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Außerhalb des sicheren Operationsbereichs der planetarischen Grenze für neuartige Entitäten

Publiziert: 18. Januar, 2022
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Kurzfassung

Wir sind der Ansicht, dass der sichere Betriebsbereich der planetarischen Grenze neuartiger Entitäten überschritten ist, da die jährliche Produktion und Freisetzung in einem Tempo zunimmt, das die globalen Kapazitäten für die Bewertung und Überwachung übersteigt. Die Grenze neuartiger Entitäten im Rahmen der planetarischen Grenzen bezieht sich auf Entitäten, die in einem geologischen Sinne neuartig sind und die großräumige Auswirkungen haben könnten, die die Integrität der Erdsystemprozesse bedrohen. Wir überprüfen die wissenschaftliche Literatur, die für die Quantifizierung der Grenze für neuartige Entitäten relevant ist, und heben die Plastikverschmutzung als einen besonders besorgniserregenden Aspekt hervor. Es wird ein Wirkungspfad von der Produktion neuartiger Entitäten zu den Auswirkungen auf Erdsystemprozesse vorgestellt. Wir definieren und verwenden drei Kriterien zur Bewertung der Eignung von Kontrollvariablen für die Grenze: Durchführbarkeit, Relevanz und Vollständigkeit. Wir schlagen mehrere komplementäre Kontrollvariablen vor, um die Komplexität dieser Grenze zu erfassen, wobei wir gleichzeitig erhebliche Datenbeschränkungen anerkennen. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Menschheit derzeit außerhalb der planetarischen Grenze operiert, basierend auf der Beweislast für mehrere dieser Kontrollvariablen. Die zunehmende Produktion und Freisetzung größerer Mengen und einer größeren Anzahl neuartiger Stoffe mit unterschiedlichem Risikopotenzial übersteigt die Möglichkeiten der Gesellschaft, sicherheitsrelevante Bewertungen und Überwachungen durchzuführen. Wir empfehlen, dringend Maßnahmen zu ergreifen, um den mit der Überschreitung der Grenzwerte verbundenen Schaden zu verringern, indem die Produktion und Freisetzung neuartiger Stoffe reduziert wird, und weisen darauf hin, dass selbst dann die Persistenz vieler neuartiger Stoffe und/oder die mit ihnen verbundenen Wirkungen weiterhin eine Gefahr darstellen werden.

Zusammenfassung

Die zunehmende Produktion und Emission neuartiger Entitäten übersteigt die Kapazitäten für die Bewertung und Überwachung, was zur Überschreitung ihrer planetarischen Grenzen führt.

Einleitung

Chemische Verschmutzung hat das Potenzial, auf verschiedenen Ebenen schwerwiegende Probleme für das Ökosystem und die menschliche Gesundheit zu verursachen (1), aber auch lebenswichtige Erdsystemprozesse zu verändern, von denen das menschliche Leben abhängt. Als Reaktion auf diese Erkenntnis wurde die “chemische Verschmutzung” als eine von neun planetarischen Grenzen aufgenommen (2). Steffen et al. (3) benannten die “chemische Verschmutzung” in “neuartige Entitäten” (NE) um, definiert als “neue Substanzen, neue Formen bestehender Substanzen und veränderte Lebensformen”, einschließlich “Chemikalien und andere neue Arten von technisch hergestellten Materialien oder Organismen, die dem Erdsystem bisher nicht bekannt waren, sowie natürlich vorkommende Elemente (z. B. Schwermetalle), die durch anthropogene Aktivitäten mobilisiert wurden”. Steffen et al. (3) argumentieren, dass die anthropogene Einführung neuartiger Elemente in die Umwelt auf globaler Ebene besorgniserregend ist, wenn diese Elemente Persistenz, Mobilität über Skalen hinweg und folglich eine weite Verbreitung und Akkumulation in Organismen und der Umwelt sowie potenzielle negative Auswirkungen auf lebenswichtige Prozesse oder Subsysteme des Erdsystems aufweisen.

Bisher wurde keine quantitative Grenze für neuartige Stoffe definiert, obwohl einige spezifische Chemikalien unter anderen planetarischen Grenzen quantifiziert werden, wie z. B. Treibhausgase und FCKW. Es wurden Bedingungen festgelegt, unter denen Chemikalien eine planetarische Bedrohung darstellen können (4,5), und es wurde untersucht, wie kaskadierende systemische Effekte zu einem planetarischen Problem werden können, z. B. für Kunststoffe (6) (Gemische aus nichtpolymeren und polymeren Chemikalien). Die hohen Kosten, die der Gesellschaft durch die derzeitige Nutzung und die Freisetzung neuartiger Stoffe in die Umwelt entstehen (1,7-11), sind ein zusätzliches starkes Argument für ein rasches Handeln in Bezug auf diese komplexe planetarische Grenze. Eine Untersuchung und Bewertung dieser Grenze kann die Aufmerksamkeit auf globale Risiken für Menschen und Biota lenken und Maßnahmen zu deren Minderung vorantreiben. Als Teil des Rahmens der planetarischen Grenzen kann eine quantifizierte Grenze auch eine wissenschaftliche Untermauerung (z. B. Ziele und Indikatoren für die Entwicklung von Maßnahmen und die Bewertung der Wirksamkeit) in politischen Prozessen wie dem strategischen Ansatz der Vereinten Nationen für das internationale Chemikalienmanagement und seinem Nachfolger bieten. (12)

Dieses Papier gibt einen Überblick über die Entwicklung der wissenschaftlichen Diskussion über die planetarische Grenze für neuartige Stoffe (NE-PB) seit 2009 und erörtert Optionen für deren Quantifizierung. Wir konzentrieren uns auf die chemische Verschmutzung, wobei wir die Verschmutzung durch Kunststoffe als besonders besorgniserregende Untergruppe hervorheben, und geben eine Einschätzung des aktuellen Stands dieser planetarischen Grenze. Chemikalien insgesamt, einschließlich Kunststoffen, erfüllen die Merkmale einer neuartigen Entität. (13,14) Obwohl sich beide in vielerlei Hinsicht ähneln, bieten die Unterschiede zwischen Kunststoffen und anderen Chemikalien die Möglichkeit, eine breite Palette von Auswirkungen bei der Definition neuer Kontrollvariablen für diese planetarische Grenze zu untersuchen. Wir kommen zu dem Schluss, dass die zunehmenden Trends bei der Produktion und Emission verschiedener neuartiger Stoffe, die unsere Bemühungen um eine Sicherheitsbewertung und -überwachung übersteigen, eine Überschreitung der planetarischen Grenze darstellen und dass sofortige Maßnahmen erforderlich sind, um uns wieder in den sicheren Betriebsbereich zu bringen.

Für die Analyse folgen wir der von Steffen et al. (3) vorgeschlagenen Definition von NEs. Neu bedeutet neu im geologischen Sinne, d. h. vom Menschen geschaffen, eingeführt oder wieder in Umlauf gebracht. Es handelt sich dabei um absichtlich oder unabsichtlich hergestellte Chemikalien, technische Materialien und deren Umwandlungsprodukte, die das Potenzial haben, Auswirkungen auf lebenswichtige Erdsystemprozesse zu verursachen (15), sowie um natürlich vorkommende Elemente und Materialien, die durch anthropogene Aktivitäten auf neue Weise, in neuen Formen oder mit wesentlich höheren Raten mobilisiert werden. Unter Erdsystemprozessen verstehen wir die biophysikalischen Prozesse, die zusammen die Selbstregulierungsfähigkeit des Planeten bestimmen (2), d. h. die interagierenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse an Land, in den Ozeanen und in der Atmosphäre. Diese Makroperspektive stellt sicher, dass der NE-PB konzeptionell mit den anderen planetarischen Grenzen übereinstimmt und stellt eine notwendige Ergänzung zu den bestehenden subglobalen gesellschaftlichen Bedenken dar, die die ökologische und menschliche Gesundheit als die direkten Endpunkte der chemischen Verschmutzung betrachten.

