Messung von Schadstoffen in Mikroplastik Mikroplastik als Trojanisches Pferd für Schwermetalle

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Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH

Winzige Partikel aus Kunststoff werden im Meerwasser zu gefährlichen Gift-Transportern, weil sie sich mit persistenten organischen Schadstoffen anreichern. Auch Schwermetalle lagern sich auf Plastikpartikeln an und werden so vor einfachen analytischen Nachweisen verschleiert wie in einem Trojanischen Pferd. Ein neues Verfahren soll diese metallischen Schadstoffe nun zuverlässig nachweisen.

Geesthacht – Mikroplastik in der Umwelt ist gleich aus zwei Perspektiven betrachtet ein globales Problem: Zum einen, weil in Laborversuchen gezeigt werden konnte, dass die Plastikpartikel toxisch sein können, und zum anderen, weil die Partikel als Vehikel für den Schadstofftransport in der Umwelt fungieren können. Letzteres liegt an den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Mikroplastiks: Einige Schadstoffe, die man zum Beispiel im Fluss oder im Meerwasser findet, können sich im Plastik anreichern; andere sind bereits herstellungsbedingt im Kunststoff enthalten, sodass die Plastikpartikel einen ganzen Cocktail an unterschiedlichsten Stoffen mit sich führen können. Dabei sprechen die Wissenschaftler vom „Trojanischen-Pferd-Effekt“.

Darüber, welche und wie viele umwelttoxikologisch relevante Metalle sich im Plastik anreichern, gibt es bislang kaum verlässliche wissenschaftliche Untersuchungen. Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG), der Bundesanstalt für Gewässerkunde und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben jetzt ein validiertes mikrowellen-gestütztes Verfahren vorgestellt, mit dem die wichtigsten Kunststofftypen auf die in ihnen enthaltenen Metalle untersucht werden können. . „Mit dem neuen Verfahren können nun über 50 verschiedene Metalle in Mikroplastikpartikeln quantifiziert werden“, sagt Lars Hildebrandt, Erstautor der Studie und Doktorand in der HZG-Abteilung Marine Bioanalytische Chemie

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Säuren und Mikrowellen bringen die Lösung

Das Team um Hildebrandt hat für die Messungen zertifizierte Kunststoff-Referenzmaterialien im Mikroplastikgrößenbereich von bis zu fünf Millimetern verwendet. Bei diesen Materialien wissen die Forscher ganz genau, welche Metalle produktionsbedingt enthalten sind und dementsprechend bei den Ergebnissen erscheinen müssten.

Die Wissenschaftler haben die Materialien mit verschiedenen Kombinationen starker Säuren behandelt und mithilfe von Mikrowellenstrahlung erhitzt, bis sich das jeweilige Material vollständig aufgelöst hat. So haben sie eine geeignete Säuremischung ermittelt, die alle untersuchten Materialien zuverlässig auflöst. Die Proben wurden anschließend mit einem Massenspektrometer untersucht. So ließ sich nachweisen, welche Elemente in welchen Mengen in der Probe enthalten sind.

Mikroplastik-Extraktion aus Umweltproben

Wie kommt man Mikroplastik am besten auf die Spur?

Nachweis von Cadmium, Blei und anderen Metallen

Mit dem neuen Verfahren können in den Mikroplastikpartikeln sowohl die Metalle nachgewiesen werden, die in der Plastikproduktion eingesetzt werden, als auch jene, die aus der Umwelt, beispielsweise aus Meerwasser, an die Partikel gebunden werden. Zum Beispiel wird das Halbmetall Antimon oft als Katalysator für die Produktion von PET eingesetzt und ist dementsprechend im Plastik selbst zu finden. Schwermetalle wie Cadmium und Blei, die für viele Organismen giftig sind, können ebenfalls durch die Produktion enthalten sein, aber auch aus der Umwelt an die Oberfläche der Partikel gebunden werden.

Mit Tee-Eiern auf Schadstoffsuche gehen

In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler gezielt Mikroplastikproben im Elbe-Ästuar und an bestimmten Stellen des Flusses ausbringen. An einem Gestell sollen Behälter ausgebracht werden, die man sich vereinfacht wie spezielle Tee-Eier vorstellen kann. In diesen befindet sich das Probe-Material. „Uns interessiert, welche Metalle sich aus dem Wasser an die Oberfläche des Plastiks binden, Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang von ‚Sorption´. Dann werden wir in regelmäßigen Zeitintervallen Proben entnehmen, um mit unserer neuen Methode die Konzentrationen im Plastik zu messen und somit die Anreicherung im Zeitverlauf zu untersuchen“, erklärt Hildebrandt die nächsten Forschungsschritte.

Der in der aktuellen Studie vorgestellte Ansatz wurde bereits genutzt, um Metall-markierte Nanoplastikpartikel in einem Testsystem zu verfolgen (siehe weiterführende Literatur).

Originalpublikation: Hildebrandt L, von der Au M, Zimmermann T, Reese A, Ludwig J, Pröfrock D: A metrologically traceable protocol for the quantification of trace metals in different types of microplastic , PLoS ONE 15(7), 2020. DOI: 10.1371/journal.pone.0236120

Weiterführende Literatur: Hildebrandt L, Mitrano DM, Zimmermann T and Pröfrock D : A Nanoplastic Sampling and Enrichment Approach by Continuous Flow Centrifugation , Front. Environ. Sci. 8:89. DOI: 10.3389/fenvs.2020.00089

* G. Seidel, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung, 21502 Geesthacht

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