Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe
Erdöl und Erdgas sind fossile Rohstoffe, die aus Plankton entstanden sind und vor Millionen von Jahren gebildet wurden. Beide bestehen überwiegend aus Kohlenwasserstoffen, allerdings unterscheiden sie sich in der Anzahl der Kohlenstoffatome. Du fragst dich, wie genau das geht? Du möchtest mehr über ihre Entstehung, Zusammensetzung und Verwendung erfahren? Dann tauche jetzt tiefer ein und finde mehr in unserem nachfolgenden Text heraus!
- Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe in der Chemie
- Wie entstehen Erdöl und Erdgas?
- Wie setzen sich Erdöl und Erdgas zusammen?
- Eigenschaften von Erdöl und Erdgas
- Verwendung von Erdöl und Erdgas
- Reserven und Produzenten von Erdgas und Erdöl
- Ölvorkommen in Grenzgebieten
- Erdölverarbeitung
- Gefahren von Erdöl und Erdgas
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Grundlagen zum Thema Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe
Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe in der Chemie
Erdöl und Erdgas sind fossile Rohstoffe. Bei Erdöl handelt es sich um ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Es kommt natürlicherweise in der Erdkruste vor. Erdgas ist ein brennbares, natürlich entstandenes Gasgemisch, das in unterirdischen Lagerstätten zu finden ist. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan $(\ce{CH4})$. Doch wie genau setzen sich Erdöl und Erdgas zusammen? Und was sind die Hauptbestandteile von Erdöl? In diesem Lerntext erfährst du auf einfache Weise erklärt mehr über die chemische Zusammensetzung, Entstehung, Eigenschaften, Verarbeitung und Gefahren von Erdöl und Erdgas.
Wie entstehen Erdöl und Erdgas?
Das Erdöl und Erdgas, das heute abgebaut wird, entstand vor 20 bis 500 Millionen Jahren in ruhigen und flachen Meeren. In den oberen Wasserschichten dieser Meere schweben unzählige winzig kleine Lebewesen – das Plankton. Sterben sie ab, sinken sie auf den Meeresgrund. Gerät das Plankton dabei in sauerstoffarme Bereiche, kann es nicht verwesen. Anaerobe Bakterien zersetzen das Plankton zu sogenanntem Faulschlamm, der im Laufe der Zeit von anderen Ablagerungen wie Sand und Geröll zugedeckt wird. Durch das so entstandene Gewicht der überlagernden Schichten verfestigt sich die Faulschlammschicht und wandert immer tiefer. In einer Tiefe von etwa 3 000 Metern erhitzt die Wärme aus dem Erdinneren das Gestein. Durch die Hitze und den Druck entstehen zähflüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe – so läuft die Entstehung von Erdöl und Erdgas ab.
Wie setzen sich Erdöl und Erdgas zusammen?
Erdöl und Erdgas sind Stoffgemische, die hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen wie den Alkanen zusammengesetzt sind. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Stoffen liegt in der Anzahl der Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffe. Manche Erdgase enthalten noch Stickstoff $(\ce{N2})$ oder Edelgase. Weiter besteht die stoffliche und elementare Zusammensetzung mancher Erdöle und -gase auch aus Schwefelwasserstoffen. In der folgenden Tabelle siehst du die Zusammensetzung von Erdöl und Erdgas.
| Erdöl – Zusammensetzung | Erdgas – Zusammensetzung |
|---|---|
| |
|
Eigenschaften von Erdöl und Erdgas
Die wesentlichen Eigenschaften von Erdöl und Erdgas sehen wir uns nun an. Beide Stoffe haben eine hohe Wärmeenergie. Diese wird oft als Brennwert in der Einheit Megajoule pro Kilogramm angegeben. Damit wird der spezifische Energieinhalt von Stoffen angegeben. Getrocknetes Holz hat zum Vergleich einen Brennwert von $\pu{19 MJ//kg}$.
