Nanoplastik stärkt Biofilme in Trinkwassersystemen

Kunststoffverschmutzung wird häufig anhand sichtbarer Abfälle in der Umwelt oder der zunehmenden Sorge über mikroskopisch kleine Kunststoffe in Lebensmitteln und Wasser thematisiert. Über diese Beispiele wird breit berichtet, und sie sind für die Öffentlichkeit leicht vorstellbar.

Einige der gravierendsten Folgen von Kunststoffabfällen bleiben jedoch unsichtbar. Trinkwassersysteme transportieren einen grossen Teil dieser Belastung unbemerkt durch Rohre, Tanks und Aufbereitungsanlagen.

Beim Zerfall von Kunststoff entstehen winzige Partikel, die als Nanoplastik bezeichnet werden. Sie können sich leicht durch Wassersysteme bewegen und direkt mit Mikroorganismen in Kontakt treten. Dadurch lösen sie Veränderungen aus, die schwer zu erkennen und nur schwer rückgängig zu machen sind.

Nanoplastik verändert verborgene Risiken

Die unmittelbare Exposition gegenüber Nanoplastik beschäftigt Forschende bereits. Nun zeichnet sich eine weitere Gefahr ab: Nanoplastik befindet sich nicht nur in der Nähe von Bakterien, sondern verändert aktiv deren Verhalten.

Studien zeigen, dass Nanoplastik mikrobielle Gemeinschaften in Wassersystemen stärken kann. Durch die enge Wechselwirkung mit mikrobiellen Zellen verändert es Überlebensmuster und verschafft bestimmten Bakterien Vorteile.

„Es ist sehr wichtig, die nachteiligen Auswirkungen von Nanoplastik auf die menschliche Gesundheit besser zu verstehen – und zwar nicht nur beim Menschen, sondern auch in der Umwelt, die die menschliche Gesundheit indirekt beeinflusst“, sagte Jingqiu Liao, Assistenzprofessorin für Bau- und Umweltingenieurwesen.

„Nanoplastik kann das Überleben antimikrobiell resistenter Krankheitserreger verbessern, was der Umwelt schaden und Folgen für die öffentliche Gesundheit haben könnte.“

Diese Veränderung ist bedeutsam, weil Trinkwassersysteme bereits erheblichen Aufwand betreiben, um mikrobielles Wachstum zu kontrollieren. Jeder Faktor, der das Fortbestehen schädlicher Bakterien begünstigt, erhöht langfristige Risiken für Infrastruktur und öffentliche Gesundheit.

Wie Trinkwassersysteme reagieren

Moderne Trinkwasseraufbereitung setzt auf mehrere Schutzstufen. Filtration entfernt Partikel, während chemische Desinfektionsmittel die mikrobielle Belastung senken. Eine fortlaufende Überwachung kontrolliert die Wasserqualität. Unter den meisten Bedingungen funktioniert dieses Vorgehen zuverlässig.

Dennoch verschwinden Bakterien nicht vollständig. Viele Mikroorganismen haften an Oberflächen in Rohren und Aufbereitungsanlagen. Mit der Zeit bilden diese Zellen organisierte Gemeinschaften, die Biofilme genannt werden.

Biofilme wirken wie Schutzschilde. Sie bewahren Bakterien vor Belastungen aus der Umgebung und verringern die Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln. Sind Biofilme erst ausgereift, lassen sie sich nur schwer und mit hohem Ressourceneinsatz entfernen.

Nanoplastik und Biofilme

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass Nanoplastik Biofilme noch widerstandsfähiger machen kann. Wenn Nanoplastik mit Bakterien interagiert, verstärkt es die Gesamtstruktur dieser mikrobiellen Gemeinschaften.

„Wenn Nanoplastik mit dem Biofilm und den darin enthaltenen Bakterien interagiert, kann es den Biofilm stärken und ihn widerstandsfähiger gegen sämtliche Massnahmen machen, die das Wasser sauber halten sollen“, sagte Liao.

