Eigenschaften und Anwendungen

Mit den Begriffen „Plastik“ oder „Kunststoff“ wird eine breite Palette von künstlichen Materialien bezeichnet, deren Hauptbestandteil Polymere sind. Ihre plastische Eigenschaft macht es möglich, sie zu festen Gegenständen unterschiedlicher Form zu verarbeiten, z.B. durch Extrusion oder Pressen. Einer der gebräuchlichsten Kunststoffe ist Polystyrol aufgrund seiner geringen Kosten und seines geringen Gewichts. Dieses von Natur aus transparente Polymer ist aus vielen Styroleinheiten, den sogenannten Monomeren, aufgebaut.

Styroleinheit (Monomer) ©Zerbor-stock.adobe.com

Bei Raumtemperatur ist grobkörniges Polystyrol im Allgemeinen amorph, steif und nicht reaktiv. Es ist unlöslich in Wasser und sehr stabil gegenüber Laugen oder Säuren. Unterschiedliche Eigenschaften der Polymerkette, wie z. B. die Länge der Kette (Anzahl der Styroleinheiten), können zu verschiedenen Materialien führen, die es ermöglichen, Produkte zu bilden, die von Besteck, Lebensmittelverpackungen wie Joghurtbechern bis hin zu Petrischalen reichen, die weltweit in Labors verwendet werden. Polystyrol ist auch als geschäumter Stoff zu finden, der zu 95-98% aus Luft besteht. Diese Polystyrol-Schäume sind hervorragende Dämmstoffe, die in der Regel eine sehr lange Nutzungsdauer haben. Solche Materialien und Anwendungen werden nicht als innovativ bezeichnet, sie sind lange bekannt und technischer Standard.

Polystyrol Partikel mit einer Größe von weniger als einem Mikrometer werden in einer Vielzahl von innovativen Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Die Eigenschaften dieser Polystyrol-Nanopartikel können in hohem Maße maßgeschneidert werden. Daher werden Polystyrol-Nanopartikel für Anwendungen untersucht, die von Komponenten für elektronische Geräte bis hin zu Farbstoffen reichen. Darüber hinaus werden aufgrund ihrer Fähigkeit, andere Substanzen zu verkapseln, in Kombination mit ihrer hohen Affinität für die Adsorption verschiedener Moleküle und Proteine an ihrer Oberfläche, neue potenzielle Anwendungen im medizinischen Bereich als nanoskalige Träger für Medikamente untersucht .

Während im Labor synthetisierte Polystyrol-Partikel im Nano- oder Mikro-Maßstab als neues, fortschrittliches Material gelten, sind diese auch ein unbeabsichtigtes Nebenprodukt des unverantwortlichen Umgangs mit Kunststoffabfällen. In die Umwelt entsorgt, können Polystyrol-Produkte in der Umwelt durch ultraviolettes Licht (z. B. Sonnenlicht) und mechanische Kräfte, wie z. B. Wellen, die an einen Strand schlagen, abgebaut werden. Sobald die Produkte aufgebrochen wurden, werden sie zu einer Quelle von Polystyrol-Mikropartikeln und möglicherweise auch Nanopartikeln. Da sich Polystyrol-Abfälle fast überall im Meer befinden, können sie von verschiedenen Tieren aufgenommen werden und so in die Nahrungskette gelangen und auf unseren Tellern landen.

Polystyrol-Mikropartikel in der Nahrungskette © Olkita-stock.adobe.com

Herkunft und Herstellung

Die großvolumige Herstellung von Polystyrol-Produkten macht es fast unmöglich, durch den Tag zu kommen, ohne diesem Kunststoff in irgendeiner Form zu begegnen. Die verschiedenen Sorten und Größen von Polystyrol werden nicht durch natürliche Prozesse hergestellt, sondern es stammt immer aus menschengemachten Quellen. Kurz gesagt, Polystyrol entsteht, wenn die Styrol Monomere durch kontrollierte Zugabe in einer bestimmten Menge und Reihenfolge in einem Prozess, der als Polymerisation bekannt ist, miteinander verbunden werden.

Polystyrol Mikro- und Nanopartikel sind von einer Vielzahl von Firmen erhältlich und können für die Verwendung in Laborexperimenten kommerziell erworben werden. Diese Partikel sind aber auch einfach selbst herzustellen und es gibt eine Vielzahl von möglichen Syntheseprotokollen. Daher werden sie in der Regel in den meisten Forschungseinrichtungen selbst produziert.

Wenn ein Polystyrol Produkt das Ende seiner Lebenszeit erreicht hat, wird es in Deutschland normalerweise verbrannt oder recycelt, in anderen Ländern auch auf Deponien gelagert. Leider ist es aber auch üblich, dass diese Produkte direkt als Abfall in die Umwelt gelangen. Hier wird eine weitere Eigenschaft von Polystyrol, seine Schwimmfähigkeit, wichtig. Polystyrol kann auf dem Wasser schwimmen und wird daher in Flüssen flussabwärts getragen oder von den Meereswellen ins Meer gezogen. Durch den UV-Anteil des Sonnenlichts und durch die mechanische Kraft von Wind und Wasserströmung oder Wellen verwittern diese Kunststoffprodukte und werden in kleinere Stücke zerlegt.

Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme von Polystyrol Nanopartikeln ©Adolphe-Merkle-Institut

Im ersten Schritt dieses Zersetzungsprozesses entstehen in der Regel Polystyrol-Fragmente mit einer Größe zwischen 20 Zentimetern und 5 Millimetern, die auch Mesoplastik genannt werden. Mesoplastik zerfällt weiter in kleine Partikel, die als Mikroplastik bezeichnet werden (5 Millimeter bis 1 Mikrometer). Mikroplastik kann potenziell weiter in Nanoplastikpartikel (unter 1 Mikrometer) zerfallen, aber es gibt mehrere Einschränkungen sowohl bei der Probenahme als auch bei den Nachweisverfahren, die die Untersuchung dieser Partikel unter Umweltgesichtspunkten sehr schwierig machen.

