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As global demand for polymer products increases, so does the potential amount of leakage into the environment, known as macroplastic (> 1,000 µm) and microplastic particles (MP, 1 - 1,000 µm). To date, the environmental and health consequences are unclear and unpredictable, so robust MP monitoring data are needed to identify the sources, pathways and fate of these particles. Therefore, we developed the thermoanalytical method TED-GC/MS (thermal extraction desorption - gas chromatography/mass spectrometry), which uses polymer-specific thermal decomposition products for the detection of MP in environmental samples. It allows fast identification and the determination of MP mass contents, which is crucial for assessing of their potential effects and thus for legislation and monitoring.
For a better understanding of the TED-GC/MS, this presentation will provide the first methodological insights into systematic assessments of TED-GC/MS performance for MP detection in different environmental model matrices. Results of MP determination from real samples will underline the presentation and aspects of practical application will be addressed.
To harmonise the method, it is essential to assess different analytical performance parameters (e.g. recovery, signal quality or limit of detection, LOD) to ensure comparability of data. For this purpose, standard addition of different aquatic (e.g. suspended particulate matter, limnic sediment, activated sludge) and terrestrial samples (e.g. agricultural soil) were performed with non-biodegradable standard polymers (polyethylene, PE; polyethylene terephthalate, PET; polypropylene, PP; polymethyl methacrylate, PMMA; polystyrene, PS; styrene-butadiene rubber, SBR) as well as biodegradable polymers (polybutylene adipate terephthalate PBAT; polylactide, PLA) and analysed by TED-GC/MS. These results were then compared with the measurements of the neat polymers without matrix.
There is growing interest in quantifying microplastics in environmental samples. This application note presents a thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) method that is well suited to automation and increased sample throughput. The method is also able to detect all particle sizes in the sample as long as the limit of detection (LOD) is reached and allows analysis of larger samples of 15 to 25 mg or more. Samples were decomposed by thermogravimetric analysis (TGA), and the gaseous decomposition products were trapped on a solid-phase sorbent, followed by thermal desorption‑gas chromatography/mass spectrometry (TD-GC/MS) using an Agilent 5977B GC/MSD coupled to an Agilent 7890B GC. Target microplastic particle (MP) polymers were identified in environmental samples including surface water, finished compost, house dust, and drinking water. Quantification of MP polymers in environmental samples provided LODs of 0.06 to 2.2 μg, allowing the detection of MPs in trace amounts with sample weights of up to 1 g. Method repeatability was adequate for reliable quantification with RSDs of approximately 6 to 12%.
Mit dem stetigen weltweiten Anstieg der Nachfrage nach Polymerprodukten nimmt auch die potenzielle Menge an Kunststoffabfällen in der Umwelt zu. Problematisch ist, dass viele der wirtschaftlich relevantesten Kunststoffe sehr lange brauchen, um in der Umwelt abzubauen, sich dort akkumulieren und in kritisch betrachtetes Makro- und Mikroplastik zu zerfallen. Auf der Grundlage des Vorsorgeprinzips fordert die Europäische Kommission daher die Entwicklung neuer polymerer Materialien, die diesem Problem der Persistenz entgegenwirken und unter natürlichen Umweltbedingungen schneller abgebaut werden können. 1,2
Um dieses Problem anzusprechen, wurden mittels additiver Fertigung Polymerblends aus photooxidationsempfindlichem Polystyrol (PS) und hydrolyseempfindlicher Polymilchsäure (PLA) hergestellt. Die Hypothese war, dass sich die beiden Thermoplaste aufgrund ihrer unterschiedlichen Abbauprozesse gegenseitig in ihrem Abbau unterstützen, wenn sie unter moderaten, realitätsnahen Umweltalterungsbedingungen (45 °C) abwechselnd der Photooxidation und Hydrolyse ausgesetzt werden.
In der Praxis zeigten die Ergebnisse, dass die Degradation von PLA durch die Anwesenheit von PS deutlich beschleunigt worden ist – wohingegen die Degradation von PS gehemmt wurde. In diesem Vortrag werden die detaillierten Ergebnisse der Oberflächen- (ATR-FTIR, REM) und Bulk-Analysen (DSC, TGA, FTIR-Transmission, TED-GC/MS) der Blends sowie ergänzende Mikroplastik-Ergebnisse des umgebenden Wassermediums (TED-GC/MS) erörtert.
