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Die zunehmenden Nachweise von Kunststoffen in verschiedenen Umweltmedien erfahren in den letzten Jahren weltweit ein zunehmendes wissenschaftliches, gesellschaftliches und politisches Interesse. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Kunststoffpartikel von 1-1.000 µm sogenanntes Mikroplastik. Es wurde mittlerweile in Wasser, Böden, Luft und Biota nachgewiesen. Obwohl die Wirkungen auf die natürlichen Umweltfunktionen noch unklar sind und kontrovers diskutiert werden, ist allein durch die ubiquitäre Präsenz eine systematische Erfassung von Eintragsquellen und Verbleib der Partikel über alle Umweltmedien notwendig, um Maßnahmen zur Reduktion der Einträge zu veranlassen.
Für eine zuverlässige Erfassung sind medienübergreifende Verfahren zu entwickeln, welche die drei analytischen Schritte, Probennahme, Probenaufbereitung und Detektion beinhalten. Die Verfahren adressieren unterschiedliche Zielgruppen, welche verschiedene analytische Informationen fordern. Für die akademische Bewertung werden Verfahren mit hohem analytischen Aufwand favorisiert, welche möglichst detaillierte Information über Partikelsorte, -größe, -zahl und -oberflächenbeschaffenheit geben. Im Gegensatz dazu, fordern Anwender aus der Praxis schnelle und einfache Monitoring Verfahren, welche die Bestimmung eines Massengehaltes, bzw. eines Grenzwertes zulassen. Allen ist gemeinsam, dass ein hoher interdisziplinärer Anspruch besteht, der sowohl technische Voraussetzungen zur repräsentativen Probennahme und die Limitationen von Detektionsverfahren berücksichtigt, als auch die Fachkompetenz von Biologen, Umweltwissenschaften, Analytiker und Polymerwissenschaftler einschließt.
Verfahren zum Mikroplastiknachweis müssen auch verschieden Proben mit sehr unterschiedlichen Gehalten an natürlicher Matrix gerecht werden. So müssen allein für Wasser Verfahren entwickelt werden, die Mikroplastik verschiedener Form (sphärische Partikel, komplexe Bruchstücke, Fasern) aus Medien mit sehr variablen Partikelanteil (u.a. Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser) repräsentativ erfassen sowie schnell und kostengünstig sind – einschließlich der notwendigen Probenaufbereitung. Die jeweiligen Detektionsverfahren müssen z.B. einzelne Partikel oder integrale Gehalte über drei Dekadenklassen für thermoplastische und insbesondere auch elastomere Partikelsorten erfassen können.
In order to determine the relevance of microplastic particles in various environmental media, comprehensive investigations are needed. However, no analytical method exists for fast identification and quantification. At present, optical spectroscopy methods like IR and RAMAN imaging are used. Due to their time consuming procedures and uncertain extrapolation, reliable monitoring is difficult. For analyzing polymers Py-GC-MS is a standard method. However, due to a limited sample amount of about 0.5 mg it is not suited for analysis of complex sample mixtures like environmental samples. Therefore, we developed a new thermoanalytical method as a first step for identifying microplastics in environmental samples. A sample amount of about 20 mg, which assures the homogeneity of the sample, is subjected to complete thermal decomposition. The specific degradation products of the respective polymer are adsorbed on a solid-Phase adsorber and subsequently analyzed by thermal Desorption gas chromatography mass spectrometry. For certain identification, the specific degradation products for the respective polymer were selected first. Afterwards real environmental samples from the aquatic (three different rivers) and the terrestrial (bio gas plant) systems were screened for microplastics. Mainly polypropylene (PP), polyethylene (PE) and polystyrene (PS) were identified for the samples from the bio gas plant and PE and PS from the rivers. However, this was only the first step and quantification measurements will follow.
A first pilot study on the sorption of environmental pollutants on various microplastic materials
(2017)
With the drastic increase in plastic production, the input of plastic particles into the environment has become a recognised problem.
Xenobiotics are able to sorb to polymer materials, and this process is further enhanced where they Encounter microplastics (plastic fragments <5 mm). In this work we studied the sorption of metformin, a type-2 diabetes drug, and difenoconazole, a fungicide, onto the virgin polymer materials polyamide (PA), polypropylene (PP), and polystyrene (PS). Additionally, PP was cryo-milled and PA was treated with acid to investigate the influence of an increase in surface area and chemical modification. The material properties were also studied by dynamic scanning calorimetry (DSC), gel permeation chromatography (GPC) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Sorption experiments were performed on the basis of a full factorial design examining the effect of agitation, pH value, and salinity. Experimental results showed that difenoconazole sorbs readily to all microplastics, whereas the more polar analyte metformin did not show any affinity to the materials used. For difenoconazole the governing factor in all cases is agitation, while both pH and salinity exhibited only a slight influence. The modification of polymers leads to enhanced sorption, indicating that an increase in surface area (cryo-milled PP) or inner volume (acid-treated PA) strongly favours adsorption. Moreover, long-term experiments demonstrated that the time until equilibrium is reached depends strongly on the particle size.
Die Präsenz von Mikroplastik in aquatischen Ökosystemen ist ein globales Problem und steht zunehmend im Fokus der Öffentlichkeit. In mehreren Studien konnten Anreicherungen hydrophober, organischer Schadstoffe an MP nachgewiesen werden. Der Einfluss des Alterungszustandes der MP-Partikel auf das Sorptionsverhalten von hydrophoben organischen Substanzen ist nicht hinreichend geklärt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Sorptionsverhaltens von Schadstoffen mit Bedeutung für limnische Gewässer an künstlich gealterten Partikeln relevanter Polymere. Das Modell verwendete die Aromaten Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol (BTEX) sowie Etherverbindungen. Diese Substanzen sind oder waren Bestandteile in unterschiedlichen Kraftstoffen und finden sich daher in vielen aquatischen Ökosystemen weltweit. Als Sorbentien kamen teilkristallines Polypropylen (PP) und amorphes Polystyrol (PS) in Form von Industriepellets zum Einsatz. Die Pellets wurden jeweils sowohl unbehandelt als auch mittels UV-Bestrahlung künstlich gealtert verwendet und mikroskopisch sowie mittels XPS, FTIR und DSC charakterisiert. Die Alterung führte bei PS zu einer verringerten Sorptionskapazität, während bei PP keine Veränderung im Sorptionsverhalten beobachtet wurde.
The accumulation of plastics leaked into the environment achieve a high perception in the last years. It is uncontroversial that often an uncontrolled, high consumption of plastic products and a poor waste management resulted in plastic findings all over in the environment. However, less is known about the relevant pathways and fate of plastic in the environment. Especially plastic fragments smaller 5 mmm, so called microplastics, achieve a high attention, because their amount and risks arising from these fragments are still unknown. The basic mechanisms of plastic or more precise, of different polymer degradation processes are often not considered, resulting in unrealistic statements.
For generation of fundamental understanding of this problem we developed in the last years a fast thermoanalytical method for identification and mass quantification of microplastics in complex samples. The presentation will also give a short introduction about polymer degradation.