| Erdöl | Erdgas | |
|---|---|---|
| Aggregatzustand | flüssig | gasförmig |
| Siedebereich | mittlerer bis hoher Bereich | $\pu{-160°C}$ |
| Geruch | Benzingeruch | geruchlos |
| Farbe | gelb bis schwarz | farblos |
| Besonderheiten | brennbarer Stoff | leicht entzündlich |
Verwendung von Erdöl und Erdgas
Die Verwendungsmöglichkeiten für Erdöl und Erdgas sind sehr vielfältig. Ohne Erdöl und Erdgas kann nicht geheizt werden, es gäbe keine Kunststoffe oder keine Reinigungsmittel. Die Tabelle stellt die Verwendungsmöglichkeiten von Erdöl und Erdgas gegenüber.
| Erdöl | Erdgas |
|---|---|
| Rohstoff in der Chemieindustrie: Daraus lassen sich bis zu 300 Grundchemikalien herstellen, woraus wiederum fast alles andere hergestellt werden kann. und Reinigungsmitteln |
|
Reserven und Produzenten von Erdgas und Erdöl
Erdöl kann man prinzipiell zu Lande oder zu Wasser fördern. Man gewinnt die Rohstoffe aus tief liegenden Lagerstätten. Erdgas dringt meistens durch den Eigendruck an die Oberfläche. Dies ist auch in der ersten Förderungsstufe bei Erdöl möglich. Reicht der Druck nicht aus, kann man durch Wasser den Druck erhöhen. Dieser zusätzliche Druck für die Förderung kann durch Dampf, Chemikalien oder Mikroben erreicht werden.
Der Entstehungsprozess von Erdöl und Erdgas dauert viele Millionen Jahre. Aus diesem Grund sind die beiden Rohstoffe so wertvoll. Die Prognosen darüber, wie lange die aktuellen Erdöl- und Erdgasvorkommen noch ausreichen, ändern sich laufend, da immer wieder neue Vorkommen entdeckt werden und die Fördermethoden sich laufend verbessern. Im Jahr 2010 ist geschätzt worden, dass das Erdgas noch für ca. 70 Jahre und Erdöl für ca. 50 Jahre ausreicht.
Das folgenden Diagramm zeigt die Länder mit dem größten Erdölverbrauch im Jahr 2017.
Die meisten Raffinerien besitzen die Vereinigten Staaten, gefolgt von Russland, China und Japan. Übrigens, die drei größten nichtstaatlichen Ölkonzerne sind Exxon, Shell und BP.
Ölvorkommen in Grenzgebieten
Wir nutzen Öl unter anderem zum Heizen, Autofahren und zur Stromerzeugung. Schon lange wird es als „schwarzes Gold“ bezeichnet, denn es ist unglaublich wertvoll und mittlerweile auch nur noch schwer zu finden. Während unser Bedarf stetig steigt, werden die Reserven der Erde knapp, weshalb wir bei der Suche immer mehr in Grenzgebiete vorstoßen.
Öl entstand, als urzeitliche Landpflanzen, Meerespflanzen oder Phytoplankton (kleine Tiere) starben und dann unter vielen Gesteinsschichten großem Druck ausgesetzt wurden. Im Laufe von Millionen von Jahren hat sich hieraus schließlich Erdöl gebildet. Da sich dies natürlich nicht so schnell erneuern kann, wie es abgebaut wird, sind leicht zugängliche Erdölvorkommen nahezu überall auf der Welt ausgeschöpft.
Neben den aktuell meist genutzten Gebieten, der Nordsee und dem Nahen Osten, wird weltweit nach Ölvorkommen gesucht. Häufig steht dies im Konflikt mit dem Naturschutz. Denn die Förderung von Öl benötigt Infrastruktur und macht so aus einem unberührten Stück Natur wie dem Arctic National Wildlife Refuge in einem abgelegenen Teil von Alaska ein Industriegebiet.
Als eines der letzten großen Grenzgebiete für fossile Brennstoffe gilt Grönland. Laut der US Geological Survey, der wichtigsten Kartografiebehörde der USA, könnten dort 50 Milliarden Barrel Öl und Gas liegen. Die Förderung von Öl ist in abgelegenen, unberührten Gebieten allerdings nicht nur gefährlich für die Umwelt, sondern auch teuer und risikoreich.