Die planetarische Grenze für neuartige Entitäten

Mehrere Studien haben sich mit dem Thema einer planetarischen Grenze für chemische Verschmutzung und neuartige Stoffe befasst. Ein Diskussionsstrang konzentrierte sich auf die Frage, welche Arten von chemischen Stoffen im Hinblick auf ihr systemisches Verhalten berücksichtigt werden sollten. Sala und Saouter (16) schlugen vor, dass synthetische Chemikalien, die nur langsam abgebaut werden und sich in der Umwelt anreichern, vorrangig behandelt werden sollten. Diamond et al. (4) argumentierten, dass die chemische Verschmutzung insgesamt eine Bedrohung für die Integrität des globalen Ökosystems darstellt, und warnten davor, Maßnahmen zur Verringerung des Verschmutzungsdrucks aufzuschieben, während man versucht, die wissenschaftliche Sicherheit zu erhöhen. Als ersten Schritt empfahlen sie, bekannte Chemikalien wie persistente organische Schadstoffe (POPs) und persistente, bioakkumulierbare und toxische Chemikalien (PBT) zu berücksichtigen. Bernhardt et al. zeigten, dass die hohe Veränderungsrate bei der Produktion und der Vielfalt synthetischer Chemikalien in den letzten vier Jahrzehnten viele andere Faktoren des Wandels übertrifft. (17) Perlinger et al. (18) schlugen vor, dass “die Messung und Modellierung des Verbleibs und des Transports schädlicher Verbindungen, die sich durch wiederholte Zyklen des Austauschs zwischen Atmosphäre und Oberfläche global ausbreiten, in die Bemühungen um die Ermittlung sicherer Grenzen und die Integration dieser Grenzen in die Systeme der Regierungsführung einbezogen werden sollten”.

Unter den neuen Entitäten wurde die Verschmutzung durch Kunststoffe zu einem potenziellen NE-PB-Problem von großer Bedeutung erhoben. (6,14,19) Nach mehreren Jahrzehnten der Massenproduktion sind Kunststoffe heute auf der ganzen Welt allgegenwärtig. (20,21) Der gesamte Produktionszyklus von Kunststoffen hat Auswirkungen auf das Klima (22-24), und Kunststoffe können die biologische Vielfalt auch durch physische Einwirkungen beeinträchtigen, z. B. durch Verfangen oder Verschlucken (25), was zu anderen großen Belastungen der biologischen Vielfalt hinzukommt. (26) Das Verständnis dessen, was aus planetarischer Sicht schädlich oder gefährlich ist, hat sich somit erweitert und umfasst nun auch Wirkungen, die über die Toxizität hinausgehen und den derzeitigen Schwerpunkt des Chemikalienmanagements bilden.

Ein weiterer Diskussionsstrang konzentriert sich auf die nachgelagerten Auswirkungen. So zielt beispielsweise die Bewertung des chemischen Fußabdrucks darauf ab, die Tragfähigkeit der aufnehmenden Ökosysteme zu bewerten, um den NE-PB in Bezug auf den gesamten chemischen Eintrag zu definieren, der ohne inakzeptable negative Auswirkungen aufgenommen werden kann. (16,27-29) Auch ohne Quantifizierung der Grenzen wurde das Konzept der planetarischen Grenzbedrohungen verwendet, um chemische Profile für das Screening von Chemikalien auf unerwünschte Umweltexpositionsprofile zu definieren. (30)

Eine besondere Herausforderung für die Quantifizierung von NE-PB ist das Potenzial bekannter und unbekannter neuartiger Stoffe, bisher unbekannte Wirkungen zu verursachen. (5,13) Die Umweltüberwachung ist auf bekannte neuartige Stoffe ausgerichtet, was dazu führt, dass die Suche nach “unbekannten Unbekannten” begrenzt ist. (31)

Ein Wirkungspfad und Kriterien für eine Kontrollvariable

Die wissenschaftliche Begründung für das Konzept der planetarischen Grenzen besteht darin, dass die Stabilität des Klimas und die Widerstandsfähigkeit der Ökosysteme der Erde, die in den 10 000 Jahren des Holozäns zu beobachten waren, das Ergebnis dynamischer biophysikalischer Wechselwirkungen sind, die nun durch menschliche Aktivitäten radikal verändert werden können. Je weiter sich die Erde durch menschliche Aktivitäten von den Bedingungen des Holozäns entfernt, desto höher ist das Risiko eines großflächigen und irreversiblen Wandels, da Schwellenwerte in den Prozessen des Erdsystems intrinsische Merkmale des Erdsystems sind. (32,33) Im Rahmen der planetarischen Grenzen werden “Kontrollvariablen” wie die CO2-Konzentration, die Stickstofffixierungsrate und die Aragonitsättigung des Meerwassers identifiziert, die sowohl das Verhalten des Erdsystems (d. h. die Temperatur der Erde, die Nährstoffbegrenzung und die Kohlenstoffsenken im Ozean) als auch die Störung, die zum Überschreiten von Schwellenwerten führen kann, die mit einer oder mehreren Kontrollvariablen verbunden sind, verfolgen. Eine Kontrollvariable ist definiert als ein messbarer Parameter, der kausal mit einer bestimmten Grenze verbunden ist. Die Positionen der planetarischen Grenzen werden am unteren Ende der wissenschaftlichen Unsicherheitszone “sicherer” holozänähnlicher Bedingungen festgelegt. (2)

Für neuartige Entitäten, die ausschließlich vom Menschen eingeführt wurden (z. B. xenobiotische organische Chemikalien, Kunststoffe), gibt es definitionsgemäß keine “natürliche Variabilität”, anhand derer eine Kontrollvariable Veränderungen auf menschlichen Zeitskalen nachverfolgen könnte, und es gibt auch keinen biophysikalischen Präzedenzfall für die Ermittlung von Schwellenwerten. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass der NE-PB ein breites Spektrum möglicher Endpunkte aufweist (einschließlich der Beeinflussung anderer PB-Prozesse). Es können verschiedene Kategorien von NE-Auswirkungen unterschieden werden: (4) direkte biologische Auswirkungen, wie der Rückgang der Spitzenprädatoren nach dem weit verbreiteten Einsatz von DDT, mit nachfolgenden ökologischen Kaskadeneffekten; physikalische Pfade, wie die Verringerung der Albedo durch schwarze Kohlenstoffpartikel, die sich auf das Klima auswirken; und chemische Reaktionen, die nach der Freisetzung nicht kontrolliert werden können, wie der Abbau von Ozon durch FCKW in den polaren stratosphärischen Wolken.

Die Definition von Kontrollvariablen ist der Schlüssel zur Operationalisierung einer planetarischen Grenze und zur Bewertung der Position des Erdsystems in Bezug auf Schwellenwerte oder Kipppunkte. Die Kontrollvariablen für die NE-PB müssen auf einem wissenschaftlichen Verständnis der kausalen Mechanismen beruhen, die die NE-Einführung mit der Störung der Auswirkungen auf das Erdsystem verbinden, wie sie im Wirkungspfad in Abbildung 1 dargestellt sind. Komplexe und vielfältige Auswirkungsmechanismen bedeuten, dass keine einzelne Kontrollvariable den gesamten Bereich des sicheren Betriebsraums für NEs erfassen kann, und eine Quantifizierung in Form von Trends (Belastungen) anstelle von Systembedingungen kann für einen vorsorglichen Ansatz angemessener sein.