Der allmähliche Zerfall von Polystyrol Partikeln von Millimeter- zu Mikrometer- und Nanometergröße führt zur unbeabsichtigten Aufnahme durch Fische und andere Meeresbewohner. Wenn Menschen also Fisch oder Meeresfrüchte aus offenen Gewässern essen, ist Polystyrol höchstwahrscheinlich Teil dieses Gerichts. Im Gegensatz dazu gelangen die im Labor hergestellten Polystyrol Nanopartikel nicht in die Nahrungskette, da der Laborabfall verbrannt oder auf Deponien entsorgt wird.

Weiterführende Informationen

• PlasticsEurope (2020). Plastics - the Facts 2020 - an Analysis of European Plastics Production, Demand and Waste Data. (PDF, 4 MB) 

Polystyrol Nanopartikel gelten als ungiftig und für den Körper wenig belastend. Sie können durch Abbauprozesse von Polystyrol (Plastik)-Produkten in die Umwelt gelangen. Sie werden in der Forschung meist als ungiftige Referenz- oder Modellpartikel bei in vitro oder in vivo Untersuchungen eingesetzt.

Kontakt im Alltag

Polystyrol (nicht nano) findet man in vielen Anwendungen des Alltags. Das Material ist für viele Anwendungen beliebt, weil es normalerweise weder toxisch ist, noch biologisch abgebaut werden kann – es ist also biokompatibel und stabil.
Die wahrscheinlichste Möglichkeit, Polystyrol Nanopartikel aufzunehmen, ist meist über die Nahrung. Die Partikel können aus Plastik aus der Umwelt stammen und so über die Nahrungskette in den Menschen gelangen. Über Nanoplastik in Nahrungsmitteln gibt es zurzeit keine Daten, was auch daran liegt, dass der Nachweis und die Unterscheidung von anderen Substanzen bisher kaum möglich sind . Spezielle Methoden dafür werden jedoch laufend verbessert .

Handwerker schneidet Polystyrolplatte © Inga - stock.adobe.com

Situation am Arbeitsplatz

Bei der Polystyrolherstellung und Verarbeitung können Polystyrol Nanopartikel am Arbeitsplatz eingeatmet werden. Aufgrund ihrer Größe können die Nanopartikel nach dem Einatmen in die tiefen Lungenregionen gelangen und können dort in den Blutkreislauf übergehen. Polystyrol Nanopartikel sind nicht toxisch, lösen keine Entzündungsreaktionen aus und gelten daher als unkritisch.

Situation beim Verbraucher

Polystyrol (nicht nano) kommt in vielen Alltagsprodukten vor. Es gehört zu den Standardkunststoffen für Lebensmittelverpackungen, zum Beispiel als Joghurtbecher oder Schaumstoffschale oder transparente Folie für Verpackungszwecke. Es ist physiologisch unbedenklich und für Lebensmittelverpackungen uneingeschränkt zugelassen. In geschäumter Form dient es als leichtes Verpackungs- und Dämmmaterial.

Polystyrol Nanopartikel als Modellpartikel im Biologie-Labor

Polystyrol Nanopartikel können zwar via Inhalation oder durch Nahrungsaufnahme in den Körper gelangen, gelten aber als ungiftig und für den Körper wenig belastend. Sie werden deswegen in zahlreichen in vitro und in vivo Studien als Modellpartikel eingesetzt. Die Partikel können z.B. mit speziellen Substanzen beladen werden, um effizient von Zellen aufgenommen zu werden. Es kommt bei diesen Studien nicht darauf an, eine tatsächliche Belastung des Körpers mit Polystyrol Nanopartikeln zu modellieren, so dass häufig sehr hohe Dosen verwendet werden. Diese Partikel bieten den Vorteil, dass sie in unterschiedlichen Varianten, Größen oder Oberflächenbeschichtungen auf dem Markt verfügbar sind. Mit fluoreszierenden Farbstoffen beladen können die Partikel mittel Fluoreszenz-Mikroskopie sichtbar gemacht und nachverfolgt werden .

Einfüllen einer Flüssigkeit in eine Petrischale mit einer Pipette © manjurul haque/EyeEm - stock.adobe.com

Wie praktisch alle Nanopartikel binden auch Polystyrol Nanopartikel biologische Substanzen an ihrer Oberfläche, vor allem Proteine. Dadurch entsteht eine Hülle um die Nanopartikel, die diese normalerweise harmloser macht. Dies bestätigt auch eine breit angelegte Toxizitätsstudie mit beschichteten Polystyrol Nanopartikeln. Die untersuchten Zellen zeigten in Abwesenheit von Proteinen erst bei der 2,5-fachen Menge (EC₅₀ Wert) an Polystyrol Nanopartikeln toxische Effekte. Da im menschlichen Körper immer Proteine und andere Biomoleküle vorhanden sind, ist dieser schützende Effekt automatisch vorhanden .

Methoden, bei denen intakte Organe verwendet werden, stellen Zwischenstufen zu Tierversuchen dar. Dies ist insbesondere für das Herz interessant, da sich dessen Funktionen schlecht in Zellkulturversuchen nachstellen lassen. Versuche mit Herzen von Meerschweinchen ergaben keine Beeinträchtigung der Herzfunktion bei einer Exposition mit Polystyrol Nanopartikeln im Gegensatz zu z.B. anderen Partikeln aus Verbrennungsprozessen .