Da die Suche nach Öl trotz moderner Technologien weiterhin schwierig ist und man bis zur Bohrung nicht sicher ist, ob und wie viel Öl wirklich zu finden ist, kommt immer mehr Öl aus Gebieten, in denen das Risiko und die Auswirkungen auf die Umwelt groß und die Erträge möglicherweise niedrig sind. Daher sollten wir uns auch mit der Frage beschäftigen, wie hoch der wirtschaftliche und ökologische Preis tatsächlich ist und ob man keine Alternativen hat.
Erdölverarbeitung
Weil Erdöl ein Gemisch aus vielen Stoffen ist, benötigt man bestimmte Trennverfahren. Das wichtigste Verfahren ist dabei die fraktionierte Destillation von Erdöl. In Destillationstürmen findet stufenweise die Destillation statt. Dabei nutzt man die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Bestandteile. Dadurch lassen sich die einzelnen Gase, Benzin, Kerosin, Diesel, Heizöle und Bitumen gewinnen. Die Siedetemperatur in den Türmen steigt dabei von oben nach unten.
Ein anderes Verfahren ist das Cracken. Beim Cracken werden Moleküle zerkleinert. Genauer gesagt werden die längeren Kohlenstoffketten in kürzere Kohlenstoffketten gespalten. Die Produkte Benzin oder Diesel bestehen beispielsweise aus kürzeren Kohlenstoffketten. Beim Cracken wird zwischen dem thermischen und dem katalytischen Cracken unterschieden.
Das dritte Verfahren – das Reforming – ist die Umwandlung bestimmter Moleküle in andere. Aus unverzweigten Molekülen entstehen so verzweigte Moleküle. Das Reforming hat das Ziel, die Molekülstruktur von zum Beispiel Benzin zu verändern, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. Das sogenannte Klopfen bezeichnet den Vorgang, bei dem sich das Benzin-Luft-Gemisch im Motor beim Verdichten frühzeitig entzündet.
Gefahren von Erdöl und Erdgas
Erdöl und Erdgas haben einen großen Nutzen für uns und sind schwer aus dem Alltag wegzudenken. Doch neben den Vorteilen bergen die Stoffe auch Gefahren:
- Öl- und Gasbrände
- Ölpest und -katastrophen bei Ölunfällen im Meer
- Treibhauseffekt durch Methan und das Verbrennungsprodukt Kohlenstoffdioxid
Zusammenfassung – Erdöl und Ergas als Kohlenwasserstoffe
Wir haben uns das sogenannte „schwarze Gold“ der Erde angesehen. Wie du dir schon denken kannst, handelt es sich dabei um Erdöl (und das mit diesem zusammen geförderte Erdgas). Bei beiden Rohstoffen handelt es sich um Kohlenwasserstoffverbindungen.