In this study, carried out within the Joint Danube Survey 4, a comprehensive microplastic screening in the water column within a large European river basin from its source to estuary, including major tributaries, was realized. The objective was to develop principles of a systematic and practicable microplastic monitoring strategy using sedimentation boxes for collection of suspended particulate matter followed by its subsequent analysis using thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry. In total, 18 sampling sites in the Danube River Basin were investigated. The obtained suspended particulate matter samples were subdivided into the fractions of >100 μm and <100 μm and subsequently analyzed for microplastic mass contents. The results showed that microplastics were detected in all samples, with polyethylene being the predominant polymer with maximum contents of 22.24 μg/mg, 3.23 μg/mg for polystyrene, 1.03 μg/mg for styrene-butadiene-rubber, and 0.45 μg/mg for polypropylene. Further, polymers such as different sorts of polyester, polyacrylates, polylactide, and natural rubber were not detected or below the detection limit. Additional investigations on possible interference of polyethylene signals by algae-derived fatty acids were assessed. In the context of targeted monitoring, repeated measurements provide more certainty in the interpretation of the results for the individual sites. Nevertheless, it can be stated that the chosen approach using an integrative sampling and determination of total plastic content proved to be successful.
A fast method for microplastic detection is thermal extraction desorption‐gas chromatography/mass spectrometry (TED‐GC/MS), which uses polymer‐specific thermal decomposition products as marker compounds to determine polymer mass contents in environmental samples. So far, matrix impacts of different environmental matrices on TED‐GC/MS performance had not yet been assessed systematically. Therefore, three solid freshwater matrices representing different aquatic bodies with varying organic matter contents were spiked with a total of eight polymers. Additionally, for the first time, the two biodegradable polymers polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polylactide (PLA) were analysed using TED‐GC/MS. The methodological focus of this work was on detectability, quality of signal formation as well as realisation of quantification procedures and determination of the limit of detection (LOD) values. Overall, TED‐GC/MS allowed the unambiguous detection of the environmentally most relevant polymers analysed, even at low mass contents: 0.02 wt% for polystyrene (PS), 0.04 wt% for the tyre component styrene butadiene rubber (SBR) and 0.2 wt% for polypropylene (PP), polyethylene (PE) and PBAT. Further, all obtained LOD values were increased in all matrices compared to the neat polymer without matrix. The LOD of the standard polymers were increased similarly (PS: 0.21–0.34 μg, SBR: 0.27–0.38 μg, PP: 0.32–0.36 μg, PMMA: 0.64–1.30 μg, PET: 0.90–1.37 μg, PE: 3.80–6.99 μg) and their decompositions by radical scission processes were not significantly influenced by the matrices. In contrast, matrixspecific LOD increases of both biodegradable polymers PBAT (LOD: 1.41–7.18 μg) and PLA (0.84–20.46 μg) were observed, probably due to their hetero‐functional character and interactions with the matrices. In conclusion, the TED‐GC/MS performance is not solely determined by the type of the polymers but also by the composition of the matrix.
A new concept for the ecotoxicological assessment of plastics under consideration of aging processes
(2023)
Microplastics are widely distributed in aquatic and terrestrial environments, but up to now less is known about (eco)toxicological impacts under realistic conditions. Research so far has focused mainly on impacts on organisms by fresh, single‐origin plastic fragments or beads. However, plastics found in the environment are complex in composition, this means different polymer types and sources, with and without additives and in all stages of age, and therefore, in a more or less advanced stage of degradation. For oxidized degradation products that might be released from plastic materials during aging, there is a lack of information on potentially adverse effects on aquatic biota. The latter is of particular interest as oxidized degradation products might become more water soluble due to higher polarity and are more bioavailable, therefore. The present study focused on plastic leachates of polystyrene (PS) and polylactic acid (PLA), which were derived from alternating stress by hydrolysis and ultraviolet (UV) radiation—representing a realistic scenario in the environment. Test specimens of PS, PLA, or a PLA/PS layer (each 50%) were alternately exposed to UV radiation for 5 days followed by hydrolysis for 2 days, for several weeks alternating. Ecotoxicological effects of the storage water (artificial freshwater) of the test specimens and additionally, in a second experimental setup, the effects of five potential polymer degradation products were detected by 72 h algae growth inhibition tests with Desmodesmus subspicatus. Results clearly indicate inhibitory effects on algae growth by contaminants in the storage water of stressed plastics with increasing growth inhibition of proceeding hydrolysis and UV stress times. Different polymers caused variable inhibitions of algae growth with stronger inhibitions by PS and less effects by PLA and the mixed layer of both. Moreover, not microplastic particles but the resulting dissolved degradation products after aging caused the ecotoxicological effects—with strong effects by the oxidized degradation products. The existing data highlight the relevance of plastic aging as a framework for microplastic ecotoxicity evaluation and allow a proof of concept.