Abbildung 1. Ein verallgemeinerter Wirkungspfad für neuartige Stoffe, der die Produktionskapazität, die Freisetzung in die Umwelt, den Verbleib und die Verteilung mit der Störung von Erdsystemprozessen verbindet.

Der Ansatz der Wirkungspfade eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten, weshalb wir die folgenden Kriterien für die Auswahl der Kontrollvariablen festlegen:

Durchführbarkeit (F): Kann sie gemessen werden? Die Datenverfügbarkeit muss eine Quantifizierung auf relevanten räumlichen und zeitlichen Skalen und einen Vergleich mit anderen biophysikalischen Überwachungsdaten ermöglichen.

Relevanz (R): Kann ein robuster Zusammenhang mit den Auswirkungen hergestellt werden? Es muss möglich sein, die Kontrollvariable konsistent mit einem oder mehreren Effekten zu verknüpfen, von denen bekannt ist, dass sie die Funktionsweise des Erdsystems beeinflussen, d. h. es muss ein Ursache-Wirkungs-Zusammenhang hergestellt werden.

Umfassend (C): Erfasst sie die planetarische Dimension des Problems? Die Kontrollvariable muss die Gesamtheit der potenziellen Auswirkungen neuartiger Entitäten anzeigen, und zwar durch Ursache-Wirkungs-Schwellenwerte, die einen bestimmten Erdsystemprozess beeinflussen, oder durch Auswirkungen auf einen oder mehrere der anderen PBs.

Die Leichtigkeit der Quantifizierung (Machbarkeit) ist im Allgemeinen am Anfang des Wirkungspfades am höchsten (links in Abbildung 1). Für eine Kontrollvariable, die entsprechend der Exposition oder Störung definiert ist (rechts in Abbildung 1), gibt es robustes Wissen über die Auswirkungen (Relevanz) für eine begrenzte Anzahl neuartiger Entitäten, aber die Unsicherheit nimmt zu, da Annahmen und Parametrisierungen gemacht werden müssen, um jeden Schritt entlang des Pfades zu quantifizieren. Die Vollständigkeit ist zu einem früheren Zeitpunkt im Wirkungspfad höher, da die Anzahl der möglichen Schicksale und Wirkungen von links nach rechts zunimmt, während die Fähigkeit der aktuellen Politiken und Maßnahmen, die Auswirkungen zu kontrollieren, von links nach rechts entlang des Pfades abnimmt.

Kontrollvariablen für die planetarische Grenze neuartiger Entitäten

Im Folgenden bewerten wir die Optionen für Kontrollvariablen, die sich an unseren Kriterien orientieren, und gehen dabei von links nach rechts entlang des Wirkungspfads von NE-PB vor (Abbildung 1).

Produktion neuartiger Entitäten

Die Produktion neuartiger Stoffe nimmt rasch zu. Die chemische Industrie ist die zweitgrößte verarbeitende Industrie der Welt. (1) Die weltweite Produktion ist seit 1950 um das 50-fache gestiegen und wird sich den Prognosen zufolge bis 2050 im Vergleich zu 2010 nochmals verdreifachen. (34) Die Materialextraktion als Ausgangsmaterial für neuartige Stoffe betrug 2017 weltweit etwa 92 Milliarden Tonnen und wird bis 2060 voraussichtlich 190 Milliarden Tonnen erreichen. (1) Auf dem Weltmarkt gibt es schätzungsweise 350 000 Chemikalien (oder Mischungen von Chemikalien). (35) Fast 70 000 wurden in den letzten zehn Jahren registriert; viele Chemikalien (fast 30 000) wurden nur in Schwellenländern registriert, in denen die chemische Produktion schnell gestiegen ist, die Kapazitäten für das Chemikalienmanagement und die Entsorgung aber oft begrenzt sind. Bei der Produktion von beabsichtigten Chemikalien entstehen unbeabsichtigt Neben- und Umwandlungsprodukte sowie Verunreinigungen, die bei der Bewertung und dem Management von Chemikalien möglicherweise nicht berücksichtigt werden.


Hier betrachten wir die Kontrollvariablen Entwicklung des Produktionsvolumens von Chemikalien, Entwicklung des Produktionsvolumens von Kunststoffen und den Anteil der auf dem Markt befindlichen Chemikalien, die hinsichtlich ihrer Risiken oder Sicherheit bewertet wurden (Tabelle 1).

Die Entwicklung des Produktionsvolumens von Chemikalien ist ein Näherungswert für die Gesamtbelastung des Erdsystems durch Chemikalien. Diese Kennzahl könnte eine praktikable Kontrollvariable sein, da die Produktionsdaten den Herstellern bekannt sind und den Regulierungsbehörden häufig für eine große Anzahl von Chemikalien gemeldet werden. (1,36) Allerdings sind die vollständigen Daten oft nicht öffentlich zugänglich, was Hersteller, Handelsorganisationen und Regierungen dazu veranlasst hat, die Freigabe solcher Daten zu fordern. (36) Chemikalien könnten nach Produktionsanlagen, Rohstoffen oder Ausgangsverbindungen oder nach spezifischen Kategorien wie strukturellen Merkmalen oder Verwendungen eingeteilt werden, da es wahrscheinlich am einfachsten ist, hoch aggregierte Daten zu erhalten. Abbildung 2 zeigt die Entwicklung der weltweiten Produktionskapazität für eine Reihe von Gruppen neuartiger Stoffe, die alle in den letzten Jahrzehnten hohe Wachstumsraten aufwiesen. Diese wurden als repräsentative Chemikalien ausgewählt, für die entsprechende Daten zur Produktion/Produktionskapazität öffentlich verfügbar waren. Die Daten sind normalisiert, da bei der Berichterstattung unterschiedliche Maßeinheiten verwendet werden. Einzelne Diagramme für jede neuartige Substanz finden sich in den Unterstützenden Informationen (SI).

Abbildung 2

Abbildung 2. Derzeitige steigende globale Trends in der Produktion der chemischen Industrie, ausgedrückt als relatives Wachstum in einigen neuartigen Einheiten zwischen 2000 und 2017 (sofern vergleichbare Daten verfügbar sind): 1. globale Produktionskapazität für die chemische Industrie insgesamt, die Kunststoffproduktion und Pestizidwirkstoffe (für die die frühesten Daten aus dem Jahr 2008 stammen); 2. Pro-Kopf-Produktionskapazität in Gewicht für die wichtigsten Monomere und Lösungsmittel: Benzol, Butadien, Ethylen, Propylen, Toluol und Xylol; 3: globaler Verbrauch von Antibiotika. Daten aus dem Global Chemicals Outlook II, (1) Geyer et al. 2017, (37) und Søgaard Jørgensen et al. (38)