Zahlreiche Studien zur Aufnahme, Verteilung und Wirkung von Polystyrol Nanopartikeln verwenden Injektion in einen lebenden Organismus. Ziel ist dabei die Untersuchung von Partikel-Kandidaten zur medizinischen Verwendung. Das Gebiet der Nanomedizin wird stark beforscht und hat auch bereits Medikamente, Diagnostika oder Implantate (siehe dazu auch Nanomaterialien in Medizinprodukten) in die Klinik gebracht. Partikel sind dabei Mittel zum Zweck, weil sie ihre Fracht besser an die erwünschten Zellen oder Gewebe liefern können als es ohne ihre Hilfe möglich wäre. Oft ist es auch nützlich, dass Partikel problemlos mit mehreren Substanzen gleichzeitig beladen werden können. Aufgrund ihrer großen Oberfläche können Nanopartikel allerdings auch unspezifische Wirkungen haben, wie die Beeinträchtigung der Eisenaufnahme im Darm von Hühnern demonstriert hat .

Nanopartikel aus Polystyrol werden häufig in der nanomedizinischen Forschung verwendet. Es ist aber durchaus möglich, dass sie in der weiteren Entwicklung für die Behandlung von Patienten durch andere Partikel ersetzt werden. Für chemisch beschichtete Polystyrol Nanopartikel ist gezeigt worden, dass sie in Schweinen Pseudoallergien auslösen können . Nachdem diese Art von Reaktion für Medikamente ein bekanntes Problem darstellt, ist die betreffende Partikelvariante wohl kein aussichtsreicher Kandidat. Polystyrol Nanopartikel lösen aber keine Entzündungen aus, wenn sie nicht eigens dafür verändert worden sind .

Der Kontakt von Menschen mit Polystyrol Partikeln ist gering. Wenn, dann könnte es eine Exposition am Arbeitsplatz beim Inhalieren von Pulver geben, oder durch die Nahrungsaufnahme von Polystyrol-Verunreinigung von Nahrungsmitteln. Polystyrol Nanopartikel sind nicht schädlich, aber Substanzen, die auf ihrer Oberfläche gebunden sind, können ein Problem sein. Polystyrol Nanopartikel dienen hauptsächlich als Modellpartikel zur Untersuchung von Transportprozessen in Zellen bzw. im Körper.

Polystyrol Nanopartikel gelangen entweder als gezielt hergestellte Polystyrol Nanopartikel (als so genannte primäre Polystyrol Nanopartikel) in die Umwelt. Der Großteil wird jedoch durch Polystyrol Abfall (z.B. Lebensmittelverpackungen) verursacht, aus welchem durch Abbau und Abrieb kleinere, nanoskalige Partikel entstehen (so genannte sekundäre Polystyrol Nanopartikel).

Generelle Freisetzung von Polystyrol Nanopartikeln

Technisch hergestellte Polystyrol Nanopartikel werden für Labor- und biomedizinische Anwendungen verwendet. Darüber hinaus werden Nicht Nano Polystyrol Komposite in Lebensmittelverpackungen eingesetzt (siehe Querschnittsartikel - Nanomaterialien in Lebensmittelverpackungen), die sowohl bei der Verwendung als auch bei der Entsorgung der Produkte zu einer Freisetzung in die Umwelt führen können. Einmal in der Umwelt, ist es schwierig, zwischen primären und sekundären Polystyrol Partikeln zu unterscheiden .
Technisch hergestellte Polystyrol Nanopartikel werden häufig in Nanopartikel - Toxizitätsstudien als nicht-toxische Kontrollpartikel verwendet. Auch Referenzpartikel genannt, dienen sie dazu die Wirkung eines Partikels von einer spezifischen Substanztoxizität abzugrenzen. Technisch hergestellte Polystyrol Nanopartikel werden auch zur Kalibrierung (also zur Bestimmung von Abweichungen eines Messgerätes) für verschiedene Analysemethoden oder in Kombination mit spezifischen Farbstoffen für mikroskopische Anwendungen eingesetzt. Auf diese Weise können die Wechselwirkung der Polystyrol Nanopartikel mit Umweltorganismen, das Aufnahmeverhalten, die Lage innerhalb der Organismen und sogar der Zellen im Detail untersucht werden.
Die Freisetzung von Polystyrol Nanopartikeln in Gewässer erfolgt entweder durch direkte Freisetzung der primären Partikeln oder durch Abfälle (z.B. Einwegverpackungen). Dabei werden Polystyrol Partikel mit ganz unterschiedlichen Größen in Luft, Boden und Wasser vorhanden sein, denn Materialien aus Polystyrol gehören zu den am häufigsten nachgewiesenen Arten von Plastikmüll in der Umwelt. In Gewässern unterscheidet sich im Gegensatz zu anderen Polymeren die Häufigkeit von Polystyrol Partikeln (Nano- und Nicht-Nano Partikel) nicht zwischen der Wasserphase und dem Gewässergrund, was auf die beiden unterschiedlichen Formen von Polystyrol zurückzuführen ist. Das feste Polystyrol mit einer höheren Dichte als Wasser reichert sich am Gewässergrund an, während Polystyrol Schäume mit einer geringeren Dichte als Wasser eher schwimmen und damit in der Wasserphase bleiben .
Polystyrol Nanopartikel sind auch in Böden nachgewiesen worden . In der Atmosphäre wurden Polystyrol Mikropartikel nachgewiesen. Es wird davon ausgegangen, dass auch Polystyrol Nanopartikel vorkommen . Für die Polystyrol Nanopartikel in der Luft existieren jedoch noch keine geeigneten Nachweismethoden.