Du findest hier auch Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zur Zusammensetzung von Erdöl und Erdgas, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe
Heute machen wir eine "Reise in die Vergangenheit" und sehen uns an, wie Ereignisse, die Jahrmillionen zurückliegen, noch heute unser Leben bestimmen. Also, es geht nicht um die langweiligen Dinos hier, sondern um etwas viel KRASSERES: "Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe". Bei der Nutzung von Erdöl und Erdgas als "fossile Energieträger" wünscht man sich vielleicht heute schon, dass sie als solche der Vergangenheit angehören. Aber noch ist es nicht so weit. Und man muss schon auch sagen, dass die beiden Stoffe in den letzten einhundert Jahren zu einer beispiellosen Verbesserung des Lebensstandards in großen Teilen der Welt beigetragen haben. Aber gehen wir noch viel weiter zurück: Die ENTSTEHUNG von Erdöl und Erdgas beginnt bereits vor circa fünfhundert Millionen Jahren. Da gibt's noch lange keine Dinos, aber schon viele Kleinstlebewesen, vor allem Plankton im Meer. Wenn die ein hoffentlich erfülltes Leben hinter sich haben, sinken sie auf den Meeresgrund. Dort werden sie durch Mikroorganismen wie Bakterien zersetzt und es bildet sich sogenannter "Faulschlamm". Der Unterschied zu einer normalen Verwesung ist hier, dass es sich um eine "sauerstoffarme" Umgebung handelt. Deshalb werden die kohlenstoffhaltigen Überreste der organischen Materie nicht gleich zu Kohlenstoffdioxid zersetzt. Wenn sich nun im Laufe der Jahrmillionen Sedimentschicht über Sedimentschicht ablagert, entsteht in großer Tiefe ein poröses Gestein. Dort wird der Faulschlamm unter hohem Druck und erhöhter Temperatur in ein flüssiges Stoffgemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen umgewandelt: Das ist Erdöl. Geht das Ganze noch ein bisschen länger, können in größeren Tiefen auch GASFÖRMIGE Kohlenwasserstoffe gebildet werden, die durch das poröse Gestein langsam nach oben steigen, bis sie sich unter einer undurchlässigen Erdschicht sammeln. Dort finden wir dann "Erdgas". Jetzt ist auch klar, warum wir von "FOSSILEN" Rohstoffen sprechen: Erdöl und Erdgas liegen meist tief im Boden versteckt und müssen erst zu Tage gefördert werden. Da sie unter Druck stehen, reicht es oft aus, das Vorkommen einfach anzubohren, dann sprudelt das Öl (beziehungsweise entweicht das Gas) schon nach oben. Aber so einfach ist es nicht immer. Liegt noch Wasser über dem Vorkommen, ist die Bohrung schon deutlich komplizierter, und wenn Erdgas noch tief in den unteren Gesteinsschichten steckt, bekommt man es nur durch sogenanntes "Fracking" nach oben. Dabei werden Wasser und mitunter giftige Chemikalien unter Hochdruck in den Boden gepresst, um die Gesteinsschicht aufzubrechen und das Erdgas nach oben zu treiben. Hierbei besteht ein NOCH größeres Risiko von Umweltschäden – und das ist schon bei den anderen Fördermethoden nicht ohne. Neben der Zerstörung der Landschaft und möglichen Umweltverschmutzungen wie einer "Ölpest" bei einem Tankerunfall, werden mittlerweile vor allem die geförderten Stoffe SELBST von vielen als Problem betrachtet. Wie du sicher weißt, werden Erdöl und Erdgas, beziehungsweise die Kohlenwasserstoffe, die in diesen Stoffgemischen enthalten sind, als "Brennstoffe" genutzt. Aus Erdgas werden vor allem Methan, aber auch Ethan, Propan und Butan gewonnen, die als "leicht entzündliche Gase" zur Stromerzeugung in Gaskraftwerken sowie in Heizungen und Öfen (vom Campingkocher auf Reisen bis zum Hochofen in der Stahlindustrie) verwendet werden. Aus Erdöl lassen sich weniger flüchtige Gemische wie Benzin, Kerosin, Diesel und Schweröl gewinnen, in denen Kohlenwasserstoffe "mittlerer Kettenlänge" enthalten sind, die unter Normalbedingungen FLÜSSIG sind. Diese sind etwas weniger reaktiv und werden als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren in Autos, LKWs, Flugzeugen, Zügen und Schiffen genutzt. Zu Beginn des vorherigen Jahrhunderts schien das eine super Idee, denn diese Stoffe haben eine sehr hohe "Energiedichte". Das heißt: Schon bei der Verbrennung von relativ geringen Mengen wird viel Energie freigesetzt, die in Wärme und dann wiederum in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann. Mittlerweile wird aber das dabei entstehende "Kohlenstoffdioxid" immer mehr zum Problem, da es in der Atmosphäre als Treibhausgas wirkt und damit den menschengemachten, unnatürlich schnellen Klimawandel unserer Zeit befördert. Die größten Erdöl und Erdgas fördernden Länder, die du hier zusammengefasst siehst, und natürlich auch die größten VERBRAUCHER haben wirtschaftlich enorm von der Verarbeitung und Nutzung fossiler Rohstoffe profitiert. Noch bis vor kurzem wurde angesichts der rasanten Verfeuerung der kostbaren Rohstoffe eher die Frage diskutiert, wieviele Jahrzehnte die Vorkommen auf der Erde wohl noch reichen werden. HEUTE stehen wir der Verbrennung von Erdöl und Erdgas viel kritischer gegenüber. Und das ist auch gut so. Denn abgesehen vom
Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe Übung
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Gib an, was Plankton ist.