Der Trend der chemischen Gesamtproduktion erfasst die potenziellen Auswirkungen auf den Planeten auf einer hohen Aggregationsebene und ist somit umfassend. Ein zwingender Grund, die chemische Gesamtproduktion als Kontrollvariable zu betrachten, ist, dass sie das ärgerliche angebotsseitige Problem des “Lock-in”-Effekts aufdeckt, bei dem wirtschaftliche, technische, politische und bürokratische Trägheit die Produktion trotz der Notwendigkeit einer Reduzierung aufrechterhält. (39,40) Die Aufrechterhaltung der Produktion kann zu einer Verschiebung zwischen Chemikalien mit unterschiedlichen Funktionen führen. In den USA wurden beispielsweise in den 1960er Jahren 77 % des Broms zur Herstellung von verbleitem Benzin verwendet. Mit dem Ausstieg aus der Produktion von verbleitem Benzin wurde Brom zunehmend für die Herstellung von bromierten Flammschutzmitteln verwendet, die dann zur Hauptverwendung wurden. (41) In ähnlicher Weise hat sich die Produktion von Silber von einer rückläufigen Verwendung in der analogen Fotobildgebung zu einer verstärkten Verwendung als Biozid verlagert. Darüber hinaus werden die meisten Produktionskapazitäten für mehrere verwandte Chemikalien und nicht für eine einzelne Einheit genutzt. Der Lock-in-Effekt bedeutet, dass eine Einschränkung der Produktion und Verwendung einer Gruppe von Chemikalien zu einer Verlagerung der Produktion von eng verwandten Chemikalien führt (z. B. Verlagerung der Produktion von dielektrischen Flüssigkeiten von PCB auf Chlorparaffine, Verlagerung der Polycarbonatproduktion von Bisphenol A auf andere Bisphenole) und nicht zu einem Rückgang der gesamten Chemikalienproduktion. Da sich Chemikalien in ihrer Wirkungsstärke stark unterscheiden, kann eine Verlagerung der Produktion von einer Chemikalie auf eine andere die damit verbundenen Auswirkungen auf das Erdsystem erhöhen oder verringern oder zu anderen Arten von Auswirkungen führen (Lastenverschiebung).

Die Entwicklung der Gesamtproduktion von Chemikalien als Kontrollvariable mag auf den ersten Blick wenig aussagekräftig erscheinen, da die Zusammenhänge zwischen der Produktion von Chemikalien und den Wirkungsvariablen nicht offensichtlich sind und schwer zu beurteilen sein können: Es fehlen Kenntnisse über das Potenzial für schädliche Auswirkungen, die durch die große Zahl von Chemikalien verursacht werden, und es gibt nur wenige Daten über chemische Mischungen, wie sie in der Umwelt vorkommen und absichtlich oder unabsichtlich hergestellt werden. (42) Es kann argumentiert werden, dass das Produktionsvolumen in direktem Zusammenhang mit der unmittelbaren Freisetzung einiger Chemikalien steht (z. B. Pestizide, die absichtlich ausgebracht werden; Chemikalien in Körperpflegeprodukten, die in den Abfluss gelangen), aber die letztendliche Freisetzung ist schwieriger zu quantifizieren (z. B. FCKW, die als Treibmittel in Polystyrol-Isolierungen verwendet werden, werden bei der Renovierung von Gebäuden freigesetzt; Farbstoffe und andere Kunststoffadditive werden freigesetzt, wenn Kunststoffe altern). Ein weiterer Aspekt ist, dass die Produktion von Chemikalien für unvermeidliche globale Freisetzungen verantwortlich sein kann, da die Produktion in hochkomplexe und kaum bekannte globale Lieferketten eingebunden ist. Die vorsorgliche Annahme einer unvermeidlichen Freisetzung in die Umwelt erhöht jedoch die Bedeutung der Entwicklung der chemischen Produktion als Kontrollvariable.

Die Entwicklung des Produktionsvolumens von Kunststoffen könnte als Kontrollvariable verwendet werden. Die weltweite Verwendung von Kunststoffen hat seit den 1950er Jahren stetig zugenommen, wobei die globale Produktion zwischen 2000 und 2015 um 79 % gestiegen ist. (37) Die kumulierte Weltproduktion wird sich bis 2050 voraussichtlich verdreifachen und 33 Milliarden Tonnen erreichen. (44,45) Es wird prognostiziert, dass die Produktion von Kunststoffen und damit auch von Kunststoffabfällen stärker zunehmen wird als die Wirksamkeit der Strategien zur Bekämpfung der weltweiten Kunststoffverschmutzung. (47) Daten zur Kunststoffproduktion sind weltweit verfügbar und ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung des Produktionsvolumens (siehe Abbildung 2 für das jüngste Jahrzehnt des Anstiegs). Somit ist dies eine praktikable Kontrollvariable.

Die Kunststoffproduktion ist stark mit Lock-in-Effekten bei Rohstoffen, insbesondere fossilen Brennstoffen, verbunden. Vier Prozent der fossilen Brennstoffe werden für die Herstellung von Kunststoffen verwendet (48), und fast 99 % der Ausgangsstoffe für Kunststoffe stammen aus fossilen Brennstoffen. (49) Kunststoffe sind nur eine Komponente in einem komplexen industriellen Geflecht, das auch Rohstoffe aus fossilen Brennstoffen für die Herstellung von Industriedüngern, Lösungsmitteln und anderen Chemikalien verwendet. (36) Kunststoffe sind somit mit den beiden zentralen planetarischen Grenzen des Klimawandels und der Unversehrtheit der Biosphäre verknüpft, (3) was das Produktionsvolumen von Kunststoffen zu einem starken Indikator für vom Menschen verursachte Veränderungen und zu einer umfassenden Kontrollvariablen macht. Allerdings ist sie auf dem Wirkungspfad weit links angesiedelt und berücksichtigt nicht die Wechselwirkungen und Auswirkungen auf die Umwelt. Nachhaltige Konsummuster, Wiederverwendung oder Recycling und das Auffangen von unsachgemäß behandeltem Plastikmüll können dazu beitragen, die Menge des produzierten Plastiks von seinen potenziellen Auswirkungen auf den Planeten zu entkoppeln. (50) Die Produktionsmenge ist daher als Indikator für die Störung der Stabilität des Holozäns von geringer Bedeutung. Es ist jedoch sehr fraglich, ob diese Kontrollmaßnahmen auf globaler Ebene in einem Maße durchgeführt werden können, das der steigenden Produktion entspricht. (7,47)

Der Anteil der Chemikalien mit Sicherheitsdaten oder regulatorischen Bewertungen ist eine Option für die NE-PB-Kontrollvariable. In vielen Ländern gibt es Rechtsvorschriften und Systeme für die Gefahren- oder Risikobewertung neuartiger chemischer Stoffe, wenn auch die Bewertungsanforderungen und -möglichkeiten von Land zu Land sehr unterschiedlich sind. Chemikalien mit Sicherheitsdaten sind solche, für die Informationen über gefährliche Eigenschaften für Regulierungsbehörden, Benutzer oder die Öffentlichkeit verfügbar gemacht wurden. Chemikalien mit behördlichen Bewertungen beziehen sich auf solche, deren gefährliche Eigenschaften oder Risiken zusätzlich von den Aufsichtsbehörden bewertet wurden.

