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Long-term accumulation and fragmentation of plastic waste in ecosystems is currently a global subject of scientific and social concern. The combination of mechanical abrasion with degradation by UV radiation, and oxidation leads to the formation of small plastic particles (size less than 5 mm) which are not only distributed in oceanic and costal water, but also in sediments and terrestrial compartment. Since the contamination of the environment with plastic particles became emerging issue, an increasing trend towards investigating and controlling the MP pollution of the environment can be observed worldwide. Nonetheless, the reliable methodology that would facilitate and automate the monitoring of MP is still missing.
Aiming at the selection of practical and standardized methods we present here a critical comparison of two vibrational spectroscopies, Raman and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and two extraction methods: thermal desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) and liquid extraction with subsequent size exclusion chromatography (SEC) using a soil (reference material) with known contents of PE, PP, PS and PET. The results are compared in terms of the measurements time, technique handling, detection limits and requirement for sample preparation.
The comparison of Raman and FTIR spectra provides broader understanding of the polymeric origin of the analysed particles. Furthermore, at the level of individual particle, Raman imaging yields additional information on the stage of the polymer degradation and contamination on the surface. On the other hand, by applying the thermal and liquid extraction methods the fast and quantitative analysis of MP content is possible. Therefore, to establish reliable, standardized detection methods a combination of several parallel approaches should be considered.
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.
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.
The pathways of plastics, especially of microplastic (MP), in environmental compartments, particularly in aquatic systems, are not well understood. The critical point is the lack of fast, harmonised methods for sampling, sample preparation and sample analysis. These three analytical steps are dependent on one another and must be optimised.
In recent years, we developed a method for representative sampling and fast detection of MP in aqueous systems. The sampling in different freshwater bodies is performed in the field with a fractionated filtration system using mesh sizes of 500, 100 and 50 µm. For water with an intermediate or high content of suspended particular matter a minimum of 1000 L has to be filtered. In the lab, mesh sizes of 10 and 5 µm are used for further filtration. Subsequently, the water filtrates of the different particle size classes are sterilised, dried, weighed and homogenised, if necessary.
Conventional methods for MP analysis are infrared and raman spectroscopy, giving information on the shapes and numbers of individually identified MP particles. Our focus is on the determination of mass contents of various polymers potentially contained in environmental samples. For qualitative and quantitative MP detection TED-GC-MS is used, a two-step method based on gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with previous thermal extraction. This method not only enables us to screen the samples for characteristic marker-molecules, thus identifying single polymers, but furthermore allows the calculation of mass contents of individual polymers. In the present work, different freshwater compartments were exemplarily studied to identify containing polymers and calculate their mass content in MP particles.