Freigesetzte Mengen an Polystyrol Nanopartikeln

Es wird erwartet, dass Polystyrol Nanopartikel in der Umwelt vorwiegend in Form von sekundären Polystyrol Partikeln auftreten. Tatsächlich gemessene Umweltkonzentrationen sind jedoch noch nicht verfügbar. Derzeit kann die Summe aller Nanokunststoffe nachgewiesen werden, aber es ist nicht möglich, zwischen verschiedenen Arten von Polymeren zu unterscheiden . Daher sind keine geschätzten Expositionskonzentrationen speziell für Polystyrol Nanopartikel verfügbar .

Das liegt vor allem an den methodischen Herausforderungen, die mit der Extraktion und dem Nachweis von kleinen kohlenstoffbasierten Partikeln aus komplexen natürlichen Materialien wie Boden oder Wasser verbunden sind (siehe Querschnittsartikel - Nachweis von Nanomaterialien in der Umwelt). Außerdem ist es noch nicht möglich, zwischen technisch hergestellten Polystyrol Nanopartikeln und sekundären Polystyrol Nanopartikeln in der Umwelt zu unterscheiden .

Plastikteilchen, die am Strand gefunden wurden © Susanne Fritzsche - stock.adobe.com

Polystyrol macht derzeit 6,7 % der gesamten Kunststoffnachfrage in Europa aus. Ausgehend von einer europäischen Gesamtjahresproduktion von 60 Millionen Tonnen Kunststoff im Jahr 2016 entspricht dies in etwa einer Jahresproduktion von 4 Millionen Tonnen Polystyrol.  Dies entspricht der Produktion von 2,2 Millionen Joghurtbechern pro Minute in Europa! Es ist jedoch nicht bekannt, welcher Anteil in Form von Nanopartikeln produziert und welcher Anteil des Polystyrols in die Umwelt freigesetzt wird. Ebenso ist unklar wie lange es dauert, bis freigesetzte Kunststoffteilchen in der Umwelt zu sekundären Polystyrol Nanopartikeln abgebaut werden .

Bislang sind Polymere von der Registrierung im Rahmen der europäischen Chemikalienverordnung (REACH) ausgenommen, diese Praxis wird derzeit diskutiert und es wurden Kriterien vorgeschlagen, die für eine Registrierung von Polymeren wichtig sind (ICPC 2021). Selbst wenn Polymere registrierungspflichtig wären, wäre dies bei technischen Polystyrol Nanopartikeln nicht der Fall, da das Produktionsvolumen zu gering ist, um die Tonnageanforderungen zu überschreiten.

Ergebnisse aus dem Labor zur Freisetzung von Polystyrol Nanopartikeln

Die freigesetzten Mengen von primären Polystyrol Nanopartikeln sind unbekannt und können derzeit auch nicht abgeschätzt werden. Auch die Bildung von sekundären Polystyrol Nanopartikeln aus größeren Polystyrol Gegenständen unter Umweltbedingungen wurde noch nicht nachgewiesen, aber es ist bekannt, dass unter Laborbedingungen Polystyrol Nanopartikel entstehen können .
Für den Nachweis von nanoskaligem Polystyrol wurde eine sehr empfindliche Methode entwickelt. Sie erfordert die Markierung von Partikeln mit einer bestimmten Form von Kohlenstoff und ermöglicht daher keine direkte Messung von Nanokunststoffen in der Umwelt, da diese die Markierung nicht tragen. Die Methode kann jedoch verwendet werden, um die Verteilung von Nanoplastik in der Umwelt und in Organismen in Laborexperimenten besser zu verstehen (siehe Spotlight Januar 2021) .

Zusammenfassend ist eine Freisetzung von Polystyrolpartikeln in die Umwelt durch die großen Produktionsmengen und die Verwendung in vielen Produkten sehr wahrscheinlich. Die Umweltkonzentrationen von Polystyrol Nanopartikeln sind jedoch sowohl für primäre als auch für sekundäre Nanopartikel schwer abzuschätzen. Die Fragmentierung größerer Polystyrolteile in Nanopartikel wurde bisher nur unter Laborbedingungen nachgewiesen.

Weiterführende Informationen

• European Chemicals Agency (2019).  Appendix for nanoforms to the guidance on registration and the guidance on substance identification. ISBN978-92-9481-357-2, DOI: 10.2823/832485
• PlasticsEurope (2020). Plastics - the Facts 2020 - an Analysis of European Plastics Production, Demand and Waste Data. (PDF, 4 MB) 

Polystyrol Nanopartikel können eingeatmet werden. Über die Nahrung können sie ebenso in den Körper gelangen. Die gesunde Haut dagegen ist eine gute Barriere für diese Partikel.

Aufnahme über die Lunge

Die Aufnahme von Polystyrol Nanopartikeln über die Lunge kann vor allem am Arbeitsplatz eine Rolle spielen. Ebenfalls können in der Umwelt vorkommende nanoskalige Plastikpartikel eingeatmet werden. Die auftretenden Mengen dieser sekundären Polystyrol Nanoplastik Partikel sind allerdings sehr niedrig. Weiterhin gibt es in der Medizin Ansätze, Polystyrol Nanopartikel als Transportmittel für die Verabreichung von Medikamenten über die Lunge einzusetzen.
In vitro Versuche haben gezeigt, dass Polystyrol Nanopartikel von Epithelzellen wie auch Makrophagen der Lunge aufgenommen werden, aber keine negativen Effekte verursachen. Auch in vivo lösen per Instillation verabreichte Polystyrol Nanopartikel in Ratten weder toxische Effekte noch Entzündungsreaktionen aus. Das Immunsystem betrachtet demnach die Polystyrol-Nanopartikel als harmlos.
In den Lungenbläschen kommen die inhalierten Polystyrol Nanopartikel zunächst mit dem Lungen-Surfactant in Kontakt. Diese Flüssigkeit ist für den Erhalt der Oberflächenspannung in den Lungenbläschen zuständig und besteht zu 90% aus Lipiden und Proteinkomplexen mit einem großen Lipidanteil. Diese Surfactant-Proteinkomplexe bilden eine Proteinhülle um die Polystyrol Nanopartikel aus, was sich normalerweise abschwächend auf mögliche Effekte der Nanopartikel auswirkt. Untersuchungen an einem in vitro Infektionsmodell von Lungenzellen haben gezeigt, dass die Beladung der Polystyrol Nanopartikel mit Surfactant-Proteinkomplexen einen dosis-abhängigen Einfluss auf die Bekämpfung von Grippeviren hat. Niedrige Konzentrationen der beladenen Polystyrol Nanopartikel haben die Bekämpfung der Grippeviren gehemmt, während höhere Konzentrationen diese gefördert haben. Ob dieser Effekt auch im lebenden Organismus auftreten kann, ist bislang nicht bekannt .