TippsBei Plankton handelt es sich um Lebewesen.
Das Bild zeigt eine schematische Darstellung von Plankton.
LösungDie Entstehung von Erdöl und Erdgas begann bereits vor circa 500 Millionen Jahren.
Zu dieser Zeit gab es noch keine Dinosaurier. Aber das Meer war von Plankton, den winzigen Lebewesen, die im Wasser schweben, bevölkert.Als diese winzigen Organismen starben, sanken sie auf den Meeresboden. Mit der Zeit sammelten sich immer mehr Schichten aus abgestorbenem Plankton und anderen organischen Materialien. Diese Schichten wurden von Sand, Schlamm und anderen Sedimenten bedeckt. Unter dem hohen Druck und der Hitze, die tief unter der Erde herrschen, wandelten sich diese organischen Materialien über Millionen von Jahren in Erdöl und Erdgas.
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Stelle dar, wie aus Plankton Erdöl und Erdgas entstehen können.
TippsDie Geschichte der Entstehung von Erdöl und Erdgas beginnt mit Plankton, den winzigen Kleinstlebewesen.
Lösung$\text{Bild 1:}$
Plankton lebt in den Ozeanen. Wenn diese winzigen Organismen sterben, dann sinken sie auf den Meeresboden.$\text{Bild 2:}$
Dort werden sie durch Mikroorganismen wie Bakterien zersetzt und es bildet sich sogenannter Faulschlamm.
$\to$ Der Unterschied zur normalen Verwesung besteht darin, dass die Umgebung sauerstoffarm ist. Deshalb werden die kohlenstoffhaltigen Überreste der organischen Materie nicht gleich zu Kohlenstoffdioxid zersetzt.$\text{Bild 3:}$
Nach Millionen von Jahren lagert sich Sedimentschicht über Sedimentschicht ab und es entsteht ein poröses Gestein in großer Tiefe.$\text{Bild 4:}$
Dort wird der Faulschlamm unter hohem Druck und erhöhter Temperatur in ein flüssiges Stoffgemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen umgewandelt: Das ist Erdöl.
$\to$ In größeren Tiefen können auch gasförmige Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Diese steigen langsam nach oben durch das poröse Gestein, bis sie sich unter einer undurchlässigen Erdschicht sammeln. Dort finden wir dann Erdgas. -
Vergleiche die Kohlenwasserstoffe.
TippsDas Bild zeigt ein Methan-Molekül.
Im Vergleich zum Elektroauto ist der Verbrenner ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und nutzt Benzin oder Diesel als Kraftstoff.
LösungErdgas besteht vor allem aus Methan, neben anderen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Propan und Butan. Diese Kohlenwasserstoffe sind leicht entzündliche Gase und werden zur Stromerzeugung in Gaskraftwerken sowie in Heizungen und Öfen verwendet.
Aus Erdöl lassen sich weniger flüchtige Gemische wie Benzin, Kerosin, Diesel und Schweröl gewinnen. Darin enthalten sind Kohlenwasserstoffe mittlerer Kettenlänge, die unter Normalbedingungen flüssig sind. Sie werden als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren in Autos, Lkw, Flugzeugen, Zügen und Schiffen genutzt.
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Erläutere die Vor- und Nachteile der Verbrennung von Erdöl und Erdgas.
TippsDas ist die Reaktionsgleichung einer vollständigen Verbrennung.
Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde.
