Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Inputs of plastic impurities into the environment via the application of fertilizers are regulated in Germany and the EU by means of ordinances. Robust and fast analytical methods are the basis of legal regulations. Currently, only macro- and large microplastic contents (>1 mm) are measured. Microplastics (1–1,000 µm), are not yet monitored. Thermal analytical methods are suitable for this purpose, which can determine the mass content and can also be operated fully automatically in routine mode. Thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) allows the identification of polymers and the determination of mass contents in solid samples from natural environments. In accordance with the German or European Commission (EC) Fertiliser Ordinance, composting plants should be monitored for microplastic particles with this method in the future. In this context a compost plant was sampled. At the end of the rotting process, the compost was sieved and separated in a coarse (>1 mm) and a fine fraction (<1 mm). The fine fraction was processed using density separation comparing NaCl and NaI as possible salt alternative and screened for microplastic masses by TED-GC/MS with additional validation and quality assurance experiments. With TED-GC/MS total microplastics mass contents of 1.1–3.0 μg/mg in finished compost could be detected with polyethylene mainly. What differs much to the total mass of plastics in the coarse fraction with up to 60 μg/mg, which were visually searched, identified via ATR-FTIR and gravimetrically weighted.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Im der Präsentation werden, neben der Möglichkeit der Mikroplastikquantifizierung, auf weitere Anwendungsfelder der Methode TED-GC/MS eigegangen. Dies beinhaltet die Erfassung von Degradationsprodukten UV/O2 geschädigter Polymere und die Detektion von Additiven. Die Optimierung der Methode betreffend Messzeit und materialspezifischer Messanforderung sind ebenfalls Gegenstand.
In recent years, thermoextraction/desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS) has been developed as a rapid detection method for the determination of microplastics (MP) mass contents in numerous environmentally relevant matrices and, in particular, for the measurement of polymers in water samples without time-consuming sample preparation. The TED-GC/MS method was applied to investigate a typical European municipal wastewater system for possible MP masses. Such investigations are important in view of the recent revision of the Urban Wastewater Treatment Directive. Four different representative sampling sites were selected: greywater (domestic wastewater without toilet), combined sewer, and influent and effluent of a wastewater treatment plant (WWTP). All samples were collected by fractional filtration. Filtration was carried out over mesh sizes of 500, 100, 50, and in some cases, 5 µm. Polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) were detected in all samples, with the PE fraction dominating in all cases. Styrene-butadiene rubber which serves as an indication of tire abrasion, was only found in the influent of the WWTP. The highest MP mass contents were found in the combined sewer, so MP can become a source of pollution during heavy rain events when the capacity limits of the effluent are reached, and the polluted effluent is released uncontrolled into the environment. Based on the studies, MP retention from the WWTP could be estimated to be approximately 96%. Few trends in polymer type or mass contents were detected within the different fractions of the samples or when comparing samples to each other.
Soil acts as a final sink for pollutants. Microplastics from different sources such as plastic mulching, littering, compost, sewage sludge, sedimentary deposition, and tyre abrasion are expected to be found in soil. However, representative and comprehensive information is missing on the sources, transport, and fate. Therefore, a reliable analysis method for microplastics in soils needs to be developed.
The presented work describes the development of a procedure for microplastics analysis in soils. A representative sampling based on the on-site conditions and a sample preparation method was established and comprised of a drying step, the separation of microplastic particles > 1 mm, and a density separation for particles < 1 mm. The detection of the large microplastic particles (> 1 mm) was conducted with Attenuated Total Reflection - Fourier Transform infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) , while Thermal Extraction Desorption - Gas Chromatography / Mass Spectrometry (TED-GC/MS) was applied for particles < 1 mm, gaining information on the type of polymer and mass fraction. Based on the established method, 14 environmental soil samples ? with different exposure of microplastics from agriculture, industrial sites, roads, and floods were investigated.
Due to the arbitrary microplastic particle distribution among the samples for large microplastics, it was reasoned that the found particles were unrepresentative. In contrast, microplastic particles < 1 mm were discovered in a high mass in soil samples exposed to plastic mulching or fertilization with sewage sludge or compost (0 – 115 mg/kg). On average, microplastic contents detected in soil samples taken from a construction site and an inner-city lake were higher (13 – 238 mg/kg). As expected, microplastic content in soil sampled in proximity to roads was more pronounced in the upper soil layers. In contrast, very remote sampling sites, expectably uncontaminated, did not lead to the detection of microplastic regarding to thermoanalytical detection method.
In a proof of concept experiment several in vivo and in vitro ecotoxicological tests were applied to evaluate the effect of microplastics (tyre abrasion, polystyrene containing hexabromocyclododecane) in natural soils. In summary, while no effects of the examined probes could be detected on higher levels of biological organization after exposures to earthworm E. andrei, significant changes in several oxidative stress related biomarkers were observed.
Die Thermo Extraktion Desorption Gas Chromatograpie Massen Spektrometrie (TED-GC/MS) ist ein schnelles thermoanalytisches Verfahren zur Bestimmung von Gehalten an Mikroplastik (MP). Die Kombination aus teils schwerflüchtigen Analyten und Kältebrücken führt zu Memory-Effekten, denen u.a. durch häufige Blindwertmessungen begegnet werden muss. Reduzierte Probedurchsätze sind die Folge. Um Messergebnisse abzusichern und den Gerätestatus bei gleichzeitig hoher Messleistung überwachen zu können, wurde die sequentielle Standardmethode überarbeitet.
Tire wear (TW) constitutes a significant source of microplastic in terrestrial ecosystems. It is known that particles emitted by roads can have an effect up to 100 m into adjacent areas. Here, we apply for the first-time thermal extraction desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC/MS) to determine TW in soil samples by detection of thermal decomposition products of styrene-butadiene rubber (SBR), without additional enrichment. Additionally, zinc contents were determined as an elemental marker for TW. Mixed soil samples were taken along three transects along a German motorway in 0.3, 2.0, and 5.0 m distance from the road. Sampling depths were 0–2, 2–5, 5–10, and 10–20 cm. Four fine fractions, 1 000–500, 500–100, 100–50, and <50 μm, were analyzed.
TW contents based on SBR ranged from 155 to 15 898 mg kg−1. TW contents based on zinc were between 413 and 44 812 mg kg−1. Comparison of individual values of SBR and zinc reveals SBR as a more specific marker. Results confirm that most TW ends up in the topsoil within a 2 m distance.
The sampling strategy resulted in representative data for a larger area. Standard deviations of quadruple TED-GC/MS determination of SBR were <10% for all grain size fractions. TED-GC/MS is a suitable analytical tool for determining TW in soil samples without the use of toxic chemicals, enrichment, or special sample preparation.