Monitoring Microplastics in the River Rhine: From method development and −application towards Microplastic load calculation

  • Microplastics (MP) (1 μm to 5 mm) enter riverine environments in various ways. Point sources (e. g. industrial plants) can be differentiated from diffuse sources (e. g. erosion). Once MP has entered river systems, it underlies hydrodynamic processes and is finally transported towards the oceans. Due to fragmentation, MP particles decrease in size during transport. MP particles are highly heterogeneous considering density and shape, which makes spatially and temporally high resolved sampling difficult and thus hampers the quantification of annual loads in rivers. Within this thesis, we conducted a spatially and temporally high resolved monitoring in the River Rhine with the aim to quantify an annual MP load at our study site, Koblenz. With a literature review we exposed that most studies present their results by means of particle numberMicroplastics (MP) (1 μm to 5 mm) enter riverine environments in various ways. Point sources (e. g. industrial plants) can be differentiated from diffuse sources (e. g. erosion). Once MP has entered river systems, it underlies hydrodynamic processes and is finally transported towards the oceans. Due to fragmentation, MP particles decrease in size during transport. MP particles are highly heterogeneous considering density and shape, which makes spatially and temporally high resolved sampling difficult and thus hampers the quantification of annual loads in rivers. Within this thesis, we conducted a spatially and temporally high resolved monitoring in the River Rhine with the aim to quantify an annual MP load at our study site, Koblenz. With a literature review we exposed that most studies present their results by means of particle number instead of particle mass. Also, many studies did not consider spatial nor temporal aspects within their sampling design. For the first time, we presented a compilation of global annual load values within river systems, partly using innovative methodological approaches to convert MP items to MP mass. Hereby, a correlation between catchment area and annual MP load could be detected. Global loads showed a large range (< 1 kg/y – 1533 t/y). To estimate the annual MP load of the River Rhine at the study site Koblenz, we performed a temporally high resolved sampling using sedimentation boxes (SB, time-integrated samples over months) and a continuous flow centrifuge (CFC, discrete sampling). Via thermal degradation procedures, polymer concentration in mg/g was estimated for PP, PE, PS and PVC. Hereby, annual loads of 400 t (SB) and 60 t (CFC) were calculated. Deviation of both methods was more pronounced for polymers with lower density (PP and PE), whereas PVC loads were comparable. This led to further laboratory experiments, which showed that particle retention efficiency of the SB was varying with the particle’s properties. Thus, the SB sample might not be representative for the river’s conditions. Furthermore, the CFC had difficulties in retaining polymers with lower density (losses up to > 50 % were noticed). Nevertheless, the calculated MP loads do fit well into our compilation of global MP load values. An extensive quantification of retention efficiencies for several polymer types and particle sizes (SB) or an additional sampling step for the clearwater of the CFC for low-dense MP particles could lead to more robust MP concentration values in the future. Depth-distributed sampling campaigns with a filter cascade and filter nets revealed strong density-dependant vertical gradients within the water column. These gradients were even apparent within the smallest particle size classes and thus were larger than a theoretical determination based on the Rouse number would have suggested. Both, filter cascade and filter net showed a positive correlation between river discharge and MP concentration. This correlation allows for a first speculation on MP sources within the River Rhine: The main source of MP seems, in congruence with suspended sediments, to be a diffuse entry which rises with rising water level. In contrast, a constant entry from a point source would lead to lower concentrations during flood events due to dilution. Within this work we could point out that extensive research is needed considering the understanding of different sampling devices and their sampling efficiencies. First approaches for an improvement of these limitations have been shown. Still, a combination of sampling techniques is necessary to cover the portfolio of potential issues regarding MP research. For a more precise quantification of annual MP loads, standardisation of procedures on all working steps is urgently needed.show moreshow less
