Reifenabrieb als Schadstoffquelle

Obwohl grosse Mengen an Reifenabrieb in die Umwelt gelangen, wissen wir noch wenig über die Toxizität der kleinen Partikel. Diese enthalten nicht nur Gummi, sondern auch zahlreiche Metalle und organische Stoffe. Forschende vom Oekotoxzentrun, der EPFL und der Eawag untersuchen momentan, ob diese Stoffe bioverfügbar sind und welche toxischen Effekte sie haben können.

Oft ärgern wir uns über abgefahrene Reifen am Auto, doch dieser lästige Verschleiss hat auch Folgen für die Umwelt: Die abgefahrene Reifenschicht gelangt nämlich in Böden und Gewässer. Jedes Jahr werden so allein in der Schweiz mindestens 10'000 Tonnen Gummipartikel aus Reifen freigesetzt, das ist wesentlich mehr als das eingetragene Mikroplastik. Der Reifenabrieb besteht aus einer komplexen Mischung aus Gummi, Füllmitteln, Vulkanisiermitteln und anderen Zusatzstoffen. Durch die Reibung an der Strasse enthalten die Partikel ausserdem Asphalt und Verunreinigungen, die von der Fahrbahnoberfläche stammen – darunter zahlreiche Metalle, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) und andere organische Substanzen.

Allgegenwärtig in Boden, Sediment, Wasser und Luft

«Wir müssen unbedingt mehr über Reifenabrieb wissen, weil es so viel davon gibt und er in Luft, Boden, Wasser und Sediment vorkommt», fordert Benoit Ferrari vom Oekotoxzentrum. Bei Strassen mit einem Anschluss an die Mischwasserkanalisation oder an Strassenabwasser-behandlungsanlagen wird der Reifenabrieb grösstenteils zurückgehalten. Bei den übrigen Strassen gelangt er mit dem Abwasser je nach Situation in Gewässer oder wird in der Strassenböschung abgelagert. Sehr kleine Partikel können auch mit dem Wind über grössere Distanzen verweht werden.

Obwohl die Partikel in allen Umweltkompartimenten gefunden werden, ist noch wenig über ihre Toxizität bekannt. Diese hängt direkt von der Bioverfügbarkeit der partikelgebundenen Schadstoffe ab. Daher arbeitet das Oekotoxzentrum in einem neuen Projekt daran, diese Bioverfügbarkeit und die Toxizität von Reifenabrieb besser zu verstehen. «Besonders interessiert uns, was mit den Partikeln nach dem Verschlucken durch Organismen passiert: nämlich ihre Aufnahme in den Darm, die Desorption der Stoffe während der Verdauung, die Aufnahme im Verdauungstrakt und die Bioakkumulation in biologischen Geweben», sagt Benoit Ferrari, der das Projekt leitet. Projektpartner sind die Abteilung Umwelttoxikologie der Eawag und das Central Environmental Laboratory der EPFL; finanziert wird das Projekt vom World Business Council for Sustainable Development.

Zink und andere Metalle

Als erster Schritt wurden zum einen pure Reifenpartikel aus der oberster Lauffläche verschiedener Reifen hergestellt, zum anderen Reifenabrieb mit Hilfe eines Strassensimulators. Um mehr über die Metallbelastung der Partikel zu erfahren, untersuchten die Forschenden diese mit Hilfe von induktiv gekoppelter Plasma-Emissionsspektroskopie oder Massenspektrometrie. Es zeigte sich, dass die puren Reifenpartikel grosse Mengen an Zink und geringere Mengen an Eisen enthielten. «Zinkoxid wird in der Reifenherstellung meist als Katalysator für die Vulkanisierung mit Schwefel eingesetzt», erläutert Thibault Masset von der EPFL. «So können bis zu 2.5% der Reifenmasse aus Zink bestehen.» Die Reifenabriebpartikel dagegen enthielten weniger Zink, dafür mehr Eisen, und kleinere Mengen an Titan, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel, Kupfer, Barium und Blei, die wahrscheinlich aus dem Strassenmaterial stammten. Im Reifenabrieb ist weniger Zink enthalten als im puren Reifenmaterial, da dieses durch das Strassenmaterial verdünnt wird, das nur wenig Zink erhält.

Metalle werden im Magendarmtrakt bioverfügbar

Solange die Metalle partikelgebunden bleiben, sind sie nicht toxisch. Doch was passiert bei ihrer Aufnahme durch Organismen? Werden die Metalle im Magendarmtrakt abgelöst und so bioverfügbar gemacht? Um diese Frage zu beantworten, untersuchten die Forschenden, ob sich die Metalle in simulierter Magen- und Darmflüssigkeit von Fischen lösen. Die Flüssigkeit bestand aus einem Puffer, der die Zusammensetzung im Fischdarm imitiert und mit Pepsin (Magen) oder Schweinegallenextrakt und Pankreatin (Darm) versetzt wurde. Wurden die Reifenpartikel und der Reifenabrieb mit dieser Verdauungsflüssigkeit inkubiert, führte dies zu hohen Zinkkonzentrationen in der Flüssigkeit. Auch Eisen, Blei, Mangan und Kobalt aus den Reifenabrieb wurden gelöst, jedoch in geringeren Mengen. Obwohl Zink ein essentielles Metall ist kann ein Überschuss für Fische schädlich sein.

