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Wasserlösliche (flüssige) Polymere
Viele Studien zum Thema Polymere in der Umwelt konzentrieren sich auf das Thema Mikroplastik, zu dem feste Kunststoffpartikel und -fasern zählen. Wenig Berücksichtigung finden bislang wasserlösliche Polymere und ihre Auswirkungen auf Umwelt und Organismen.
Hier geht es zum Erklärvideo des Team WASoMi.
Warum wasserlösliche Polymere Umweltrelevanz besitzen und deswegen betrachtet werden sollten
Da die Wasserlöslichkeit einer organisch-chemischen Verbindung, wie Polymere es sind, den weitreichenden Transport in aquatischen Ökosystemen ermöglicht, werden wasserlösliche Polymere vermehrt in Wasser- und Bodenproben gefunden. Genau wie Mikroplastik wirken sie als anthropogene Stressoren, werden nur sehr langsam in der Umwelt abgebaut und beeinflussen Organismen und Ökosysteme weltweit .
Wie lassen sich die Vielzahl unterschiedlicher wasserlöslicher Polymere gruppieren?
Synthetische wasserlösliche Polymere lassen sich in vier Gruppen einteilen. Dazu gehören
- Polyelektrolyte,
- Amphotere,
- nicht-ionische Homopolymere und
- hydrophob-assoziierende Polymere.
Polyelektrolyte sind Polymere, die geladene Gruppen besitzen. Sie werden in Polykationen (positiv geladen), Polyanionen (negativ geladen) oder Amphotere (Zwitterionen, positiv und negativ geladen) untergliedert. Zu den Polyelektrolyten gehören Proteine, aber auch zahlreiche synthetisch hergestellte Zusatzstoffe zum Verdicken von Kosmetika. Hierzu gehören beispielsweise Polyacrylat (Cabomer), Polyquaternium 6 und Polyvinylpyrrolidon (PVP).
Zu der Gruppe wasserlöslicher nichtionischer Homopolymere gehören z. B. Polyethylenoxide, Poly- N-vinylpyrrolidone, Polyvinylalkohole und Polyacrylamide.
Synthetische wasserlösliche Polymere sind heutzutage unentbehrlicher Bestandteil vieler Alltagsprodukte
Sie werden in vielen Kosmetika, Haarsprays, Cremes und Lotionen (zusammengefasst als personal care and cosmetic products; PCCPs) zugesetzt. Im medizinischen Bereich dienen sie sowohl als Filmmaterial für Retard Kapseln als auch als Bindemittel für medizinische Werkstoffe sowie als Wirkstoff-Komponenten.
Bei der Papierherstellung werden Polymere als Hilfsstoffe zugesetzt, wodurch die Weißpigmente fein und gleichmäßig auf den Cellulosefasern verteilt werden. Eine weitere Anwendung von löslichen Polymeren ist deren Einsatz zur Verbesserung der Webbarkeit von Textilfasern beim Schlichtprozess.
In Waschmitteln werden Polymere zugesetzt, um die Kalkanlagerung an Textilien und Heizstäben der Waschmaschinen zu verhindern. Die Farb- und Lackindustrie setzen wasserlösliche Polymere als Pigmentdispersions- und Rheologiemodifizierungsmittel ein.
Wasserlösliche Polymere werden zudem als Flockungsmittel oder Flockungshilfsmittel bei Wasseraufarbeitung und Abwasserbehandlung eingesetzt. In der Landwirtschaft helfen sie bei der Erhöhung der Wirksamkeit von Pestiziden und Düngemitteln, wodurch der Ressourcenverbrauch reduziert wird.
Eine weitere Anwendung der wasserlöslichen Polymere ist in der Bauindustrie, z. B. als Hilfsmittel für Beton, um einen möglichst hohen Grad an Verdichtung zu erzielen.
Wie wirken lösliche Polymere?
Polyvinylalkohol (PVAL oder PVOH) ist eines der meistgenutzten wasserlöslichen Polymere. Anwendung findet es aufgrund seiner schichtbildenden, emulgierenden und adhäsiven Eigenschaften. Auch verfügt es über eine hohe Zugfestigkeit und Flexibilität. Aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaften kann PVAL Wasser absorbieren, welches als Weichmacher wirkt. PVAL verliert so bei zunehmendem Wassergehalt an Zugfestigkeit und gewinnt dabei an Elastizität. Polyacrylamid (PAM) ist ein weiteres häufig verwendetes wasserlösliches Polymer. In geringen Konzentrationen kann es die Viskosität wässriger Lösungen erhöhen, in hohen Konzentrationen bildet es feste Gele.