Die Relevanz dieser Kontrollvariablen für die NE-PB ist höher als die der Produktionsmengen, da die Auswirkungen besser bekannt und möglicherweise kontrolliert sind. Viele Bewertungskomponenten (d. h. Toxizität, Persistenz und Ferntransportpotenzial) haben einen direkten Einfluss auf die Auswirkungen auf das Erdsystem. (13,51) Die Relevanz wird jedoch durch die Tatsache eingeschränkt, dass keine Sicherheitsdatenanforderung oder kein regulatorisches Bewertungsschema alle möglichen Auswirkungen von Chemikalien auf Erdsystemprozesse berücksichtigen kann. (52) Ihre Relevanz als betriebliche Kontrollvariable hängt von der Qualität der verfügbaren Sicherheitsdaten oder rechtlichen Bewertungen ab. (53)

Die Durchführbarkeit dieser Kontrollvariablen ist begrenzt. Viele große Chemikalienhersteller und -anwender verfügen nicht über ein wirksames Chemikalienmanagement oder Rechtsvorschriften zur beruflichen Exposition und/oder Chemikalieninventare. (35,52,54) Darüber hinaus sind die Rahmenbedingungen für auf dem Markt befindliche Chemikalien von Land zu Land sehr unterschiedlich, was auch für den Umfang der behördlichen Bewertungen gilt, die von der Prüfung der Einhaltung der Vorschriften (z. B. ob alle erforderlichen Datenfelder ausgefüllt sind) über die Plausibilitätsprüfung der gemeldeten Sicherheitsdaten bis hin zu eingehenden Gefahren- und Risikobewertungen einer Chemikalie durch die Kombination von gemeldeten Sicherheitsdaten und Literaturdaten reichen.

Am Beispiel der EU-Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) ist zu sehen, dass im Dezember 2020 ∼23 000 chemische Stoffe registriert waren. (55) Darunter waren mehr als 12 000 Stoffe als Nicht-Zwischenprodukte (für Zwischenprodukte gelten geringere Anforderungen an die Sicherheitsdaten) mit einer Produktionsmenge von mehr als 1 Tonne pro Jahr registriert, von denen etwa 2400 Stoffe bewertet und behandelt wurden oder werden (403 mit laufendem Risikomanagement, 786, für die derzeit keine weiteren Maßnahmen vorgeschlagen werden, und 1181, für die ein Risikomanagement in Erwägung gezogen wird). Somit sind selbst in dieser kleinen Teilmenge des chemischen Universums rund 10 000 Stoffe (80 %) nach über 10 Jahren REACH noch nicht bewertet worden. Eine Kontrollvariable, die auf Sicherheitsdaten oder regulatorischen Bewertungen beruht, eignet sich nicht ohne weiteres für die Festlegung einer umfassenden quantitativen Grenze, da sie nicht zu einer Analyse der Gesamtauswirkungen unsicherer Chemikalien führt.

Ein zentraler Aspekt der Sicherheitsbewertung von Chemikalien und anderen NE ist der Umgang mit den unbekannten NE-PB-Bedrohungen. Die Risiken, die mit der Freisetzung neuer Stoffe aus der Technosphäre in verschiedene Umweltkompartimente verbunden sind, hängen mit möglichen Auswirkungen über die gesamte Bandbreite der planetarischen Grenzen zusammen. So könnten uns neuartige Entitäten beispielsweise mit Auswirkungen auf die Chemie der Ozeane überraschen, die die Bildung von Gischt beeinflussen (56,57), einer wichtigen Komponente des Klimasystems (58), oder mit Auswirkungen von antibiotikaresistenten Bakterien mit globaler Verbreitung. (59) Eine NE-PB-Ergänzung zu Risiko- und Gefahrenbewertungen könnte Chemikalien erfassen, die in den derzeitigen Bewertungsschemata nicht auftauchen würden. Der von MacLeod et al. (13) vorgeschlagene Screening-Ansatz für Bedrohungen an den planetarischen Grenzen wurde bereits an einer Reihe von derzeit nicht regulierten Chemikalien getestet, die in der arktischen Umwelt vorkommen (30), und es zeigte sich, dass einige Chemikalien, die Anlass zu Besorgnis geben, nicht in die gut etablierten Profile für persistente organische Schadstoffe (POPs) oder sehr persistente/sehr akkumulierbare Chemikalien passen, aber in den Profilen potenzieller Bedrohungen an den planetarischen Grenzen gut abschneiden.

Trend zur Freigabe neuartiger Entitäten

Weiter rechts im Wirkungspfad könnten die Trends der Emission oder Freisetzung von NEs in die Umwelt eine Kontrollvariable sein. Jedes Jahr werden Millionen von Tonnen von NEs in die Umwelt freigesetzt, einschließlich Luftemissionen, Wassereinleitungen und Freisetzungen von festen und gefährlichen Abfällen (1) entlang ganzer Lieferketten von Produkten und Dienstleistungen. NEs werden zunehmend an den entlegensten Orten der Erde gefunden, z. B. Organophosphatester im Arktischen Ozean (60) und Mikroplastikpartikel in der Tiefsee (61) und im Hochgebirge. (62) Diese Regelgröße kann auf verschiedene Gruppen von NEs ausgerichtet werden. Hier werden zwei Optionen erörtert, nämlich die Emissionen gefährlicher Chemikalien und die Freisetzung von Plastik in die Umwelt.

Die Entwicklung der Emissionsmengen gefährlicher Chemikalien ist für das Relevanzkriterium von großer Bedeutung, da sie das Ausmaß des Flusses von Chemikalien, die eine potenzielle Bedrohung für NE-PB darstellen, in die Umwelt erfasst. Trotz Verbesserungen bei den Emissionen und der Abfallbewirtschaftung in vielen Ländern werden die Emissionen von Chemikalien den Prognosen zufolge weiter zunehmen, was sich auf die Ökosysteme und die menschliche Gesundheit auswirkt; die Ziele für die Verringerung der Emissionen bis 2030 werden beispielsweise in der Europäischen Union bei den derzeitigen Trends und Entwicklungen voraussichtlich nicht erreicht. (63)

Die Durchführbarkeit dieser Steuerungsgröße hängt von der Definition des Begriffs “gefährlich” sowie von der Verfügbarkeit von Daten über die Emissionen gefährlicher Stoffe auf globaler Ebene über den gesamten Lebenszyklus der Chemikalie ab. Eine mögliche Datenquelle sind die nationalen und regionalen Register für die Freisetzung und Verbringung von Schadstoffen (PRTR). (64) In vielen Ländern gibt es jedoch keine derartigen Register, die Zahl der gemeldeten Chemikalien ist begrenzt, die Emissionsberichte sind oft unvollständig und unsicher (65), und es werden nicht alle Arten von Emissionen berücksichtigt (z. B. werden hauptsächlich große Punktquellenemissionen über bestimmte Mengen hinweg erfasst (66)). Die Erstellung einer emissionsbasierten Kontrollvariablen mit globaler Abdeckung für nur einen kleinen Teil der gesamten Chemikalien würde zahlreiche Annahmen erfordern und auf der Extrapolation von Daten beruhen. Die Extrapolation ist fragwürdig, wenn man von Ländern mit Freisetzungsinventaren zu Ländern ohne diese übergeht. (67) Wenn jedoch Daten verfügbar sind, ermöglicht dieser Ansatz eine Differenzierung bestimmter Chemikalien und chemischer Verwendungen mit hohem Freisetzungspotenzial.

Der Umfang dieser Kontrollvariable ist begrenzt, da die Gefahren in begrenztem Umfang in Bezug auf das Ökosystem und die menschliche Gesundheit definiert sind, nicht aber in Bezug auf potenzielle biophysikalische Schwellenwerte und Wechselwirkungen mit anderen PB. Die hohe Aggregation der gemeldeten Daten verringert auch die operative Nützlichkeit, da sich verschiedene Stoffe (z. B. Arsengas, verschiedene organische und anorganische Arsenverbindungen) innerhalb derselben gemeldeten Stoffgruppe (z. B. “Arsen und Verbindungen”) in ihrem Umweltverhalten stark unterscheiden. Auch die Kenntnisse über toxikologische Eigenschaften sind auf einen kleinen Teil der Chemikalien beschränkt. (42) Trotz ihrer Unzulänglichkeiten hat diese Kontrollvariable den Vorteil, dass sie eine realistische Exposition darstellt, wenn auch nur für eine begrenzte Anzahl von Chemikalien und nicht unbedingt über den gesamten Lebenszyklus einer Chemikalie.

