea Hamm am GEOMAR ein Langzeitversuch zum Einfluss von Mikroplastik auf Miesmuscheln (Mytilus edulis) durch. „Bisherige Studien in diesem Bereich waren meist sehr kurz, oft nur 72 Stunden. Während in der Natur Tiere Mikroplastik über lange Zeiträume in sehr kleinen Mengen aufnehmen, wurden in Laborexperimenten die Tiere meist für kurze Zeit sehr hohen Konzentrationen ausgesetzt“, sagt die Doktorandin. Die Versuchsreihen sollen Aufschluss darüber geben, nach welcher Zeit bei welcher Konzentration Effekte des Mikroplastiks messbar werden.
Nicolas Ory und Catriona Clemmesen belassen es ebenfalls nicht bei der reinen Mengenerfassung des Mikroplastiks in der Ostsee, Teil ihres Projektes sind auch Laborexperimente an Heringen aus der Ostsee. „Bisher gibt es keine Beweise dafür, dass Plastik die Verdauungswege von Fischen schädigt, so wie man es von Seevögeln kennt“, betont Ory, „wir wollen aber genau wissen, ob es negative Folgen für das Verhalten und die Physiologie der Fische gibt oder nicht.“ Im Mittelpunkt steht die Mikroplastik-Aufnahme von Jungtieren des Atlantischen Herings (Clupea harengus), einer kommerziell und ökologisch wichtigen Fischart. Die Ergebnisse dieser Studie sollen zu einem besseren Verständnis führen, wie Mikroplastik in Nahrungsnetze eindringt und wie sich diese auf die Fitness von Jungfischen auswirken, die den Engpass für eine erfolgreiche Rekrutierung darstellen. Das Projekt wird vom Exzellenzcluster „Ozean der Zukunft“ gefördert.

Vom Problem zur Lösung

Während so Grundlagenwissen über Menge des Mikroplastiks und seine Auswirkrungen in den Meeren gewonnen wird, befassen sich einige Arbeitsgruppen auch mit möglichen Lösungen, darunter das Team um Matthias Haeckel. Anhand von Plastikmüll aus der Tiefsee und in Langzeitexperimenten in der Ostsee untersucht er zusammen mit seinem Kollegen Dr. Stefan Krause, welche Bakteriengemeinschaften sich auf verschiedenen Plastiktypen bei unterschiedlichen Umweltbedingungen ansiedeln und ob die Mikroorganismen das Plastik abbauen können. „Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Besiedlungsdichte auf dem Plastikmüll deutlich höher als im umgebenden Sediment ist und teilweise auch völlig andere Arten angetroffen werden“, sagt Dr. Krause. Bisher ergaben sich jedoch keine Anzeichen für einen mikrobiellen Abbau des Plastiks, auch nicht bei Plastikmüll der bereits mehrere Jahrzehnte auf dem Tiefseeboden herumlag.

Der beste Weg, die Ozeane vor der Vermüllung zu schützen, wäre, das Plastik gar nicht erst hinein zu lassen – darin sind sich alle mit dem Thema befassten Forscherinnen und Forscher einig. Dazu kann neben Recycling und geregelter Abfallentsorgung auch eine gute Filterung von Abwässern in Kläranlagen beitragen. Hier setzt das am GEOMAR koordinierte, für vier Jahre mit 6 Mio. Euro von der EU geförderte Projekt GoJelly an. Studien haben bereits gezeigt, dass Schleim von Quallen Mikroplastik binden kann. Er könnte also als Biofilter eingesetzt werden und künftig in Klärwerken Mikroplastik aus Abwässern filtern. Zudem haben diese Versuche einen möglichen Weg gezeigt, wie Mikroplastik, das oft leichter als Seewasser ist, von der Oberfläche der Ozeane in die Tiefe gelangt. Schleime, wie sie von vielen pelagischen Meerestieren gebildet werden, könnten eine wichtige Rolle bei diesem vertikalen Transport spielen. 

Zurzeit sind also noch viele Fragen zum Plastik im Meer offen. Doch die ersten Studien und vorläufige Ergebnisse lassen schwerwiegende Veränderungen in den Ozeanen befürchten. Und eins ist klar: Wir werden es nicht schaffen, das schon im Meer schwimmende Plastik wieder zu entfernen. Aber wir müssen es schaffen, den Plastikeintrag rasch und effizient zu unterbinden, und zwar nicht nur an unseren Küsten, sondern weltweit.

Die Plastikpiraten – Bewusstseinsbildung für die marine Umwelt

In diesem Citizen-Science Projekt für Jugendliche zwischen 10 und 16 Jahren, das im Wissenschaftsjahr 2016*17 – Meere und Ozeane begonnen hat, wird Plastikmüll an deutschen Flüssen erforscht. Nach zwei Probennahmezeiträumen im Herbst 2016 und Frühjahr 2017 sind Jugendliche zwischen 10 und 16 Jahren als „Plastikpiraten“ vom 1. Mai bis 30. Juni 2018 erneut aufgerufen, die Wissenschaft zu unterstützen und auf Expedition zu gehen. Schulklassen und Jugendgruppen sind aufgerufen, Plastikmüll in und an deutschen Bächen, Flüssen und Küstenabschnitten zu sammeln und zu dokumentieren. Die bundesweit erhobenen Daten werden dann in eine Datenbank eingetragen und anschließend durch Expertinnen und Experten der Kieler Forschungswerkstatt wissenschaftlich ausgewertet.

Weitere Informationen

Plastikmüll im Meer – Fragen und Antworten

• Weitere Infos und Fakten zum Thema finden Sie im neuen gemeinsamen Flyer von GAME und GEOMAR.
• Blogwebsite „Mikroplastik an unseren Küsten“
• Blogwebsite „Oceanographic Observation from Volvo Ocean Race Yachts“
• Das Projekt GoJelly
• Lesetipp: "Plastik in Gewässern" - Themenspezial der Helmholtz-Wissensplattform Erde und Umwelt (ESKP)