Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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Monitoring von Mikroplastik
(2021)
The scientific and practical challenge of detecting microplastics (MPs) in the environment in a targeted and rapid manner is solved by innovative coupling of thermogravimetric analysis with mass spectrometric methods.
Fast identification and quantitative determination of most thermoplastic polymers and elastomers is possible by using thermal extraction Desorption gas chromatography–mass spectrometry (TED-GC–MS).
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.
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.
Der Vortrag beschreibt den Entwicklungsprozess des Analysenverfahrens TED-GC-MS zur Bestimmung von Mikroplastikgehalten in Umweltproben im Rahmen des BMBF-Projektes MiWa. Die Funktionsweise, die Automatisierung und die Optimierung einzelner Geräteparameter und Leistungsdaten werden gezeigt. Untersuchungen des Einflusses von Probenmatrices werden dargestellt und die Ergebnisse einiger Messkampagnen und Ringversuche vorgestellt, die die Routinefähigkeit des Verfahrens dokumentieren.
Die ThermoExtraktionDesorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC-MS) ist die wichtigste Methode der BAM zur Analyse von Mikroplastikpartikeln in Umweltproben. Mit wachsendem Erfahrungsschatz traten Komplikationen auf, bei deren Bewältigung das Analysensystem verbessert werden konnte. Das Poster präsentiert u. a. die Verbesserung der Nachweisgrenzen sowie die Eliminierung von Kontaminationsquellen aus gängigen Probennahmeverfahren.
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.
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.
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.
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.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss)zu optimieren.
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien sollten auf ihre Rückhaltefähigkeit von MP aus dem Kläranlagenklarlauf getestet werden. Für die Probenahme sowie für die Analytik wurden die entwickelten und optimierten Probenahme- sowie Analysetechniken angewendet.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
Plastik in Böden
(2017)
Annually vast amounts of plastics are produced world-wide. However, recycling and waste management is still insufficient resulting in large quantities of plastics being released into the environment. Degradation by sunlight, mechanical and biological factors lead to the breakdown of this waste into little fragments. By convention particles smaller than 5 mm are referred to as microplastics (MP). The occurrence of MP has been reported by researchers virtually all around the globe. Gaining knowledge on MP is currently a time-consuming process because analysis mainly relies on micro-infrared and micro-Raman methods. Prior to that the particles need to undergo purification and enrichment. Thus, only small numbers and volumes of samples can be investigated. Here we tested NIR spectroscopy combined with a multivariate data analysis as a means of speeding up the process of MP analysis.
Experiments were performed using the most abundant polymers polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate and polystyrene. MP samples were obtained by adding the cryomilled and sieved (<125 µm) particles to approximately 1 g of standard soil at 0,5–10 mass%. Spectra were recorded with a fiber optic reflection probe connected to a FT-NIR spectrometer. 5–10 spectra recorded of each sample were used for the calibration of chemometric models (partial least squares regression, PLSR). “Unknown” test samples were then used to test the model’s capability to predict the type and amount of polymer.
In samples containing 1–5 % of the polymers the prediction yielded the highest degree of agreement with the gravimetric reference values. At low polymer loads some false positive results in the identification were observed. Large amounts of polymers limited the prediction capability by a nonlinear behaviour of the absorption. Further testing was done with real world samples such as compost and washing machine filters. Even though the calibration did not account for these highly complex sample compositions, satisfactory results could be achieved.
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.
Die weltweite Produktion von synthetischen Kunststoffen steigt stetig und ein Teil gelangt in die Umwelt. Die Kunststofffragmente werden durch Umwelteinflüsse zerkleinert und bilden schließlich Mikroplastik, dessen Gefährdungspotential intensiv diskutiert wird. Zur Beobachtung und Bewertung der Situation ist eine leistungsstarke und schnelle Analytik erforderlich, jedoch existieren noch keine harmonisierten Verfahren. Die ThermoExtraktionDesorption-GasChromatograpie-MassenSpektrometrie (TED-GC-MS) nutzt polymer-spezifische Zersetzungsprodukte und bietet durch ihre Schnelligkeit und Robustheit Vorteile gegenüber anderen Verfahren.
