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Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
In view of its intended use as a sample for proficiency testing or as a reference material the stability of the extractable trace element contents of a soil from an irrigation field was tested using the extraction with 1 mol/L ammonium nitrate solution according to DIN 19730. Therefore, changes of the extractability of sterilized and non sterilized soil samples stored at different temperatures were evaluated over a period of 18 months. Sets of bottles were kept at -20 °C, +4 °C, about +20 °C and +40 °C, respectively. The NH4NO3 extractable contents of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn were determined immediately after bottling and then after 3, 6, 12 and 18 months with ICP-AES or ETAAS. Appropriate storage conditions are of utmost importance to prevent deterioration of soil samples prepared for the determination of NH4NO3 extractable trace element contents. Temperatures above +20 °C must be avoided. The observed changes in the extractability of the metals (especially for Cr and Cu) most likely could be related to thermal degradation of the organic matter of the soil. There is no need to sterilize dry soil samples, because microbiological activity in soils with a low moisture content appears to be negligible with regard to trace element mobilization.
Validation of a European standard for the determination of hexavalent chromium in solid material
(2007)
A European standard for the determination of Cr(VI) in solid material has been elaborated in the framework of an international co-operation and finally validated in the course of an interlaboratory comparison. The procedure is based on the alkaline digestion prescribed by EPA method 3060A followed by ion chromatography and determines an operationally defined content of Cr(VI), including water-soluble and insoluble chromates. A preliminary robustness study was carried out in order to compare different extraction methodologies and to study the equivalency of different analytical methods for the determination of Cr(VI) in alkaline extracts of soil and waste materials. During an interlaboratory validation trial with 19 European laboratories a set of 4 samples (2 soil and 2 waste samples) was analysed to determine performance characteristics for different combinations of digestion and detection methods. With the procedures prescribed by the new European standard (EN 15192) acceptable results were obtained for both soil samples and one of the waste samples (sludge). However, for the second waste sample (fly ash) a large deviation in analytical results was observed. This indicates that particularly for waste materials a possible occurrence of strong matrix effects has to be considered and supplementary quality control data are needed in order to assess the validity of analytical results. The accuracy of the determination of Cr(VI) in solid matrices remains a challenging field in terms of maximum extraction efficiency and minimum species interconversion.
Die Normung von Analyseverfahren ermöglicht, dass Parameter unter standardisierten Bedingungen qualitätsgesichert ermittelt werden können. Insbesondere dann, wenn Verfahren in gesetzliche Regelwerke einfließen, ist es notwendig, dass die Ergebnisse sicher und vergleichbar sind und der Aufwand im Vollzug vertretbar ist. Derzeit werden viele Parameter in verschiedenen Verordnungen nach unterschiedlichen genormten Verfahren analysiert, was die Überwachungsarbeit erschwert und zudem unnötig teurer macht. Aus diesem Grund wir eine sogenannte horizontale Normung angestrebt, bei der geeignete Analyseverfahren auch Matrices-übergreifend genormt und anschließend EU-weit zitiert werden können. Grundvoraussetzung für die Verabschiedung als Norm ist die Validierung der Verfahren. Bereits vor einigen Jahren erteilte die EU ein Mandat an CEN (Europäisches Komitee zur Normung), um umweltrelevante Parameter Matrices-übergreifend zu validieren. Allerdings konnten nicht alle für diverse Verordnungsnovellen (z.B. Klärschlammverordnung) wichtigen Parameter im Rahmen dieses Projekts validiert werden. Aus diesem Grund wurde das aktuelle Vorhaben in den Umweltforschungsplan des BMUB aufgenommen und von der BAM durchgeführt. Im Forschungsvorhaben konnten im Bereich der anorganischen Parameter die CEN/TS 16170 (Elemente mit ICP-OES), CEN/TS 16171 (Elemente mit ICP-MS) und CEN/TS 16175-2 (Quecksilber mit CV-AFS) sowie im Bereich der organischen Parameter die CEN/TS 16181 (PAK mit HPLC und GC), die CEN/TS 16167 (PCB mit GC-MS und GC-ECD) und die CEN/TS 16190 (Dioxine, Furane und dl-PCB mit HR-GC-MS) für die Analyse von Klärschlamm, behandeltem Bioabfall und Boden erfolgreich validiert werden. Die validierten Verfahren stehen nun kurz vor der Verabschiedung als EN (Europäische Norm).
Präsentation der Ergebnisse eines Ringversuchs zur Kompetenzbewertung von Prüflaboratorien auf dem Gebiet der anorganischen und organischen Bodenanalytik: Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) in Boden, Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) in Boden, Elemente in Sediment und Gesamtcyanid in Boden.