Das Ziel dieses Grundlagenforschungsprojektes war, die Abbaubarkeit syntheti-scher Polymere unter realitätsnahen Umweltbedingungen durch eine Mischung bzw. Blend eines Hydrolyse- mit einem Oxidations-empfindlichen Polymer zu verbessern, während er unter Nutzungsbedingungen stabil sein sollte. Die Arbeits-hypothese war, dass sich die Polymere gegenseitig in ihrem Abbau beschleunigen, wenn sie der alternierenden Wechselbeanspruchung aus UV-Strahlung und hydrolytischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Hierfür wurden vier Blends aus Polylactid (PLA) und Polystyrol (PS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) in unterschiedlichen Mischverhältnissen und Phasenstrukturen mittels additiver Fertigung hergestellt. Die Blends wurden über acht Wochen bei 45 °C mittels alternierender Wechselbeanspruchung aus je fünf Tagen UV-Bestrahlung und zwei Tagen hydrolytischer Beanspruchung beschleunigt gealtert. Für eine Basis-charakterisierung und als Vergleichsgrundlage wurden zusätzlich die Ausgangs-polymere PLA, PS und PMMA jeweils einzeln der hydrolytischen Beanspruchung, UV-Beanspruchung und alternierenden Wechselbeanspruchung unterzogen. Neben der Bestimmung der physiko-chemischen Effekte auf Prüfkörperoberflächen und Bulk wurden erstmalig auch die Wassermedien auf Mikroplastikgehalte und ökotoxikologische Wirkungen analysiert.
Die Ergebnisse ergaben, dass reines PLA kaum degradierte, aber der PLA-Abbau sowohl durch Mischung mit PS als auch PMMA verstärkt wurde. Entgegen der Hypothese wurde dadurch allerdings sowohl die Degradation von PS als auch von PMMA gehemmt. Es konnte gezeigt werden, dass sich PS und PMMA im Blend mit PLA durch radikalische Depolymerisation abbauten und die dabei entstehenden Radikale die PLA-Hydrolyse beschleunigten, was wiederum den Abbau der PS- und PMMA-Phasen verlangsamte. Die Ergebnisse zeigten, dass bei dem PLA/PS-Schichtblend (PLA/PS-50) der höchste PS-Gehalt von 50 % den stärksten Effekt auf den PLA-Abbau hatte. Insgesamt war allerdings selbst in diesem Fall die PLA-Degradation nach achtwöchiger Beanspruchung als gering einzustufen. Der totale Masseverlust von PLA/PS-50 entsprach nach achtwöchiger Wechselbeanspruchung -2,6 ± 0,2 mg absolut bzw. ca. -1,5 ± 0,1 % der Prüfkörpermasse, wovon 0,001 % in partikuläres Mikroplastik fragmentierte (PLA: 0,2 – 2,7 μg/g; PS: 3,0 – 3,4 μg/g). Folglich war der größte Teil des Masseverlustes der Prüfkörper auf die Bildung gelöster und/oder gasförmiger Degradationsprodukte zurückzuführen.
Ferner zeigten ökotoxikologische Untersuchungen der wechselbeanspruchten Wassermedien von PLA/PS-50 eine zunehmende Hemmung des Algenwachstums der Grünalge Desmodesmus subspicatus, die nach sechs Wochen Wechsel-beanspruchung zu 100 % Hemmung und nach acht Wochen zu einem Absterben der eingesetzten Algenzellen führte. Ergänzende Algenwachstumshemmungstests mit
2
Prüfkörpern der Ausgangspolymere PLA und PS zeigten, dass dies nicht auf der Bildung von partikulärem Mikroplastik, sondern gelösten PS-Degradations-produkten basierte, wie z. B. Benzaldehyd oder Benzoesäure.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nur eine geringe Beschleunigung des PLA-Abbaus bei gleichzeitiger Hemmung des PS- bzw. PMMA-Abbaus stattfand - und das auch erst bei hohen PS- bzw. PMMA-Gehalten. Weiterführende Experimente zeigten, dass dies speziell für PS höchst bedenklich und nicht empfehlenswert ist, da es abhängig von der Konzentration der gelösten PS-Degradationsprodukte zu starken ökotoxikologischen Effekten kommen kann, die von der Hemmung des Algen-wachstums bis zum Algenabsterben reichen können. Folglich konnte die Arbeits-hypothese nur sehr eingeschränkt verifiziert werden und ist mit den hier untersuchten Polymeren als nicht zielführend einzuschätzen.