Für den Trend bei der Freisetzung von Kunststoffen in die Umwelt haben Villarrubia-Gómez et al. (6) verschiedene Wege und Mechanismen identifiziert, durch die die Kunststoffverschmutzung biophysikalische Schwellenwerte beeinflussen und Erdsystemprozesse verändern kann, was darauf hindeutet, dass diese Kontrollvariable eine hohe potenzielle Relevanz hat. In zahlreichen Studien wurde versucht, die globale Freisetzung von Kunststoffen in die Umwelt zu quantifizieren. (7,46,47,68) Diese Daten geben Aufschluss über die Hotspots der Freisetzung, weisen aber auch auf Datenbeschränkungen hin, die die Durchführbarkeit dieser Kontrollvariablen einschränken. So fehlen beispielsweise in Ländern mit einer weniger entwickelten industriellen Basis die Ressourcen für die Überwachung von Kunststoffverlusten. Außerdem haben verschiedene Formen von Kunststoffen unterschiedliche Freisetzungswege. Ryberg et al. (46) schätzten, dass etwa 2,4 % der weltweit produzierten Kunststoffe in die Umwelt gelangen, wovon zwei Drittel Makroplastik (>5 mm) und ein Drittel Mikroplastik (∼1 nm bis 5 mm groß) sind. Der größte Teil des Makroplastiks geht durch Vermüllung und schlechte Abfallbewirtschaftung verloren. (46) Ein Teil des Mikroplastiks geht in seiner hergestellten Form, z. B. in Form von Nurdles, Flocken, Pulver und Mikroperlen, in die Umwelt verloren. (69-71) Dies macht quantitative Schätzungen unsicher und stellt eine Herausforderung für die Überwachung und Bewertung der Auswirkungen dar. Derzeit fehlt es an Methoden, um die einzelnen Schritte des Wirkungspfads von der Freisetzung von Kunststoffen bis zur Störung des Erdsystems miteinander zu verknüpfen (46,72), wodurch die Freisetzung von Kunststoffen als Kontrollvariable nur begrenzt erfasst werden kann.

Unerwünschte Auswirkungen neuartiger Entitäten auf die Prozesse des Erdsystems

Die Wahl einer Kontrollvariablen weiter rechts im Wirkungspfad würde bedeuten, dass die Exposition und die Auswirkungen im Hinblick auf die Störung von Erdsystemprozessen betrachtet werden, was ihre Relevanz erhöht. Die Durchführbarkeit würde es erforderlich machen, den Anwendungsbereich der Kontrollvariablen auf bestimmte datenreiche Chemikalien und bestimmte Endpunkte oder spezifische Teilsysteme der Erde zu beschränken, wodurch auch der Umfang verringert würde. Die planetarische Grenze für diese Kontrollvariable würde ein “sicheres” Niveau der chemischen Verschmutzung darstellen. Ziel ist es, die Integrität der Biosphäre für ein bestimmtes Umweltkompartiment (z. B. Süßwasserökosysteme) vor den Auswirkungen der in die Bewertung einbezogenen Chemikalien zu schützen.

Im Prinzip kann die Kontrollvariable für einen bestimmten räumlichen Maßstab auf der Grundlage des Kompartimentvolumens und seiner Erneuerungsrate definiert werden. Alle chemischen Freisetzungen haben das Potenzial, Teile des sicheren Betriebsraums innerhalb dieser Grenze zu besetzen, entsprechend ihren Freisetzungsraten und ihrem Persistenz- und Toxizitätspotenzial in der Umwelt. Die Durchführbarkeit wird jedoch durch die Notwendigkeit eingeschränkt, die große Zahl der produzierten und freigesetzten Chemikalien zu berücksichtigen (mit den oben erwähnten Datenbeschränkungen), und die Abschätzung der damit verbundenen Auswirkungen ist eine Herausforderung. Für landwirtschaftliche Chemikalien können quantitative Schätzungen der Auswirkungen aus der Kombination von kulturspezifischen Daten über die Feldanwendung (z. B. aus Produktetiketten) mit Statistiken über die Anbaufläche (z. B. FAOSTAT) als Ersatz für die behandelte Fläche, die Emissionen pro ausgebrachter Masseneinheit und die Auswirkungen pro in ein bestimmtes Kompartiment emittierter Masseneinheit (die mithilfe von Massenbilanzmodellen geschätzt werden könnten) abgeleitet werden. Bei Industriechemikalien können quantitative Schätzungen der Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus der Chemikalie abgeleitet werden, indem Daten über die chemische Produktion, die Verwendung, die Emissionen, den Verbleib in der Umwelt und den Transport (einschließlich Persistenz) sowie die Entsorgung miteinander kombiniert werden. Mit anderen Worten, dies erfordert Informationen, die auch für Kontrollvariablen zu Beginn des Wirkungspfads benötigt werden, sowie zusätzliche Informationen über die ökologische Exposition und die Wirksamkeit in Bezug auf relevante Auswirkungen auf das Erdsystem.

Da diese Kontrollvariable nahe an der Wirkungsebene der Prozesse des Erdsystems liegt, ist eine robuste Grenzsetzung möglich (und bildet die Grundlage der bereits verwendeten Ansätze für kritische Belastungen), sie ist jedoch nicht sehr umfassend, da bei einer kompartimentbasierten Bewertung möglicherweise eine Dynamik in größerem Maßstab übersehen wird. Für die meisten Chemikalien sind keine zuverlässigen Informationen zu den verschiedenen relevanten Aspekten verfügbar, die mehr oder weniger den gesamten Wirkungspfad entlang des Lebenszyklus der Chemikalie beschreiben. Die gesamte kumulative chemische Belastung der Integrität der Biosphäre wird jedoch wahrscheinlich von einer begrenzten Anzahl von Chemikalien dominiert (was auf die produzierten, verwendeten und in die Umwelt freigesetzten Mengen in Kombination mit den inhärenten Eigenschaften der Chemikalien wie Persistenz, Mobilität und Toxizität zurückzuführen ist). Posthuma und Kollegen untersuchten die Toxizitätsbelastung durch mehr als 12 000 Chemikalien in über 22 000 europäischen Wasserkörpern und fanden heraus, dass 15 Verbindungen fast 99,5 % der kumulativen Ökotoxizitätsbelastung erklären. (73) Walters et al. modellierten das Biomagnifikationspotenzial organischer Chemikalien und lieferten damit ein weiteres Instrument für das Screening. (74) Obwohl solche Studien auf Modellierungen beruhen, die einige Einschränkungen aufweisen, wie z. B. die Interaktion neuartiger Einheiten, könnte der Ansatz dazu beitragen, Prioritäten für Stoffklassen, regionale Muster oder Wirkungstrends zu setzen. Um die Überwachung der planetarischen Grenze operationell zu machen, könnten Chemikalien, die die kumulativen Auswirkungen dominieren, als “Indikator”-Chemikalien verwendet werden. Diese würden in einem Vorab-Screening-Prozess ermittelt, bei dem Schätzungen des Produktionsvolumens oder der Produktionskapazität (z. B. Marktstatistiken) mit der Umweltpersistenz (z. B. unter Verwendung des Kehrwerts der geschätzten Abbau-Halbwertszeit) und der Wirkungsstärke (z. B. Daten aus chronischen Ökotoxizitätstests) kombiniert werden. Um die Umwandlung verschiedener Chemikalien in persistente Umwandlungsprodukte zu berücksichtigen, könnten Daten zur Gesamtproduktion mit Stoffwechselraten für Chemikalien kombiniert werden, die zur Bildung solcher persistenten “Indikator”-Chemikalien beitragen. Und schließlich könnte das Verhältnis zwischen der kumulativen chemischen Belastung und dem verfügbaren Raum innerhalb der Grenze für ein bestimmtes Biosphärenkompartiment definieren, ob und in welchem Ausmaß die Grenze überschritten wird, wobei die wichtigsten beitragenden Chemikalien identifiziert werden können.