Wie kommen wasserlösliche Polymeren in die Umwelt?
Ebenso wie unlösliche Polymere - Mikroplastik - werden auch wasserlösliche Polymere direkt in die Umwelt eingebracht: Über Kunststoffabfall (z. B. nicht vollständig geleerte Shampooflaschen), Peelings und Zusätzen in Kosmetika und Haushaltsreinigern oder Detergentien, die z.B. beim Schwimmen oder Waschen in den Wasserkreislauf eingebracht und innerhalb dessen transportiert werden. In der Kläranlage werden wasserlösliche Polymere teilweise aus dem Abwasser extrahiert, die verbleibenden gelangen mit dem gereinigten Abwasser in die Umwelt.
Indirekte Eintragspfade können durch Regenereignisse verursacht werden, die die Polymerpartikel von Beschichtungen und anderen Produkten auswaschen. Darüber hinaus landen die in der Kläranlage aus dem Abwasser entfernten löslichen Polymere im Klärschlamm und auf landwirtschaftlich genutzten Feldern, wenn dieser dort als Dünger eingesetzt wird. Die Kläranlage kann, wie hinsichtlich Mikroplastik, als wichtiger Eintrittspfad für lösliche Polymere in Wasserkreislauf und Umwelt angesehen werden.
Im Gegensatz zu Mikroplastik gibt es keine Daten über die Verteilung von löslichen Polymeren in den verschiedenen Umwelt-Kompartimenten (Wasser - Luft - Boden), ihr Schicksal ist weitgehend unbekannt. Da sie in Wasser gelöst sind, sich leicht an andere Substanzen in Wasser anlagern und meist nicht biologisch abbaubar sind, ist jedoch davon auszugehen, dass lösliche Polymere ebenfalls ein globales Umweltproblem mit hohen gesundheitlichen Risiken darstellen.
Wasserlösliche Polymere und das Analytikproblem
Wie auch im Bereich Mikroplastik-Detektion, steckt die Analytik für lösliche Polymere in Umweltproben in den Kinderschuhen. Es gibt derzeit keine allgemein akzeptierte Methode zum Nachweis und zur Charakterisierung von wasserlöslichen Polymeren. Es können jedoch einige Verfahren zum Nachweis von Polyethylenglykolen (PEG), einem in verschiedenen Industrien verwendeten Polymer, gefunden werden.
Wie steht es um die Datenlage zur ökotoxikologischen Relevanz von löslichen Polymeren?
Informationen über die (öko-) toxikologischen Wirkungen von wasserlöslichen Polymeren sind kaum vorhanden, da sie von den Monomeren, aus denen ein Polymer besteht, sowie von Umweltparametern, Konzentration und Empfindlichkeit des exponierten Organismus abhängen. PEG wurde auf seine Toxizität gegenüber Chlorella sp. und L. aequinoctialis untersucht.
Beide Spezies zeigten keine signifikanten Wirkungen, selbst wenn sie hohen Konzentrationen (≤ 12 000 mg L-1) des wasserlöslichen Polymers ausgesetzt waren. Im Gegensatz führte der Einsatz von PEG zum Tod der Nachkommen von M. macleayi.
Bei der Verwendung als Beschichtung von Wirkstoffen oder in Kombination mit anderen Chemikalien (Detergentien, Wachsen, Körperpflege- und Kosmetikprodukte) können lösliche Polymere, die in die Umgebung gelangen, chemisch an ihnen haftende Teilchen von Wirkstoffen enthalten. Mit Wasser gelangen die Polymere und Giftstoffe, die an sie gebunden sind, in den Körper von aquatischen und terrestrischen Organismen mit unsicheren Folgen.
Von löslichen Polymeren und Mikroplastik ist derzeit wenig transparentes und vergleichbares wissenschaftlich verwertbares Datenmaterial vorhanden. In Zukunft gilt es, die Daten zu harmonisieren. Hierzu ist eine standardisierte Analytik unerlässlich. Ebenso ist es unerlässlich, Untersuchungen zum Risikopotential synthetischer Polymere voranzutreiben, um einerseits die Rolle der Polymere als Transportvektor und Matrix zu zu bestimmen und andererseits das Gefährdungspotential des Polymers an sich zu quantifizieren.
Wir arbeiten im Rahmen unserer verantwortungsvollen Forschung und Kommunikation genau an diesen Themen, um mehr Klarheit zu bekommen, was wirklich passiert.