Insgesamt lösten sich alle Metalle in den Verdauungsflüssigkeiten wesentlich besser als in Wasser. In der Magenflüssigkeit war dafür der niedrige pH-Wert der Flüssigkeit verantwortlich, der die Solubilisierung der Metalle erleichtert. In der Darmflüssigkeit waren dies vermutlich die Proteine, Phospholipide und Gallensäuren, die sich teilweise zu Mizellen zusammenlagern und so die Löslichkeit von Zink erleichtern oder diese komplexieren.

Komplexierung bei Nahrungsaufnahme

«Im nächsten Schritt wollten wir wissen, ob es einen Einfluss auf die Bioverfügbarkeit von Zink hat, wenn Organismen gleichzeitig mit dem Reifenmaterial organische Nahrung aufnehmen», erläutert Thibault Masset. Dazu gaben die Forschenden bei den Verdauungsexperimenten entweder Bachflohkrebse (Gammarus pulex) oder Wasserlinsen (Lemna minor) in pulverisierter Form dazu, die als Modell für tierische und pflanzliche Nahrungsmittel dienten. Wenn Wasserlinsen gleichzeitig aufgenommen wurden, stieg die Zinkkonzentration in der Magen- und Darmflüssigkeit an, da zusätzliches Zink aus den Wasserlinsen gelöst wurde. Im Gegensatz dazu führte die gemeinsame Verdauung mit Bachflohkrebsen dazu, dass weniger Zink gelöst wurde. Dies könnte daran liegen, dass das freie Zink teilweise von der organischen Substanz aus den Bachflohkrebsen readsorbiert oder komplexiert wurde, nicht aber vom pflanzlichem organischem Material. Bachflohkrebse enthalten mehr Proteine (40 %) als Wasserlinsen (25 %), die Zink komplexieren können. Ausserdem besteht das Exoskelett der Bachflohkrebse aus Chitin, einem Material, das Metallionen binden kann. «Wir denken, dass die organische Nahrung mit Zink Komplexe bilden kann», sagt Thibault Masset. «Das führt zu einer geringeren biologischen Verfügbarkeit, wenn Zink von Reifenpartikeln freigesetzt wird.»

Bedenkliche organische Stoffe

Bei der Herstellung der Reifen werden auch verschiedene organische Verbindungen als Zusatzstoffe hinzugefügt. Einige davon stehen im Verdacht, toxische Wirkungen auf Wasserorganismen zu haben. So zeigen neue Daten aus den USA, dass Inhaltsstoffe aus Reifen für akute Fälle von Fischsterben bei Silberlachsen verantwortlich waren. Verantwortlich dafür war 6-PPD-Chinon, ein Oxidationsprodukt des weit verbreiteten Antiozonmittels N-(1,3-Dimethylbutyl)-N'-phenyl-1,4-benzoldiamin (6-PPD), das für gewisse Lachsarten hochgiftig ist. Die Forschenden wiesen in den untersuchten Reifenpartikeln tatsächlich 6PPDQ nach, ausserdem verschiedene PAH wie Pyren und Fluranthen und verschiedene Benzothiazole. Auch diese Stoffe wurden durch die simulierte Verdauungsflüssigkeit vermehrt solubilisiert.

Biotestbatterie zur Bestimmung der Toxizität

Als nächstes steht die Bestimmung der Toxizität der Partikel auf dem Projektplan. Zum einen soll untersucht werden, ob im verdauten Reifenabrieb Schadstoffe nachgewiesen werden, die eine östrogene oder gentoxische Wirkung haben. Diese werden mit einer Kombination aus Hochleistungs-Dünnschichtchromatographie (HPTLC), Biotests und Massenspektroskopie detektiert. Mit dieser Methode können die Forschenden nicht nur die Toxizität von unbekannten Proben messen, sondern auch die verantwortlichen Stoffe herausfiltern und charakterisieren.

In einem weiteren Projektteil wird die Toxizität des verdauten Reifenabriebs in Fischzelllinien von Darmzellen der Regenbogenforelle untersucht – einem Testsystem, das von Kristin Schirmer an der Eawag entwickelt wurde und das die Barriere des Fischdarms gut simuliert. Mehrere Studien haben belegt, dass die akute Toxizität von Chemikalien auf Fische mit Zelllinien sehr verlässlich prognostiziert werden kann. Eine weitere Fischzelllinie mit Kiemenzellen wird verwendet, um die direkte Toxizität der Partikel auf Fische zu zeigen.

Ausserdem werden die potenziellen Auswirkungen von Reifenabrieb auf Boden und Sediment mit Hilfe verschiedener sediment- und bodenlebenden Würmer untersucht. Auswirkungen auf das Wachstum und das Überleben der Würmer gegeben Auskunft über mögliche toxische Wirkungen. «Mit diesen verschiedenen Beweissträngen sollten wir bald mehr über die Toxizität von Reifenabrieb wissen», ist sich Benoit Ferrari sicher.

Publikation

Masset, T., Ferrari, B. J. D., Oldham, D., Dudefoi, W., Minghetti, M., Schirmer, K., … Breider, F. (2021). In vitro digestion of tire particles in a fish model (Oncorhynchus mykiss): solubilization kinetics of heavy metals and effects of food coingestion. Environmental Science and Technology. doi.org/10.1021/acs.est.1c04385 , Institutional Repository