  • Mikroplastik (MP) (1 μm bis 5 mm) kann über vielfältige Weise in Flüsse gelangen. Generell lassen sich Punkquellen (z. B. industrielle Anlagen) und diffuse Quellen (z. B. flächige Erosion) unterscheiden. Einmal eingetragen, unterliegt es in Fließgewässern hydrodynamischen Prozessen und wird langfristig in die Ozeane transportiert, wobei es über lange Zeiträume in immer kleinere Partikel fragmentiert. Die Heterogenität von MP hinsichtlich Dichte und Form erschwert eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beprobung und die Bestimmung von Jahresfrachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine solche räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beprobung im Rhein durchgeführt, um für den Standort Koblenz eine Jahresfracht zu bestimmen und so die MP Belastung zu quantifizieren. Anhand einer Literaturstudie wurde zunächst herausgearbeitet, dass aktuelleMikroplastik (MP) (1 μm bis 5 mm) kann über vielfältige Weise in Flüsse gelangen. Generell lassen sich Punkquellen (z. B. industrielle Anlagen) und diffuse Quellen (z. B. flächige Erosion) unterscheiden. Einmal eingetragen, unterliegt es in Fließgewässern hydrodynamischen Prozessen und wird langfristig in die Ozeane transportiert, wobei es über lange Zeiträume in immer kleinere Partikel fragmentiert. Die Heterogenität von MP hinsichtlich Dichte und Form erschwert eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beprobung und die Bestimmung von Jahresfrachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine solche räumlich und zeitlich hochaufgelöste Beprobung im Rhein durchgeführt, um für den Standort Koblenz eine Jahresfracht zu bestimmen und so die MP Belastung zu quantifizieren. Anhand einer Literaturstudie wurde zunächst herausgearbeitet, dass aktuelle Studien ihre Ergebnisse in der Regel partikelbasiert statt massenbasiert angeben. Hinsichtlich der Berücksichtigung räumlicher und zeitlicher Aspekte wurden Defizite aufgedeckt. In einer erstmaligen Zusammenstellung globaler Frachtwerte, teils erzeugt mittels neuer methodischer Ansätze zur Umwandlung von Partikelanzahl zu Partikelmasse, konnte ein positiver Zusammenhang zwischen Einzugsgebietsgröße und Jahresfracht festgestellt werden, wobei die Frachten hier eine enorme Bandbreite einnahmen (< 1 kg/y – 1533 t/y). Um die Jahresfracht des Rheins zu bestimmen und einzuordnen, wurde zeitlich hochaufgelöst mit einem Sedimentationskasten (SB, zeit-integrierte Beprobungen als Monatsmischproben) und einer Durchflusszentrifuge (CFC, diskrete Probenahme) beprobt. Über thermodegradative Analyseverfahren wurde die Polymerkonzentration (mg/g) für PP, PE, PS und PVC bestimmt. Anhand dieser wurde eine Jahresfracht von ca. 400 t (SB) bzw. ca. 60 t (CFC) berechnet. Große Abweichungen beider Methoden zeigten sich vor allem bei den leichteren Polymeren (PP und PE), die Frachten von PVC hingegen waren beinahe deckungsgleich. Weitere Laborversuche zeigten, dass die Sammeleffizienz des SB für verschiedene Partikel variiert, sodass die Probe nicht repräsentativ für die Belastung des Flusses ist. Bei der CFC gelangten leichte Polymere zu größeren Anteilen (teils über 50 %) nicht in das Probenmaterial. Trotzdem lassen sich die ermittelten Frachten plausibel in das globale Bild der Frachten einordnen. Eine konsequente Quantifizierung der Sammeleffizienz über verschiedene Polymere und Größen hinweg, oder eine zusätzliche Beprobung des Wasserauslasses der CFC auf Polymere geringer Dichte könnte hier zukünftig zu deutlich belastbareren Messwerten führen. Bei der weiteren Analyse der räumlichen Variabilität, erfasst mittels einer Filterkaskade und Filternetzen, zeigten sich deutliche vertikale, dichteabhängige Gradienten von MP. Diese waren bereits in kleinen Partikelfraktionen deutlich ausgeprägt und somit größer, als es eine theoretische Bestimmung anhand der Rouse Zahl es erwarten ließ. Ein positiver Zusammenhang zwischen Abfluss und MP Konzentration wurde sowohl mittels CFC als auch mittels Filterkaskade und Netzen bestätigt. Ein solcher Zusammenhang lässt auch erste Rückschlüsse auf die Quellen des MP im Rhein zu: Die Hauptquelle scheint, wie bei Schwebstoffen auch, ein flächiger Eintrag zu sein, der mit steigendem Wasserstand zunimmt. Ein konstanter Eintrag würde hingegen durch die Verdünnung eines erhöhten Abflusses zu geringeren Konzentrationen bei Hochwasser führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein erheblicher Forschungsbedarf hinsichtlich des Verständnisses verschiedener Probenahmetechniken und ihrer Sammeleffizienz aufgedeckt, aber auch Möglichkeiten aufgezeigt, diese Defizite zu verbessern. Nach wie vor ist eine Kombination von verschiedenen Probenahmetechniken erforderlich, um die vielfältigen Fragestellungen in der Mikroplastikforschung abzudecken. Für eine bessere Quantifizierung von Fehlern und eine globale Einordnung von Jahresfrachten ist dringend eine Standardisierung der Arbeitsschritte auf allen Ebenen geboten.show moreshow less

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Metadaten
Author:David RangeORCiD
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-26297
DOI:https://doi.org/10.82549/opus4-2629
Referee:Thomas Ternes, Wolfgang Imhof
Advisor:Thomas Hoffmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2026/03/27
Date of first Publication:2026/03/27
Publishing Institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting Institution:Universität Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2026/01/29
Release Date:2026/03/27
Tag:ATR FT-IR; Pyr-GC-MS; continuous flow centrifuge; cross-sectional variability; filter cascade; filter nets; large volume sampler; load estimation; meta-analysis; microplastics; sedimentation box; spatiotemporal variability
GND Keyword:MikroplastikGND; MetaanalyseGND
Page Number:VIII, 187 Seiten
Note:
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Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Geographie
Licence (German):CC BY
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