LösungZu Beginn des vorigen Jahrhunderts wurde das Verbrennen von Erdöl und Erdgas als eine vielversprechende Lösung angesehen. Heute betrachten wir die Verbrennung von Erdöl und Erdgas deutlich kritischer. Denn neben den Vorteilen hat das Verbrennen erhebliche negative Auswirkungen, vor allem für unsere Umwelt.
Ein Vorteil der Verbrennung von Erdöl und Erdgas ist deren sehr hohe Energiedichte: Schon bei der Verbrennung von relativ geringen Mengen wird viel Energie freigesetzt, die in Wärme und dann wiederum in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Ein großer Nachteil der Verbrennung ist allerdings die Entstehung von Kohlenstoffdioxid. Das ist ein Problem, da es in der Atmosphäre als Treibhausgas wirkt. Dadurch wird die vom Menschen verursachte Erderwärmung weiter beschleunigt.
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Bestimme, welche Stoffe zum Teil aus Erdöl bestehen.
TippsErdöl wird unter anderem zur Produktion von Kunststoffen genutzt.
Es gibt drei richtige Antworten.
LösungErdöl ist ein wichtiger Rohstoff, der in etlichen Bereichen unseres Lebens eine Rolle spielt. Aus Erdöl werden Treibstoffe wie Benzin und Kerosin hergestellt, die Autos und Flugzeuge antreiben. Es wird auch zur Produktion von Kunststoffen verwendet, die in zahlreichen Alltagsgegenständen vorkommen. Zudem dient Erdöl als Basis für viele Chemikalien, die in der Medizin und Industrie genutzt werden. Trotz seiner Vorteile hat Erdöl auch negative Auswirkungen auf die Umwelt.
Erdöl findet vielseitige Anwendung in unserem Alltag. Zu den wichtigsten Verwendungszwecken zählen:
- Kunststoffe, etwa Verpackungsmaterialien,
- Medikamente,
- Textilien und synthetische Kleidungsstoffe,
- Kosmetikprodukte sowie
- Lacke und Farben.
$\to$ Lebensmittel bestehen nicht direkt aus Erdöl. Aber Erdöl spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung und Verarbeitung vieler Lebensmittel. Einige Lebensmittelzusatzstoffe können aus erdölbasierten Verbindungen hergestellt werden.
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Begründe, wieso auf Plastik so weit wie möglich verzichtet werden sollte.
TippsEs gibt drei richtige Antworten.
Obwohl der Pfand für Plastikflaschen in Deutschland höher als der für Glasflaschen ist, ist die Herstellung von Plastikflaschen weitaus günstiger als die von Glasflaschen.
LösungPlastikflaschen sind praktisch, weil sie billig, leicht und haltbar sind. Aber sie sind eher schlecht für die Umwelt. Deshalb versuchen immer mehr Leute, Alternativen zu finden und weniger Plastik zu nutzen.
Das sind einige der Gründe, warum wir auf Plastik verzichten sollten:
Kunststoffe bestehen aus Erdöl und Erdgas: Plastikflaschen werden aus Erdölprodukten hergestellt und Erdöl ist eine nicht erneuerbare Ressource. Die Förderung und Verarbeitung von Erdöl hat zusätzliche Umweltbelastungen zur Folge.
Kunststoffe sind sehr langlebig und können in der Umwelt Hunderte von Jahren verweilen, wobei sie schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben können: Sie zersetzen sich nicht vollständig, sondern zerfallen in kleinere Partikel (Mikroplastik), die weiterhin Umweltrisiken darstellen.
Nur ein kleiner Teil des produzierten Plastiks wird recycelt: Ein großer Teil landet auf Mülldeponien oder in der Umwelt. Zusätzlich sind die Recyclingkosten für Plastik oft sehr hoch.Viele Meerestiere sterben aufgrund der Aufnahme von Mikroplastik: Meerestiere verwechseln oft Plastikmüll mit Nahrung. Wenn sie das Plastik verschlucken, dann kann dies ihren Verdauungstrakt blockieren. Das heißt, das Tier fühlt sich satt, obwohl es keine Nährstoffe aufgenommen hat, was zu Hunger und Tod führen kann.
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