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Materials
(2022)
This presentation summarizes outcomes of the CUSP projects POLYRISK and PlasticsFatE according to thermoanalytical methods.It highlights the importants of analytical methods to measure physical and chemical properties of the test materials. These informations are neccessary for interpretation of the toxicological test results.
Der Vortrag wurde im Rahmen der Abschlusskonferenz des Forschungsschwerpunktes "Plastik in der Umwelt" des BMBF gehalten. Er fasst die Ergebnisse des Verbundprojektes RUSEKU zusammen. Es wurde die Herstellung verschiedener Testmaterialien für die Mikroplastik (MP) Analytik beschrieben. Im weiteren geht es um verschiedene Ansätze MP kostengünstig und schnell zu detektieren, z.B. mit Nahinfrarotspektroskopie. Nanoplastik konnte mit der Transmissionselektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden. Für die praxisnahe Beprobung von Gewässern wurde die Fraktionierte Filtration entwickelt. Integrale Beprobungen können mit dem Sedimentationskasten erfolgen. Als Beispiele für die Beprobung realer Gewässer wurde das urbane Abwassersystem Kaiserslautern, Getränkewasser und Waschmaschinenwasser gezeigt.
Mikroplastik findet sich in Ozeanen, Seen, Flüssen und Bächen. Es kann in unserem Boden, in der Luft und sogar in Organismen nachgewiesen werden. Jedes Jahr werden weltweit Millionen Tonnen freigesetzt. Doch wo und wie landet Mikroplastik in der Umwelt? Und wie können wir diese winzigen Partikel nachweisen?
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.
The number of publications reporting the amount of microplastic (MP) all over the world increased rapidly. Methods used so far are very time consuming and not able to provide information on total contents. As harmonised sampling, sample preparation and analysis strategies are missing different studies can hardly be compared and quantitative data, including identification and mass contents of the polymers found, are missing. This leads to a lack of comprehensive understanding of MP occurrence, source and entry pathways into the environment.
We developed a method, Thermal Extraction/Desorption-Gaschromatography-Massspectrometry, as a fast screening method for MP analysis. Solid residues of water samples are heated up to 600 C under a N2 atmosphere without any sample preparation. The collected decomposition gases are separated in a gas chromatography system and detected in a mass spectrometer. Mass contents of the identified polymers can be calculated.
In this presentation we will show first results from the influent of the wastewater treatment plant Kaiserslautern (Germany) and its combined sewage system as possibly entry pathway. In order to determine the relevance of wastewater split streams analysis of grey water will be conducted. Samples are fractionally filtered by a sieve cascade with mesh sizes of 500, 100, 50 µm.
All over the world, microplastic (MP) particles (particle size: 1 - 1.000 µm) are found in water, soil, air, biota and even food products. But plenty of these discussed findings are based on a very low number of real datasets, which are extrapolated to general projections. Furthermore, most data are not comparable because the strategies for sampling, sample preparation and detection methods are not harmonised/ or standardised. This would require extensive proficiancy tests. Because of the ubiquity presence and the unclear risks, which might arise from those particles, various political and environmental organisations (i.e. OECD, UNEP, WHO) identify the reduction of plastic entry in the environment as a key challenge for now and the future. This challenge includes the identification of relevant entry pathways but also the demand of harmonised, meaningful and reliable analytical procedures.
Regarding this task within the last few years, a fast practical solution for MP analysis has been developed, which includes the steps of representative sampling, adequate sample preparation and fast detection. Sampling is done by fractional filtration over sieves with mesh sizes of 500, 100, 50 and 5 µm [1]. The received samples are measured by ThermoExtraction/Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TED-GC-MS) [1,2]. for the most abundant polymers used in practice, which are polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), polyamide (PA) and acrylate as well as styrene-butadiene-rubber (SBR), a main component of tires.
The present presentation will give first-time insight in a comprehensive dataset of microplastic analysis for an exemplary urban sewage system. MP mass contents of different waters at several days, such as greywater, stormwater retention tank, influent and effluent of a wastewater treatment plant (WWTP) within an urban sewage system in Germany are determined. Furthermore, the mass of the polymers found in dry weather and rain weather flow are compared. The use of these large datasets allows first expressive conclusions regarding the contribution of urban sewage system to the MP entry sources in the environments.
We found PP and PS in all different waters. Furthermore, there is SBR in influent and also in effluent of the WWTP. Surprisingly, we could also detect hugh amounts of PE in the effluent of the WWTP.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
Seit einigen Jahren wird in den Medien viel über das Thema Mikroplastik (MP) diskutiert. Dabei wird häufig von einer großen Anzahl an MP-Partikeln in allen Bereichen der Umwelt, wie dem Wasser, dem Boden, der Luft und in Biota sowie über mögliche Gefahren ausgehend von MP, berichtet. Jedoch sind diese Studien häufig nicht untereinander vergleichbar, da verschiedene Konzepte der Probennahme, der Aufbereitung und unterschiedliche Detektionsverfahren verwendet werden. Um diesen Mangel an vergleichbaren und aussagekräftigen Daten zu beheben, wird aktuell versucht, eine Harmonisierung der Mikroplastikanalytik voranzutreiben. Neue, schnellere Methoden zur MP Quantifizierung wurden entwickelt. Gleichzeitig werden neue Strategien zur Probenahme und Probenvorbereitung konzipiert, da hier die Fehlerquellen besonders große Auswirkungen auf das Ergebnis haben.