Aufnahme über die Haut

Durch Pflege- und Kosmetikprodukte kommt die Haut mit größeren Polystyrol Partikeln (nicht nano) in Kontakt. Polystyrol Nanopartikel gelten zwar als unkritisch, sind aber in der EU aktuell nicht für die Verwendung in Kosmetikprodukten zugelassen.
Bei intakter Haut können die Polystyrol Nanopartikel diese Schutzbarriere nicht überwinden und in den Körper gelangen (vgl. Körperbarrieren – Nanopartikel und die Haut). Es wurde gezeigt, dass Polystyrol Nanopartikel in Haarfollikel eindringen können, Effekte konnten keine nachgewiesen werden.
Immer wieder wird die Frage diskutiert, wie geschädigte bzw. verletzte Haut mit Nanopartikeln umgeht. Ein in vitro Modell von menschlichen Augenhornhautzellen hat gezeigt, dass Polystyrol Nanopartikel bei Verletzungen die Wundheilung verlangsamen können. Es ist aber nicht bekannt, ob dieser Effekt auch in der Realität für normale Haut, also am lebenden Organismus, auftritt .

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

Technisch hergestellte Polystyrol Nanopartikel können ebenso wie sekundäre Polystyrol Nanopartikel über die Nahrung in den menschlichen Körper aufgenommen werden. Sie gelten als unkritisch, allerdings fehlen Daten insbesondere zur Langzeitwirkung der sekundären Polystyrol Nanopartikel.
Die Aufnahme über die Nahrung gilt als der wichtigste Aufnahmeweg für Polystyrol Partikel in den menschlichen Körper. Über Nanoplastik in Nahrungsmitteln gibt es keine Daten, was auch daran liegt, dass der Nachweis und die Unterscheidung von anderen Substanzen bisher kaum möglich sind .
Untersuchungen zur Aufnahme und Wirkung von Polystyrol Nanopartikeln wurden bislang nur mit Modellpartikeln durchgeführt. Solche technisch hergestellten Polystyrol Nanopartikel besitzen eine einheitliche Größe, Form und Reinheit.

Eine Versuchsreihe an Hühnerküken hat gezeigt, dass eine zweiwöchige Verabreichung von Polystyrol Nanopartikeln die Eisenaufnahme im Darm beeinträchtigt.
Die Verfütterung von Polystyrol Nanopartikeln an Ratten über einen Zeitraum von fünf Wochen hinweg ergab in einer Reihe von Tests keine signifikanten Änderungen im Verhalten der Tiere .

Zu echten Langzeiteffekten (über Jahre hinweg) gibt es zurzeit für Tiermodelle zur menschlichen Gesundheit keine Daten. Es ist nicht bekannt ob die Partikel im Darm bleiben oder auch über die Darmbarriere in den Körper aufgenommen werden. Es gibt Tierstudien, in denen eine Ansammlung von Polystyrol Nanopartikeln in Peyer‘schen Plaques, einer Ansammlung von Lymphfollikeln im Darm, gezeigt wurde. Effekte wurden jedoch nicht beschrieben.

Aufnahme über medizinische Anwendung

Die Tatsache, dass Polystyrol Nanopartikel von Zellen aufgenommen werden können, führt hin zu ihrer medizinischen Anwendung, z.B. als Träger für andere Substanzen, deren Wirkung durch die Bindung an Partikel verbessert wird. Eine neue Möglichkeit zur Krebstherapie sind etwa die sogenannten „Checkpoint-Inhibitoren“, für deren Entdeckung 2018 der Medizin-Nobelpreis verliehen wurde. Durch diese Substanzen wird nicht auf den Tumor gezielt, sondern auf das Immunsystem, das veranlasst wird, den Tumor anzugreifen. In Tierversuchen wurde bereits gezeigt, dass die Wirkung deutlich besser ist, wenn die Medikamente an Polystyrol Nanopartikel gebunden werden (z.B. ). Die Mehrheit der untersuchten Anwendungen dreht sich, wie diese, um Krebs. Bisher werden Polystyrol Nanopartikel noch nicht klinisch verwendet, es laufen aber Anstrengungen in diese Richtung, auch für andere Erkrankungen. Eine besonders interessante Möglichkeit für stabile Partikel wie Polystyrol Nanopartikel ist die orale Verabreichung, weil solche Partikel die extrem saure Umgebung im Magen gut überstehen.

Polystyrol Nanopartikel lösen im menschlichen Körper keine toxischen Effekte aus. Sie können jedoch die Aufnahme weiterer Stoffe im Darm, wie z.B. Eisen, beeinträchtigen. Langzeiteffekte müssen näher untersucht werden.