Bei der Festlegung der Grenze müssen mehrere Annahmen berücksichtigt werden. Erstens wird von einer homogenen Durchmischung und Exposition innerhalb des Kompartiments über den betrachteten Zeitraum ausgegangen. Diese Annahme ist für Luft und vielleicht auch für Wasser zutreffend, aber für komplexere Kompartimente wie Boden und Sediment weniger anwendbar, was zu einer Unterschätzung der Exposition führt. Zweitens wird bei der Aggregation der Belegung des Arbeitsraums durch Chemikalien von einer Additivität ausgegangen, ohne dass mögliche Mischungseffekte korrigiert werden, was zu einer Unsicherheit von höchstens einer Größenordnung führt (75), zusätzlich zu einer Unsicherheit von mindestens einer weiteren Größenordnung im Zusammenhang mit den Unterschieden innerhalb und zwischen den Spezies bei der Ableitung von Effektschätzungen. (76) Andere Annahmen bei der Ableitung der kumulativen Auswirkungen stehen im Zusammenhang mit nicht verräumlichten Emissions- und Auswirkungsschätzungen, die räumliche Unterschiede ignorieren (z. B. in der Wasserchemie, dem Artenreichtum, der Anfälligkeit der Arten, den Abbaugeschwindigkeiten), und mit Schätzmethoden, die angewandt werden, um Datenlücken bei den Nutzungs-/Freisetzungsmustern und der Persistenz zu schließen, was zu einer Unsicherheit von möglicherweise 2-3 Größenordnungen führt. (77)

Eine weitere wirkungsorientierte Kontrollvariable könnte die Beeinträchtigung der Integrität der Biosphäre durch die physikalischen und toxischen Wirkungen von Kunststoffen und die daraus resultierenden Veränderungen der Artenverteilung berücksichtigen. Obwohl die Wahrnehmung der Auswirkungen von Meeresmüll größer ist als die gesammelten Beweise für ökologische Auswirkungen (78), zeigen Übersichten und Meta-Analysen veröffentlichter experimenteller Daten, dass Mikroplastik bei zahlreichen Arten negative Auswirkungen hat. (79-81) Die Auswirkungen von Mikroplastik auf einzelne Organismen und Lebensgemeinschaften wurden anhand zahlreicher Labormodelle untersucht, die Aufschluss über die Mechanismen der Toxizität bei Meeresorganismen vom Zooplankton bis zu großen Wirbeltieren geben. (79,82) Obwohl es immer noch Diskrepanzen zwischen den in der Umwelt dokumentierten Konzentrationen und Arten von Mikroplastik und den in Studien zur Wirkung im Labor verwendeten gibt, (83) ermöglichen Meta-Analysen ein gewisses allgemeines Verständnis der Toxizität von Mikroplastikpartikeln. Neu entwickelte mathematische Modelle tragen der großen Vielfalt der Mikroplastikpartikel selbst Rechnung, indem sie Extrapolationsfaktoren anwenden, um eine Unterschätzung der Konzentrationen zu berücksichtigen, und indem sie die Verteilung der Empfindlichkeit der Arten auf der Grundlage von Ökotoxizitätsdaten einbeziehen, was einen robusteren Vergleich von Datensätzen ermöglicht. (84) Bei der traditionellen Risikobewertung chemischer Stoffe wird das Verhältnis zwischen der vorhergesagten Umweltkonzentration und der vorhergesagten Konzentration ohne Wirkung (PEC/PNEC) verwendet, ein Ansatz, der auf Szenarien der Mikroplastik-Exposition angewandt wurde (85) und zu dem Ergebnis führte, dass 0,17 % der globalen Meeresoberflächengewässer gefährdet sind und bis zum Ende des Jahrhunderts auf 1,62 % ansteigen werden. Darüber hinaus führen die Beschränkungen der üblichen Probenahmeverfahren (d. h. Konzentration auf größere Mikropartikel) zusammen mit den technischen Beschränkungen beim Nachweis kleinerer, nanoskaliger Partikel wahrscheinlich zu einer Unterschätzung der Konzentrationen von Mikro- und Nanoplastik in der Umwelt (86), was darauf hindeutet, dass die Exposition und damit die Risiken wahrscheinlich größer sind. Darüber hinaus wird angenommen, dass der Meeresboden und die Sedimente durch die Aufnahme in marine Ökosysteme (89) (90) und durch Veränderungen der Partikeldichte und der Sinkgeschwindigkeit aufgrund von Biofouling (91-93) die ultimative Senke für Kunststoffe sind (87,88), so dass für diese Nischen und die dort lebenden Organismen eine höhere Exposition vorhergesagt wird. Die Quantifizierung dieser Umweltkonzentrationen, Expositionswege und ökologischen Schicksale (einschließlich zusätzlicher Nischen) erfordert mehr Daten und ist wichtig für die Bewertung von Expositionsszenarien, die zu Störungen der Integrität der Biosphäre führen. Um Datenlücken zu schließen, könnten verschiedene Ansätze verfolgt werden. Ein auf Toxizität basierender Schwellenwert würde bei PEC/PNEC = 1 angesetzt, wobei NE-PB-Überschreitungen bereits in mehreren Regionen zu beobachten sind. Es wären jedoch zusätzliche Überlegungen erforderlich, um Veränderungen in der Verteilung der Arten oder der Empfindlichkeit zu berücksichtigen und über die Toxizität hinaus auf die biologische Vielfalt und Funktionalität einzugehen.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Wahl der Kontrollvariablen

Der Charakter des NE-PB unterscheidet sich von den anderen PB, da es kein vormenschliches Hintergrundniveau oder eine Basislinie von NEs gibt (mit wenigen Ausnahmen wie Metallen). Der NE-PB unterscheidet sich auch durch die Anzahl und Vielfalt der NEs, die Wahrscheinlichkeit, dass diese in Zukunft zunehmen werden, und die verschiedenen Auswirkungen, die sie verursachen können. Daher sind Kontrollvariablen erforderlich, die anders konstruiert sind als die für andere PB. Wie bereits erwähnt, sind operative Kontrollvariablen notwendig, um über Maßnahmen zu informieren und Fortschritte zu messen.
Wir haben eine Reihe von Kontrollvariablen vorgestellt, die verschiedene Komplexitäten und Merkmale des NE-PB erfassen, die in Bezug auf Machbarkeit, Relevanz und Umfang variieren. Alle haben ihre Stärken und Schwächen; keine von ihnen erfüllt für sich genommen alle Kriterien. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Beschaffenheit der planetarischen Grenze für neuartige Entitäten mehrere verschiedene Kontrollvariablen erfordert und dass unser Satz von Kontrollvariablen zusammen die Grundlage für eine praktikable Strategie zur Warnung vor planetarischen Risiken und zur Information über Maßnahmen bildet.