In diesem Vortrag werden verschiedene Verfahren bezogen auf Probennahme, -vorbereitung und Analytik gezeigt und bezüglich ihres möglichen Ergebnisses diskutiert.
Zur Validierung und Harmonisierung von verschiedenen Methoden in der Mikroplastik-Analytik werden polymere Referenzmaterialien benötigt. In diesem Vortrag wird dargestellt, was bisher an der BAM zu Referenzmaterialien für die Mikroplastik-Analytik entwickelt wurde, wo es hingehen soll und ein Überblick über bisher gelaufene Vergleichsuntersuchungen gebracht.
Monitoring von Mikroplastik
(2021)
Results from different methods applied to micro- and nanoplastics (MNPs) analysis show that there are large gaps in harmonisation with respect to terminology, size classes, sample preparation protocols and, finally, to the comparability of the measurands and descriptors.
Within the European research cluster to understand the health impacts of micro- and nanoplastics (CUSP) working group WG3-Inter-Laboratory Comparisons an overview of the existing detection methods revealing advantages and disadvantages regarding the analytical tasks is being compiled. There is a clear need to develop high class characterized reference materials for MNPs in the size ranges of 100-10 µm and smaller than 10 µm, so that these can be used to validate methods and to make results comparable. Inter-laboratory comparisons (ILCs) on model samples with complex matrices regarding mass, or water samples for number-based methods, will help us to advance the process of harmonization as well as to train users early in process of developing new methods.
We plan to keep all five CUSP projects well-connected also with the 'outside' MNP projects and ILCs and to extract the optimum of needs, capabilities, and efforts in order to launch new VAMAS ILCs which should expand already available ones.
In this breakout session first, an introduction is given on the planning and organisation of an inter-laboratory comparison (ILC) under the pre-standardisation plattform VAMAS within the newly formed technical working area TWA 45 Micro and Nano Plastics in the Environment. An update with the ILCs on micro- and nanoplastic performed so far is also given. In the third part, the requirements for a reference materials are presented. The needs from the different H2020 micro- and nanoplastic projects are collected and compiled in an ILC matrix for joint activities as the next steps.
Der Vortrag gibt den aktuellen Stand der Normung im Bereich der Oberflächen-technik insbesondere der Oberflächenanalytik und der Oberflächenmess- und -prüftechnik wider.
Vorgestellt wird der Status technischer Berichte, Normenentwürfe und Normen u.a. zur Charakterisierung von funktionellen Glasoberflächen für bioanalytische Anwendungen, zur Messung der Schichtdicke von Nanomaterialien mittels Ellipsometrie, zur Kalibrierung von Interferometern und Interferenzmikroskopen für die Formmessung, zur Rockwelleindringprüfung zur Bewertung der Schicht-haftung, zu den Grundlagen der Ellipsometrie, zur Messung der Schichtdicke mittels Wirbelstromverfahren, zur Schichtpotentialmessung von Mehrfach-Nickelschichten, zu Filtern und Augenschutzgeräten gegen Laserstrahlung sowie zur Bestimmung der Schichthaftung mittels Zugversuch.
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.
Chemical effects during the formation of femtosecond laser-induced periodic surface structures
(2019)
The processing of laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) on metals and semiconductors in ambient air is usually accompanied by superficial oxidation effects – a fact that is widely neglected in the current literature. In this contribution, chemical, structural, and mechanical alterations in the formation of femtosecond LIPSS are characterized by a variety of surface analytical techniques, including energy dispersive X-ray analyses (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), micro Raman spectroscopy (µ-RS), and depth-profiling Auger electron microscopy (AEM). Alternative routes of electrochemical and thermal oxidation allow to qualify the relevance of superficial oxidation effects on the tribological performance in oil lubricated reciprocating sliding tribological tests (RSTT). It is revealed that the fs-laser processing of near-wavelength sized LIPSS on metals leads to the formation of a few hundreds of nanometers thick graded oxide layers, consisting mainly of amorphous oxides. Regardless of reduced hardness and limited thickness, this nanostructured surface layer efficiently prevents a direct metal-to-metal contact in the RSTT and may also act as an anchor layer for specific wear-reducing additives contained in the used engine oil.
The talk is about microplastics in soil. Some results were presented with mainly state of the art according to microplastics in standardization.
Der Vortrag beschäftigt sich mit den gängisten Methoden zur Probennahme, -vorbereitung und Detektion von Mikroplastik. Das Zusammenspiel von Fragestellung und Methode wird betont. Es wird auf das Dikussionspapier Analytik des BMBF-Forschungsschwerpunktes Plastik in der Umwelt besonders hingewiesen sowie Bemühungen zur Normierung der Methoden auf deutscher und internationaler Ebene dargestellt.
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.