Künstlich hergestellte Polystyrol Nanopartikel wurden in Laborstudien an einer Vielzahl von Testorganismen hinsichtlich ihrer potenziellen gefährlichen Auswirkungen untersucht. Sie werden von verschiedenen Umweltorganismen aufgenommen und können an der Körperoberfläche von Organismen haften. Laborstudien deuten auf eine mögliche Übertragung von Polystyrol Nanopartikeln von Primärkonsumenten über die Nahrungskette auf Endkonsumenten hin. Es wurde festgestellt, dass die biologischen Auswirkungen von den Partikeleigenschaften wie Oberflächenladung, Beschichtung und Größe abhängen.

Grafische Darstellung eines Fisches, der Plastikflaschen und Plastikteilchen verschluckt hat © eyewave - stock.adobe.com

Aufnahme von Polystyrol Nanopartikeln in Umweltorganismen

Viele Testorganismen nehmen in Laborstudien Polystyrol Nanopartikel auf (z. B. Muscheln, Daphniden). Unter Umweltbedingungen wurde eine solche Aufnahme noch nicht nachgewiesen, sie ist aber sehr wahrscheinlich. Polystyrol Nanopartikel haften an den äußeren Körperoberflächen von Wassertieren (z. B. Krebstieren), was zu Beeinträchtigungen beim Schwimmen und Fressen führen kann. Auch das Anhaften an Algen und Wasserpflanzen wurde beobachtet  . Fluoreszierende Polystyrol Nanopartikel werden in vielen Studien verwendet, um die Partikelverteilung im Körper der Organismen zu untersuchen. Fluoreszenzsignale wurden im Inneren von Zebrafischembryonen, Wasserflöhen und Fadenwürmern nachgewiesen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde zunächst angenommen, dass Polystyrol Nanopartikeln Gewebebarrieren, wie die Blut-Hirn-Schranke und den Darm, passieren können  . Darüber hinaus wurde bei Zebrafischen von einer Übertragung von der Mutter auf ihre Nachkommen berichtet . Kürzlich wurde jedoch nachgewiesen, dass der Fluoreszenzfarbstoff aus den Polystyrol Nanopartikeln austritt, was den falschen Eindruck erweckt, dass die Partikel transportiert werden würden . Daher werden zukünftige Studien zeigen, ob Polystyrol Nanopartikel wirklich in der Lage sind, Gewebebarrieren zu überwinden.

Toxizität von Polystyrol Nanopartikeln in Umweltorganismen

Polystyrol Nanopartikel hatten keine oder nur mäßige Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit verschiedener Tiere (Fische, Wasserflöhe, Nematoden, Muscheln, Pflanzen), wenn sie über kurze Zeiträume (bis zu 3 Tage) exponiert wurden . Bei längerer Exposition wurden eine erhöhte Sterblichkeit bei Krebstieren und Rädertieren, ein verändertes Schwimmverhalten von Fischlarven oder eine Veränderung der Filtrieraktivität von Muscheln beobachtet . Längere Exposition gegenüber Polystyrol Nanopartikeln führt bei Krebstieren, Seeigeln, Muscheln und Nematoden zu einer verringerten Fortpflanzung . Polystyrol Nanopartikel lösten oxidativen Stress bei erwachsenen Fischen, Seeigeln, Austern, Krustentieren, Nematoden und Pflanzen aus . In Pflanzen aus verringerten sie das Spross- und Wurzelwachstum bei hohen Expositionskonzentrationen . Bei den meisten dieser Laborexperimente wurden Partikelkonzentrationen verwendet, die weit über den in der Umwelt erwarteten liegen. Viele Studien kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten Wirkungen bei Konzentrationen, wie sie in der Umwelt auftreten, nicht zu erwarten sind.

Die beobachteten Auswirkungen hängen von der Ladung der Polystyrol Nanopartikel ab. Die meisten Effekte bei Muscheln treten bei positiv geladenen Partikeln auf . Bei Austern und Algen hingegen hatten negativ geladene Partikel stärkere Auswirkungen . Nach Zugabe von natürlichen Huminsäuren, die reale Umweltbedingungen simulieren, wurde die Toxizität von Polystyrol Nanopartikeln gegenüber Wasserflöhen verringert .
Interessanterweise zeigten Polystyrol Mikropartikel im Vergleich zu Polystyrol Nanopartikeln bei Zebrafischen und Nematoden stärkere Effekte. Bei Algen und Wasserflöhen wurde hingegen der gegenteilige Effekt beobachtet und die Nanopartikel lösten im Vergleich zu den Polystyrol Mikropartikeln stärkere Wirkungen aus . Bei Fadenwürmern waren die kleinen Nanopartikel und die größeren Mikropartikel ähnlich toxisch, Partikel mit mittlerer Größe waren am giftigsten . Nimmt man alle Ergebnisse zusammen, die bei aquatischen und marinen Organismen zu Nanokunststoff im Allgemeinen erzielt wurden, so erwiesen sich Nanokunststoffpartikel als weniger toxisch als Mikroplastik sowie andere technisch hergestellte Nanomaterialien .

Es ist wichtig zu erwähnen, dass verschiedene Chemikalien, die für eine Benetzung der Polystyrol Nanopartikel und damit eine gleichmäßige Verteilung im Wasser verwendet werden (Dispergierhilfsmittel), nachweislich schädliche Auswirkungen auf Organismen haben . Dies muss bei der Gefahrenabschätzung berücksichtigt werden.