Diese Veränderungen entwickeln sich schrittweise. Die zunehmende Kunststoffverschmutzung erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass Wassersysteme im Laufe der Zeit vor grösseren Herausforderungen stehen.

Warum die Grösse entscheidend ist

Nanoplastik gehört zur selben Gruppe wie Mikroplastik, ist aber deutlich kleiner und nicht mit blossem Auge sichtbar. Die Grösse ist hier entscheidend: Aufgrund ihrer winzigen Dimensionen können die Partikel unmittelbar mit mikrobiellen Zellen in Kontakt kommen, wo sich chemische Signale und biologische Reaktionen verstärken.

Forschende untersuchen nun, wie diese enge Interaktion die Bildung von Biofilmen in Trinkwassersystemen beeinflusst.

Grössere Kunststofffragmente bleiben meist ausserhalb mikrobieller Strukturen. Nanoplastik verhält sich anders: Es kann in Biofilme eingebettet werden und wird damit Teil der mikrobiellen Umgebung, statt lediglich als äusserer Stressfaktor zu wirken.

Ist es einmal eingebettet, verändert es die Kommunikation zwischen den Zellen. Zudem beeinflusst es das Wachstum der Gemeinschaft. Dies erklärt, weshalb Nanoplastik stärkere Auswirkungen haben kann als grössere Kunststoffreste, obwohl es schwerer nachzuweisen ist.

Biofilme fangen und schützen Mikroorganismen

Biofilme entstehen, wenn Bakterien an Oberflächen haften und eine schützende Schicht um sich herum aufbauen. Rohre, Tanks und Filtrationsoberflächen bieten dafür ideale Bedingungen.

Innerhalb von Biofilmen sind Bakterien gegen Desinfektionsmittel und physikalische Belastungen geschützt. In natürlichen Umgebungen können Biofilme nützlich sein, in Trinkwassersystemen bergen sie jedoch eindeutige Risiken.

Krankheitserregende Bakterien können sich in Biofilmen verbergen und über lange Zeiträume innerhalb der Infrastruktur bestehen bleiben.

Liao wies darauf hin, dass Bakteriophagen genannte Viren eine weitere Ebene der Komplexität hinzufügen. Diese Viren infizieren Bakterien und beeinflussen deren Überleben und Vermehrung.

„Der zentrale Prozess, der uns besonders interessierte, war die Frage, wie Bakterien und Bakteriophagen miteinander interagieren, wenn Nanoplastik den Biofilm als Ganzes beeinflusst“, sagte Liao.

Bakterien verändern sich unter Druck

Um diese Wechselwirkungen zu untersuchen, analysierten Forschende Biofilme aus E. coli und Pseudomonas aeruginosa. Die Belastung durch Nanoplastik löste mehrere miteinander verknüpfte Reaktionen aus.

Die chemische Signalübertragung nahm zu, sodass Bakterien mehr Material freisetzten, welches den Biofilm verdickte. Ruhende Viren in Bakterienzellen wurden aktiv, zerstörten einige Zellen und breiteten sich in der Gemeinschaft aus.

Überlebende Bakterien aktivierten CRISPR-basierte Abwehrsysteme, um virales Erbmaterial anzugreifen. Zusammengenommen führten diese Reaktionen zu dichteren, schwereren Biofilmen, die sich Störungen stärker widersetzten.

Für Wasseraufbereitungssysteme entstehen dadurch konkrete Probleme. Desinfektionsmittel verlieren an Wirksamkeit, und routinemässige Reinigungen werden schwieriger.

Weiterer Forschungsbedarf zu Nanoplastik

„Die erhöhte mechanische Festigkeit des Biofilms und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Desinfektionsmitteln verdeutlichen eine potenzielle Herausforderung für Wasseraufbereitungs- und Verteilungssysteme“, stellten die Autorinnen und Autoren fest.

Liao betont, dass weitere Forschung erforderlich ist, um die molekularen Prozesse hinter diesen Veränderungen zu verstehen. Dieses Wissen wird unverzichtbar sein, um künftige Trinkwassersysteme darauf vorzubereiten.