Mikroplastik (MP) findet sich in aquatischen Ökosystemen weltweit und es konnte gezeigt werden, dass hydrophobe organische Schadstoffe an MP angereichert werden. Es ist bekannt, dass teilkristalline und amorphe Polymere unterschiedliche Sorptionsver-halten aufweisen. Der Einfluss des Alterungszustandes der MP-Partikel auf das Sorptionsverhalten ist nicht hinreichend geklärt. In dieser Studie wurden amorphes Polystyrol (PS) und teilkristallines Polypropylen (PP) in Form von Industriepellets gezielt gealtert und mikroskopisch sowie mittels XPS, FTIR und DSC charakterisiert. Anschließend wurde in Batchexperimenten die Sorption von potenziell wassergefährdenden Kraftstoffbestandteilen (Ether und BTEX) an den Pellets mittels Headspace-Gaschromatografie untersucht.
In den letzten Jahren sind vermehrt Publikationen zum Vorkommen von Kunststoffen – insbesondere Mikroplastik (MP) - in limnischen Gewässern,oder Kläranlagen,zu finden. Die bisherigen Untersuchungen und Befunde sind allerdings hinsichtlich der Anzahl-, Volumen- und Massenkonzentrationen und der Größenverteilung von MP nur eingeschränkt bewertbar. Der Grund hierfür ist das Fehlen einer einheitlichen Methodik zur Probennahme für Wässer, der Probenaufarbeitung und der dann folgenden Analytik der Plastiksorten und Partikelgrößen.
Das Ziel des OEMP-Projektes ist die Entwicklung neuer Materialien, um den Rückhalt von Mikroplastik-Partikeln (MP) aus verschiedenen urbanen Eintragspfaden (Kläranlagenablauf, Mischwasserüberlauf und Straßenabfluss) zu optimieren. Grundlage für die Bewertung ist die Entwicklung von geeigneten Untersuchungsverfahren (Probennahme, Probenaufbereitung, Detektion) zur Qualifizierung und Quantifizierung von MP in den relevanten Umweltmatrices. Diese Verfahren müssen zeiteffizient und zuverlässig sein.
The increasing pollution of terrestrial and aquatic ecosystems with plastic debris, which leads to the accumulation of microscopic plastic particles of still unknown fate, is an upcoming problem of our time. In order to monitor the degree of contamination and to understand the underlying processes of degradation and internalization of plastic debris, analytical methods are urgently needed, which help to identify and quantify microplastics. Currently, expensive collected and purified materials enriched on filters are investigated by (micro) infrared spectroscopy (FTIR). Few studies using micro-Raman spectroscopy have been published as well. In contrast to FTIR, Raman spectroscopy can handle wet samples, but it suffers from interference of fluorescent materials. Both micro-FTIR- and micro-Raman, always include time consuming scanning and mapping procedures followed by the manual inspection and measurement of selected particles.
Durch den stetig steigenden Einsatz von Plastikprodukten sind unerwünschte Kunststofffunde in verschiedenen Umweltmatrices mittlerweile allgegenwärtig. Besonderes Interesse erfahren die Kunststoffpartikel von einer Größe kleiner 5 mm, sogenannte Mikroplastik (MP) Partikel und deren ausgehende Risiken auf Mensch und Umwelt
Durch den stetig steigenden Einsatz von Plastikprodukten sind unerwünschte Kunststofffunde in verschiedenen Umweltmatrices mittlerweile allgegenwärtig. Besonderes Interesse erfahren die Kunststoffpartikel von einer Größe kleiner 5 mm, sogenannte Mikroplastik (MP) Partikel. Es werden aktuell Risiken für Mensch und Umwelt diskutiert, die von diesen Partikeln ausgehen.
Durch den stetig steigenden Einsatz von Plastikprodukten sind unerwünschte Kunststofffunde in verschiedenen Umweltmatrices mittlerweile allgegenwärtig. Bereits seit Jahren werden die Funde in aquatischen Bereich kommentiert, mittlerweile erfahren auch terrestrische Kompartimente erhöhte Aufmerksamkeit.
Besonderes Interesse erfahren Kunststoffpartikel von einer Größe kleiner 5 mm, sogenannte Mikroplastik (MP) Partikel.