Beurteilung von Polystyrol Nanopartikeln auf Umweltorganismen

Es ist noch nicht möglich, die in Laborstudien gewonnenen Toxizitätsdaten in Beziehung zu den Umweltkonzentrationen von Polystyrol Nanopartikeln zu setzen. Erstens sind die Konzentrationen von Nanokunststoffen in der Umwelt im Allgemeinen schwer zu bestimmen. Zweitens handelt es sich bei den meisten Polystyrol Partikeln in der Umwelt um sekundäre Partikel, die sich in ihren Eigenschaften von den in Laborstudien verwendeten primären Partikeln unterscheiden. Daher ist es derzeit nicht möglich, das von Polystyrol Nanopartikeln ausgehende Umweltrisiko zu bewerten und es von dem Risiko zu unterscheiden, das von der Mischung verschiedener in der Umwelt vorhandener Mikro- und Nanoplastikpartikel ausgeht.

Künstlich hergestellte Polystyrol Nanopartikel werden von verschiedenen Umweltorganismen aufgenommen. Sie haben keine sehr schweren akuten Wirkungen, nach längerer Exposition treten schädliche Wirkungen auf. Die Polystyrol Nanopartikel haften an Körperoberflächen von Organismen und beeinträchtigen deren normale Funktion. Ihre Auswirkungen auf Umweltorganismen hängen von der Oberflächenladung ab, wobei einige Studien eindeutig belegen, dass positiv geladene Nanopartikel eine stärkere Wirkung hervorrufen. Bei einigen Organismen unterscheiden sich die Wirkungen von Polystyrol Nanopartikeln von Polystyrol Mikropartikeln.

Polystyrol Nanopartikel können über eine Reihe von Aufnahmemechanismen in Zellen aufgenommen werden und Körperbarrieren überwinden.

Verteilung und Wirkung im Körper

Medizinische Anwendungen und experimentelle Studien mit Partikeln arbeiten gewöhnlich mit hohen Konzentrationen, die weit über dem liegen, was durch ungewollte Aufnahme über Verdauungstrakt, Atemwege oder Haut in den Körper kommen kann . Mit Blick auf medizinische Anwendungen ist dabei wichtig, ob die Partikel bevorzugt an bestimmte Zellen oder Gewebe binden, damit Medikamente gezielt am gewünschten Wirkungsort angereichert werden können. Dies wird oft erreicht, indem man auf der Oberfläche der Partikel Substanzen aufbringt, die nur dort Bindungspartner finden. Die Form kann ebenfalls eine Rolle spielen: längliche Polystyrol Nanopartikel reichern sich im Gegensatz zu kugeligen in der Lunge an und binden bevorzugt an entzündete Stellen .

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Polystyrol Nanopartikel reichern sich im Gehirn von Mäusen dann besser an, wenn dort eine Entzündung vorliegt . Diese Eigenschaft ist sehr erwünscht, wenn es darum geht, Medikamente in entzündete Blutgefäße des Gehirns zu bringen, etwa bei Schlaganfall. Dort ist dann auch der Übertritt durch die Blut-Hirn-Schranke erleichtert.

Verhalten an der Plazenta-Schranke

Nanopartikel können unter Umständen die Plazenta-Schranke überwinden und den Embryo erreichen. Deshalb ist es wichtig die Mechanismen zu verstehen, die dafür verantwortlich sind. Kennnisse dazu würden die Entwicklung von entsprechenden Medikamenten fördern und eine Vorhersage darüber erlauben, für welche Nanopartikel dies ein Problem sein könnte. Untersuchungen dazu sind schwierig, weil die Plazenta ein sehr komplexes Organ und zudem in verschiedenen Spezies sehr unterschiedlich aufgebaut ist. In der Zellkultur kann sie nicht vollständig nachgebildet werden. Untersuchungen mit Polystyrol Nanopartikeln an menschlichen Plazenten, die nach Kaiserschnitten gewonnen wurden, geben erste Hinweise: Für die untersuchten Nanopartikel war eine bestimmte Plazentaschicht – der Trophoblast – für die Aufnahme maßgebend. Ein Transport über diese Barriere erfolgte über noch nicht identifizierte, aktive Mechanismen, möglicherweise auch über Phagozytose, da relativ große Partikel transportiert werden können. Es ist möglich, dass während des größten Teils der Schwangerschaft die Aufnahme geringer ist, weil erst gegen Ende der Schwangerschaft diese Barriere dünner wird .

Aufnahme und Wirkung in Zellen

Grundsätzlich können Nanopartikel über eine Reihe von normalen Zellaufnahmemechanismen aufgenommen werden. Welche Wege dabei verwendet werden, hängt von den eingesetzten Zellen, aber auch von Größe, Oberfläche und Oberflächenladung der Partikel ab. Generell erfolgt die Aufnahme in Zellen über eine aktive Aufnahme.
Zu beachten ist, dass sich die Aufnahme von Nanopartikeln in die Zellen ändert, wenn die Zellen in einer dreidimensionalen Zellkultur (Ko-Kultur) wachsen, in der sie in jeder Richtung Kontakt zu anderen Zellen haben. Dies entspricht den Verhältnissen im Körper. Für die normale, zweidimensionale Zellkultur, bei der Zellen nur auf dem Boden eines Kulturgefäßes wachsen, trifft dies nicht zu. Für Polystyrol Nanopartikel ist gezeigt worden, dass Zellen in dreidimensionaler Kultur diese Partikel langsamer aufnehmen, als in zweidimensionaler Kultur. Der wichtigste Aufnahmeweg ist dabei die Pinozytose. Mit Fluoreszenzfarbstoffen markierte Polystyrol Nanopartikel können auch innerhalb der Zelle beobachtet werden. Sie wandern nach der Aufnahme in Vesikel über Endosomen und Lysosomen, durchlaufen also eine Reihe von Zellorganellen, wie dies auch viele andere aufgenommene Substanzen tun .

