In den letzten Jahrzehnten haben die weltweit rasant steigende Produktion von Kunststoffen und die unsachgemäße Entsorgung und das fehlende Recycling von Kunststoffabfällen zu einer Umweltverschmutzung geführt, die sich auf marine und terrestrische Ökosysteme ausgewirkt hat ^1,2,3. Kunststoffmaterialien sind für die moderne Landwirtschaft unerlässlich, insbesondere für den Anbau von Gemüse, Kleinobst und anderen Sonderkulturen. Ihre Verwendung als Mulchfolien, hohe und niedrige Tunnelabdeckungen, Tropfband und andere Anwendungen zielen darauf ab, den Ernteertrag und die Qualität zu verbessern, die Produktionskosten zu senken und nachhaltige Anbaumethoden zu fördern ^4,5. Der zunehmende Einsatz von “Plastikultur” hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Bildung, Verteilung und Aufbewahrung von Kunststoffteilen in landwirtschaftlichen Umgebungen aufgeworfen. Nach einem kontinuierlichen Fragmentierungsprozess durch Versprödung durch Umweltzerstörung während der Lebensdauer bilden größere Kunststofffragmente Mikro- und Nanoplastik (MNPs), die im Boden persistieren oder über Wasserabfluss und Wind in benachbarte Gewässer wandern 6,7,8. Umweltfaktoren wie ultraviolette (UV) Strahlung durch Sonnenlicht, mechanische Kräfte von Wasser und biologische Faktoren lösen die plastische Versprödung von umweltverteilten Kunststoffen aus, was zum Zerfall größerer Kunststofffragmente in makro- oder mesoplastische Partikel führt ^9,10. Durch die weitere Defragmentierung entstehen Mikroplastik (MPs) und Nanoplastik (NP), die Partikel mittlerer Größe (Nenndurchmesser; d_p) von 1-5000 μm bzw. 1-1000 nm bzw.¹¹. Die obere d_p-Grenze für NPs (dh eine untere Grenze für MPs) ist jedoch nicht allgemein vereinbart und in mehreren Papieren wird dies als 100 nm¹² aufgeführt.

MNPs aus Kunststoffabfällen stellen eine zunehmende globale Bedrohung für die Bodengesundheit und die Ökosystemdienstleistungen dar. Die Adsorption von Schwermetallen aus Süßwasser durch MPs führte zu einer 800-fach höheren Konzentration von Schwermetallen im Vergleich zur Umgebung¹³. Darüber hinaus stellen MPs in aquatischen Ökosystemen mehrere Stressoren und Schadstoffe dar, indem sie die Lichtdurchdringung verändern, Sauerstoffmangel verursachen und eine Adhäsion an verschiedenen Biota verursachen, einschließlich Penetration und Akkumulation in aquatischen Organismen¹⁴.

Neuere Studien deuten darauf hin, dass MNPs die Bodengeochemie und Biota beeinflussen können, einschließlich mikrobieller Gemeinschaften und Pflanzen^15,16,17. Darüber hinaus bedrohen NPs das Nahrungsnetz^17,18,19,20. Da MNPs im Boden leicht vertikal und horizontal transportiert werden, können sie absorbierte Schadstoffe wie Pestizide, Weichmacher und Mikroorganismen durch den Boden in das Grundwasser oder aquatische Ökosysteme wie Flüsse und Bäche^{transportieren 21,22,23,24}. Herkömmliche Agrarkunststoffe wie Mulchfolien werden aus Polyethylen hergestellt, das nach Gebrauch vom Feld entfernt und auf Deponien entsorgt werden muss. Eine unvollständige Entfernung führt jedoch zu einer erheblichen Ansammlung von Kunststoffabfällen in Böden 9,25,26. Alternativ sind bodenbiologisch abbaubare Kunststoffmulche (BDMs) so konzipiert, dass sie nach Gebrauch in den Boden gepflügt werden, wo sie im Laufe der Zeit abgebaut werden. BDMs verbleiben jedoch vorübergehend im Boden und zerfallen allmählich und fragmentieren sich in MPs und NPs ^9,27.

Viele aktuelle umweltökotoxikologische und Schicksalsstudien verwenden idealisierte und nicht repräsentative MP- und NP-Modellmaterialien. Die am häufigsten verwendeten Ersatz-MNPs sind monodisperse Polystyrol-Mikro- oder Nanokugeln, die nicht die tatsächlichen MNPs widerspiegeln, die sich in der Umwelt befinden ^12,28. Folglich kann die Auswahl von nicht repräsentativen Abgeordneten und NPs zu ungenauen Messungen und Ergebnissen führen. Aufgrund des Mangels geeigneter Modell-ΜNPs für terrestrische Umweltstudien waren die Autoren motiviert, solche Modelle aus landwirtschaftlichen Kunststoffen herzustellen. Wir berichteten bereits über die Bildung von MNPs aus BDMs und Polyethylenpellets durch mechanisches Mahlen und Mahlen von Kunststoffpellets und Folienmaterialien sowie über die dimensionalen und molekularen Eigenschaften von^{MNPs 29}. Das vorliegende Papier bietet ein detaillierteres Protokoll für die Herstellung von MNPs, das breiter auf alle landwirtschaftlichen Kunststoffe wie Mulchfolien oder deren pelletierte Rohstoffe angewendet werden kann (Abbildung 1). Hier haben wir beispielhaft eine Mulchfolie und kugelförmige Pellets des biologisch abbaubaren Polymers Polybutylenterephthalat (PBAT) gewählt, um landwirtschaftliche Kunststoffe darzustellen.