Überschreiten wir die planetarische Grenze für neuartige Entitäten?

Ein konsistenter Trend, der von unseren Kontrollvariablen erfasst wird, ist die Zunahme der Produktion, der Vielfalt und der weltweiten Freisetzung von neuen umweltschädlichen Stoffen im Laufe der Zeit. Trotz großer Anstrengungen in den letzten Jahrzehnten halten die Sicherheitsbewertung und die anschließenden Vorschriften für chemische Stoffe und andere NEs sowie die Kapazitäten vieler Länder zur Durchführung dieser Bewertungen und zur Durchsetzung der Einhaltung der Vorschriften nicht mit der Geschwindigkeit der Einführung neuer NEs Schritt. Eine ständig wachsende Zahl von NEs findet sich in entlegenen Gebieten der Erde, und die Zahl der stark kontaminierten Standorte nimmt trotz Sanierungsbemühungen zu. Darüber hinaus werden viele unterschiedliche und teilweise interagierende (z. B. synergetische) Auswirkungen von NEs auf die physikalischen und ökologischen Systeme der Erde gemeldet. Kurz gesagt, die rasche Zunahme der Vielfalt, der Produktionsmengen und der Freisetzungen übersteigt die Fähigkeit der Gesellschaft, NEs zu bewerten, geschweige denn zu managen. Die Belastungen für den Planeten sind bereits beträchtlich. (1) Die großen Unterschiede in der Bewirtschaftungskapazität zwischen Ländern mit unterschiedlichem Einkommensniveau bedeuten, dass selbst dann, wenn die Chemikalien- und Abfallbewirtschaftung in einigen Ländern verbessert wird, NE weiterhin produziert, verwendet und entsorgt werden, wenn es anderswo keine oder nur unzureichende Vorschriften und Durchsetzungsmaßnahmen gibt, so dass NE weiterhin in die Umwelt freigesetzt werden. (94) Dies ist ein globales Problem, so dass integrierte und gerechte grenzüberschreitende Lösungen erforderlich sind, um das Problem der Emission neuartiger Stoffe, wie z. B. der Kunststoffverschmutzung, anzugehen. (95)

Wir haben einen “weight-of-evidence”-Ansatz gewählt, um die Frage zu beantworten, ob wir auf der Grundlage der Kontrollvariablen den sicheren Betriebsbereich der NE-PB überschreiten. Angesichts der zunehmenden zeitlichen Trends bei den meisten Kontrollvariablen beantworten wir die Frage, indem wir die Veränderungsrate der Menge an Chemikalien, einschließlich Kunststoffen, die produziert und in die Umwelt freigesetzt werden, mit unserer Kapazität zur Durchführung von Sicherheitsbewertungen und Überwachung vergleichen. Wir sind der Ansicht, dass der sichere Betriebsbereich des NE-PB überschritten wird, wenn die jährliche Produktion und Freisetzung in einem Tempo zunimmt, das die globalen Kapazitäten für die Bewertung und Überwachung übersteigt.

Auf der Grundlage der hier vorgelegten Beweise behaupten wir, dass wir uns jetzt in einer Zone der Überschreitung der planetarischen Grenze für neuartige Entitäten befinden. Selbst wenn wir die Produktion und Freisetzung stabilisieren oder reduzieren würden, wären die Auswirkungen unserer Überschreitung der NE-PB aufgrund der Persistenz vieler neuartiger Entitäten immer noch eine Bedrohung. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass eine Zunahme der Produktion und Freisetzung neuartiger Entitäten angesichts der globalen Managementkapazitäten nicht mit dem Verbleib der Menschheit innerhalb des sicheren Operationsraums vereinbar ist.

Wir fordern die Forschungsgemeinschaft auf, die Arbeit fortzusetzen und den hier vorgestellten Wirkungspfad und das Verständnis des NE-PB zu nutzen, um mehr operative Kontrollvariablen, eine robustere Quantifizierung des NE-PB und besser definierte Grenzwerte für NE-Emissionen zu entwickeln. Diese weiteren Forschungsanstrengungen müssen jedoch mit dringenden Maßnahmen zur Bewältigung der heutigen NE-PB-Bedrohungen einhergehen. Globale Daten mit verbesserter räumlicher und zeitlicher Granularität können gesammelt werden, aber diese Aktivitäten sollten nicht die sofortigen Maßnahmen verzögern, die darauf abzielen, Schäden in einem früheren Stadium des Wirkungspfads zu verhindern, bevor die Auswirkungen auf das Erdsystem eintreten. Maßnahmen zur Verringerung der Freisetzung und Emission von neuen Energieträgern in die Umwelt sind von wesentlicher Bedeutung, einschließlich eines höheren Maßes an Kreislaufwirtschaft in den Produktlieferketten, Material- und Produktdesign, Design für Recycling und sichere und nachhaltige Chemikalien. (96,97) Wir müssen auch das Problem der ungleichen Verteilung der Ressourcen und des Wohlstands angehen, das die Ressourcennutzung und die Emissionen antreibt (98) und deren wirksame Regulierung behindert.

Ebenso wie die Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels von konzentrations- oder abflussbasierten Grenzwerten zu festen Obergrenzen für Treibhausgasemissionen übergingen, (99) wurden Forderungen nach Obergrenzen für die Produktion und Verwendung von Kunststoffen laut. (7) Wir sind der Meinung, dass derselbe Ansatz für alle NEs erforderlich ist. Eine Rückkehr in den sicheren Betriebsbereich kann nur durch eine globale Begrenzung der NE-Emissionen in einem Umfang erreicht werden, der der physikalischen und chemischen Kapazität des Erdsystems entspricht.

Wenn wir die gegenwärtigen Schäden begrenzen und künftige Überraschungen durch unbekannte NE-PB-Bedrohungen vermeiden wollen, ist ein stärker präventiver und vorsorgender, auf Gefahren basierender Ansatz erforderlich, um neuartige Entitäten anzugehen. Wir sind uns der beträchtlichen Herausforderung bewusst, die die Verringerung der Freisetzung von Chemikalien und Kunststoffen darstellt, um den NE-PB zu respektieren, vor allem, da die eingeschränkte Versorgung mit Chemikalien eine Resistenz gegen solche Veränderungen bietet. Die jüngste Forderung nach einem internationalen wissenschaftlich-politischen Gremium, das die Aufsicht über Chemikalien und Abfälle hat (100), könnte ein Forum für die Information über solche Maßnahmen bieten, die zum Schutz des Erdsystems erforderlich sind.

Quellen/Original/Links:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c04158

Übersetzung:
https://www.deepl.com/en

Umweltwissenschaftlerin
Bethanie Carney Almroth

Bethanie Carney Almroth

ASSOCIATE PROFESSOR, FORSCHER, Ökotoxikologie und Zoophysiologie ► FORSCHUNG Meine Forschung konzentriert sich auf die Umweltauswirkungen von Kunststoffen und kunststoffassoziierten Chemikalien, wobei ich verschiedene Fischarten zur Untersuchung heranziehe. Ich verwende biochemische und physiologische Methoden, um zu verstehen, wie sich die Exposition gegenüber Mikroplastik, Kunststoffzusätzen und Umweltchemikalien über verschiedene Expositionswege auf Fische auswirkt. Mein besonderes Interesse gilt… Weiterlesen »Bethanie Carney Almroth