Umwelt Dem Mikroplastik auf der Spur

150 Millionen Tonnen Plastikmüll treiben nach UN-Schätzungen in den Weltmeeren, jedes Jahr kommen acht Millionen Tonnen dazu. Ein Großteil des Plastikmülls wird durch Sonne, Salzwasser, Wind und Wellen in winzige Partikel, sogenanntes Mikroplastik, zerkleinert, das von Fischen und anderen Meeresbewohnern aufgenommen wird. Auch in heimischen Bächen, Flüssen und Seen findet man es, genauso wie im Wald, auf Feldern und Wiesen. Wo und in welchem Umfang Mikroplastik auftritt, das untersucht ein Forschungsteam an der BAM.

Die Umweltbelastung durch Mikroplastik lässt sich mit den derzeitigen Messmethoden nicht genau bestimmen. Mikroplastik wird heute überwiegend mit Infrarot- oder Raman-Spektroskopie und Mikroskopie nachgewiesen. Diese Messverfahren identifizieren die Partikel, ermitteln deren Anzahl und Größe. Aber sie besitzen zwei Nachteile: Sie sind sehr zeitaufwendig und zudem können nur sehr kleine Teilbereiche von Proben untersucht werden. Angesichts der wachsenden Debatte über Mikroplastik wurde ein neues Verfahren benötigt, das vor allem schneller ist. Das Team hat eine neue Analysetechnik entwickelt: Das Verfahren mit der Abkürzung TED-GC-MS, dies steht für Thermoextraktion Desorption-Gas Chromatographie-Massenspektrometrie, besitzt zwei große Vorteile. Die Messungen dauern nur wenige Stunden, sodass spätestens eine Woche nach der Probenentnahme Messergebnisse vorliegen. Zudem ist die Methode besser quantifizierbar: Die Analyse liefert eine genaue Aussage, wie viel Mikrogramm der kleinen Plastikteilchen neben der großen Menge natürlicher Partikel beispielsweise in einem Liter Wasser enthalten sind. Solche Daten bilden die Grundlage für Grenzwerte und deren Kontrolle.

Analysetechniken smart kombiniert

Der Kern der Neuentwicklung besteht aus der Kombination zweier bereits bekannter Analysetechniken: der thermogravimetrischen Analyse (TGA) und der Thermodesoption-Gas-Chromatographie mit gekoppelter Massenspektometrie (TDU-GC-MS). Die TGA ist als Standardanalyse-Verfahren für Polymere bekannt, während GC-MS ein gängiges Verfahren in der Spurenanalytik ist. Zusammen mit dem Umweltbundesamt, der Wasserreinhaltung der TU Berlin und Fachleuten der Gerätehersteller triebt das Team die Entwicklung voran. Es gelang dem Forschungsteam, das Verfahren so erfolgreich weiterzuentwickeln, dass sie ein Patent darauf angemeldet haben.

Woher stammt Mikroplastik?

Viele Proben, die an der BAM auf Mikroplastik untersucht werden, stammen aus Kläranlagen, Straßenabflüssen oder anderen Siedlungsgewässern in Berlin. Neben der Messung von Mikroplastik untersucht das Forschungsteam in zwei Projekten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) auch, wie Mikroplastik in die Umwelt eingetragen wird. Nur wenn die Quellen genau ermittelt werden, können effektiv Maßnahmen zur Vermeidung weiterer Einträge angegangen werden. Bisher wird davon ausgegangen, dass Mikroplastik in der Umwelt überwiegend aus achtlos weggeworfenen Verpackungsmaterialien und Kunststoffprodukten stammt. Kleine Kunststoffpartikel werden aber auch als Zusatzstoff in vielen kosmetischen Produkten wie beispielsweise Cremes, Duschgels oder Zahnpasta eingesetzt. Diese gelangen dann über das Abwasser aufgrund unzureichender Reinigungsleistung der Kläranlagen in die Umwelt. Unklar ist, welcher Eintrag in die Umwelt dadurch entsteht und wo diese Partikel verbleiben. Gleiches gilt für die Freisetzung von synthetischen Fasern beim Waschen in der Waschmaschine. Auch der Reifenabrieb von Pkw und Lkw kann eine Quelle der unerwünschten Plastikteilchen sein. Deshalb messen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Mikroplastikgehalt im Regenwasser von den Straßen Berlins oder in Haushaltsabwässern. Diese Daten können in einer Debatte über den gesellschaftlichen Umgang mit Kunststoffen und Mikroplastik helfen. Gleichzeitig kann sich das neue Messverfahren unter unterschiedlichen Rahmenbedingungen bewähren.

Plastiktypen lassen sich genau charakterisieren

Eine Herausforderung im großflächigen Einsatz des neuen Verfahrens liegt noch in der Zuverlässigkeit bei der Entnahme der Wasserproben. Mikroplastik besteht meistens nicht nur aus einem einzigen Plastiktyp, sondern ist ein Gemisch verschiedener Sorten. Die verschiedenen Kunststoffsorten verhalten sich im Wasser unterschiedlich, einige sinken ab, manche treiben in der Wassersäule, einige schwimmen oben. Es ist sicherzustellen, dass die genommene Wasserprobe auch repräsentativ für das jeweilige Gewässer ist. Beim thermischen Analyseverfahren wird die Umweltprobe so stark erhitzt, dass sämtliche Bestandteile in einzelne Bruchstücke zerfallen. Die TED-GC-MS sammelt diese zunächst auf, trennt sie chromatographisch und weist sie anhand ihres charakteristischen Musters nach. Für die meisten Kunststoffe sind die Zerfallsprodukte genau bekannt. Sie lassen sich dadurch identifizieren und quantifizieren. Das Team hat die TED-GC-MS bereits vor Fachpublikum vorgestellt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten erreichen, dass andere Labore möglichst schnell das Verfahren übernehmen, eigene Messungen durchführen und so die Ergebnisse der BAM bestätigen können. Das Ziel ist ein harmonisiertes Verfahren, das später bei Proben aus Kläranlagen, aus Salz- und Süßwasser, aber auch aus Sedimenten oder Böden anwendbar ist. Nur so wird es möglich sein, Massenbilanzen zu Ein- und Austrägen und deren Verbleib aufzustellen.