Polystyrol Nanopartikel können in Zellen aufgenommen werden und Körperbarrieren überwinden.

Polystyrol Nanopartikel kommen in der Umwelt hauptsächlich als sekundäre Polystyrol Nanopartikel vor, die durch die Zersetzung größerer Polystyrolstücke entstehen. Wie sich diese Partikel in der Umwelt verteilen und umwandeln, hängt von ihren Eigenschaften sowie von der Wechselwirkung mit organischen Materialien und Organismen ab.

Transport

zerkleinerte Plastikteilchen, die aus dem Meer gesammelt wurden© DisobeyArt - stock.adobe.com

Im Wasser entscheidet die Dichte der Polymere über das Transportverhalten. Das feste Polystyrol mit einer höheren Dichte als Wasser wird vermutlich in tiefere Wasserschichten und das Sediment sinken. Die Polystyrol Schäume mit einer geringeren Dichte als Wasser werden eher an der Wasseroberfläche bleiben .
Wie bei anderen Nanomaterialien spielt die Oberflächenladung von Polystyrol Nanopartikeln eine wichtige Rolle für das Verhalten im Wasser. Polystyrol Nanopartikel mit einer positiven Oberflächenladung sind in Wasser stabil, d. h. es kommt nicht zu Agglomeration und Sedimentation. In natürlichen Gewässern erhalten die künstlichen Polystyrol Nanopartikel jedoch eine negative Oberflächenladung und bilden anschließend größere Aggregate mit natürlichen organischen Stoffen und anderen Partikeln. In Meerwasser bilden sich aufgrund des höheren Salzgehalts größere Aggregate als in Süßwasser. Daher werden in einem realen Umweltszenario keine einzelnen Polystyrol Nanopartikel auftreten .
Es wird davon ausgegangen, dass die meisten Polystyrol Nanopartikel in der Umwelt aus Bruchstücken von größeren Polystyrolgegenständen stammen, z. B. aus weggeworfenen Kaffeebechern. Diese Gegenstände zersetzen sich unter dem Einfluss von Sonnenlicht, Wind und Wellen in immer kleinere Partikel, die schließlich zur Bildung von Nanopartikeln führen. Über das Transportverhalten von sekundären Polystyrol Nanopartikeln ist wenig bekannt. Einige Erkenntnisse lassen sich jedoch von größeren Polystyrol Mikropartikeln ableiten. Nach dem Eintritt in die Umwelt werden Mikroplastikpartikel schnell mit organischem Material (z. B. Huminsäuren) und Mikroorganismen überzogen (Bildung der sogenannten Ökokorona, Biofilme). Diese organische Beschichtung verändert die Schwimmfähigkeit der Partikel. Ansonsten schwimmende Partikel können zu Boden sinken, da sich die Dichte der Partikel erhöht. Die Verwitterungsprozesse von Polystyrol Mikropartikeln durch UV-Bestrahlung und mechanische Kräfte erhöhen ebenfalls das Absinken und die Adsorption von in der Umwelt vorhandenen Schadstoffen. Es wird angenommen, dass die beschriebenen Prozesse auch für Polystyrol Nanopartikel gelten .

Über den Transport von Polystyrol Nanopartikeln in Böden, zum Beispiel in landwirtschaftlichen Gebieten, ist wenig bekannt .

Transformation

Es wird angenommen, dass primäre und sekundäre Polystyrol Nanopartikel in den verschiedenen Umweltkompartimenten immer weiter fragmentieren und abgebaut werden. Mit den derzeitigen Analysemethoden ist es jedoch schwierig, Polystyrol Nanopartikel in Wasser, Luft und Boden nachzuweisen. Außerdem ist es noch nicht möglich, in der Umwelt zwischen technisch hergestellten Polystyrol Nanopartikeln (primär) und sekundären Polystyrol Nanoplastikpartikeln zu unterscheiden (siehe Querschnittsartikel - Nachweis von Nanomaterialien in der Umwelt).

Bislang wurde der Fragmentierungsprozess von Polystyrol in sekundäre Polystyrol Nanopartikel nur in Laborexperimenten untersucht (siehe Querschnittsartikel - Nanoplastik in der Umwelt) . Es ist nicht bekannt, in welchen Zeitskalen sekundäre Polystyrol Nanopartikel unter Umweltbedingungen gebildet werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein vollständiger Abbau (Mineralisierung) von Polystyrol Nanopartikeln möglich ist, und es wurde nachgewiesen, dass Mikroorganismen in der Lage sind, Polymere abzubauen und diesen Prozess zu unterstützen. Im speziellen Fall von Polystyrol Nanopartikeln sind jedoch keine Daten verfügbar.

In landwirtschaftlichen Gebieten werden Polystyrol Nanopartikel auch in den Boden gelangen. Die meisten sekundären Polystyrol Nanopartikel werden vermutlich über viele Jahrzehnte im Boden verbleiben. Im Vergleich zur wässrigen Umgebung ist der Abbau im Boden langsamer und könnte ebenfalls durch Mikroorganismen verstärkt werden. Andere Prozesse, die bei Polystyrol Nanopartikeln und ihrer Umwandlung im Boden auftreten können, sind jedoch derzeit nicht bekannt .

Die meisten Erkenntnisse über das Umweltverhalten von Polystyrol Nanopartikeln stammen von größeren, mikroskaligen Polystyrol Partikeln. Bislang ist es kaum möglich, Polystyrol Nanopartikel unter Umweltbedingungen zu beproben, nachzuweisen und zu analysieren. In einer wässrigen Umgebung werden die Nanopartikel schnell mit organischem Material überzogen, was zu einem Absinken der Partikel führt. Das Wissen über das Verhalten von Polystyrol Nanopartikeln in Böden ist begrenzt.