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Der Vortrag stellt spektroskopische und neue thermoanalytische Verfahren zum Nachweis von Mikroplastik in Umweltproben vor. Ein spezieller Fokus liegt auf dem neu entwickelten Verfahren der TED-GC-MS. Zusätzlich wird gezeigt, wie die TED-GC-MS eingesetzt werden kann, um Reifen in der Umwelt zu bestimmen.
Soils are essential components of terrestrial ecosystems that experience strong pollution pressure. Microplastic contamination of soils is being increasingly documented, with potential consequences for soil biodiversity and function. Notwithstanding, data on effects of such contaminants on fundamental properties potentially impacting soil biota are lacking. The present study explores the potential of microplastics to disturb vital relationships between soil and water, as well as its consequences for soil structure and microbial function. During a 5-weeks garden experiment we exposed a loamy sand soil to environmentally relevant nominal concentrations (up to 2%) of four common microplastic types (polyacrylic fibers, polyamide beads, polyester fibers, and polyethylene fragments). Then, we measured bulk density, water holding capacity, hydraulic conductivity, soil aggregation, and microbial activity. Microplastics affected the bulk density, water holding capacity, and the functional relationship between the microbial activity and water stable aggregates. The effects are underestimated if idiosyncrasies of particle type and concentrations are neglected, suggesting that purely qualitative environmental microplastic data might be of limited value for the assessment of effects in soil. If extended to other soils and plastic types, the processes unravelled here suggest that microplastics are relevant long-term anthropogenic stressors and drivers of global change in terrestrial ecosystems.
Das Auftreten von Mikroplastik (MP) in aquatischen Ökosystemen ist bereits vielfältig dokumentiert. MP sind Kunststoffpartikel mit einer Größe kleiner als 5000 µm. Sie gelangen entweder als primäres MP (bspw. Zusätze in Kosmetikartikeln) oder als sekundäres MP (Fragmentierung größerer Kunststoffteile) in die Umwelt. Über die Existenz von Kunststoffpartikeln und deren Verbleib in terrestrischen Systemen ist wenig bekannt. Bis heute ist es unklar, ob MP im Boden durch Bodenerosion in die aquatische Umwelt transportiert wird und Boden somit als MP-Quelle für Gewässer fungiert, oder ob Partikel im Boden zurückgehalten werden und Boden eine MP-Senke darstellt. Hierzu sind aussagekräftige Messungen von Proben notwendig.
Das Fehlen harmonisierter Verfahren für die Probenahme, Probenaufbereitung und Detektion erschwert die aktuelle Diskussion. In den wenigen bisher veröffentlichten Studien fanden hauptsächlich spektroskopische Methoden wie FTIR- oder Raman-Mikroskopie als Detektionsverfahren Anwendung. Diese liefern in der Regel Aussagen über Partikelanzahlen.
Im vorliegenden Projekt soll als Analysemethode die von uns entwickelte ThermoExtraktionDesorption-GasChromatograpie-MassenSpektrometrie (TED-GC-MS) genutzt werden. Bei dieser Methode wird die Probe bis 600 °C erhitzt; die Zersetzungsgase werden auf einer Festphase sorbiert, anschließend in ein GS-MS-System überführt und dort desorbiert, getrennt und identifiziert. Die Methode erlaubt auf schnellem Wege über den Nachweis von spezifischen Zersetzungsprodukten die Identifikation einzelner Polymere, aber auch die quantitative Bestimmung des MP-Massegehaltes in einer Bodenprobe.
Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung eines systematischen Protokolls zur Probenahme, Probenaufarbeitung und anschließenden Analyse mittels TED-GC-MS von MP in terrestrischen Proben. Neben der Erstellung einer systematischen Probenahmestrategie sind Probenaufarbeitungsschritte wie die Reduktion der anorganischen Matrix mittels Dichteseparation sowie die oxidative Zersetzung organischer Matrixbestandteile notwendig.
Im vorliegenden Tagungsbeitrag präsentieren wir die Anwendung der TED-GC-MS für die Bestimmung von MP in verschiedenen terrestrischen Umweltmatrizen.
Nach einer Erläuterung der international üblichen Definitionen von Referenzmaterialien und Matrix-Referenzmaterialien erfolgt eine Zusammenfassung der spezifischen Anforderungen bei Herstellung und Charakterisierung. Weiterhin werden die unterschiedlichen Anforderungen an die Durchführung von Ringversuchen im Sinne eines Methodenvergleiches, einer Eignungsprüfung von Laboratorien und der Zertifizierung von Matrix-Referenzmaterialien gegenübergestellt. Für den aktuell geplanten ersten Ringversuch zur Quantifizierung von Mikroplastik in Schwebstoffen mittels thermischer Verfahren werden die konkreten technischen Bedingungen zur Herstellung entsprechender Referenzmaterialien einschließlich der Homogenitätsprüfung ihrer Mikroplastikgehalte dargestellt. Die Besonderheiten des Ringversuches vor dem Hintergrund einer Normung der eingesetzten Verfahren werden diskutiert.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss)zu optimieren.
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien sollten auf ihre Rückhaltefähigkeit von MP aus dem Kläranlagenklarlauf getestet werden. Für die Probenahme sowie für die Analytik wurden die entwickelten und optimierten Probenahme- sowie Analysetechniken angewendet.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
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.