Artikelserie Mikroplastik Mikroplastikanalytik: Was bin ich, und wenn ja wie viele

Ein Problem zu mindern, im Optimalfall zu lösen, erfordert es so genau als möglich zu durchschauen. So ist es auch beim Thema Mikroplastik. Doch Detektion, Quantifizierung, Probenvorbereitung und die Wahl der richtigen Analysemethode ist hier alles andere als einfach. Wie steht es also um eine kontinuierliche Mikroplastikanalytik?

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Mikroplastik: Jeder kann es sehen, wenn es da ist. Doch eine Norm oder Handlungsvorschrift für die Mikroplas­tikanalytik, die eine Methode beschreiben würde, die nachweislich in allen Umweltkompartimenten die Detektion von Mikroplastik ermöglicht, gibt es bislang nicht. Doch auch hier gilt, wie in den beiden vorangegangenen Teilen dieser Artikelserie bereits dargelegt: Wenn viele Menschen über ein Thema sprechen, die Gesellschaft sich für ein Thema interessiert und die Forschung hinterherhinkt, dann werden Forschungsgelder bereitgestellt, um das Problem zu lösen oder die Wissenslücke zu schließen.

Dass Analytiker immer noch nicht die richtige Methodik zur Detektion von Mikroplastik zur Hand haben, liegt daran, dass Mikroplastik ein Vielkunststoffgemisch ist. Es liegt eben nicht nur als ein Polyethylen, Polyamid oder Polyester vor, sondern es sind viele Polyethylene, viele Polyamide und viele Polyester, aus denen sich Mikroplastik zusammensetzt. Schätzungsweise gibt es rund 2000 verschiedene Polyethylene von LDPE, MDPE, HDPE, UHMWPE bis LLDPE und unfassbar viele Verarbeitungsarten und somit unterschiedliche Zusammensetzungen.

Wir reden also von einer komplexen Mikroplastikmatrix, die sich nicht so einfach mit einer Einzel-Polymer­analytik detektieren lässt, die man bereits kennt. Hinzu kommen übliche Probleme, die auftreten, wenn in Umweltsystemen gearbeitet wird und nicht in abgeschlossenen Produktionsanlagen, als da wären: Reproduzierbarkeit bei der Probenentnahme, Aufbereitung und Messung der Proben.

Dem Mikroplastik-Problem auf den Grund gehen: Probennahme

Die Hauptschwierigkeiten bei der Probenahme sind Repräsentativität und Integrität. Erstens sind die Mikroplastikpartikel nicht homogen in der Wassersäule verteilt, sondern hängen von den Mikroplastik-Eigenschaften (Dichte, Form, Größe) und Umgebungsvariablen (Art des Wassers, Ströme, Wellen) ab. Weiterhin kann davon ausgegangen werden, dass die Ergebnisse sehr stark von der Stichprobenmethode abhängig sind und genau darüber besteht kein verfahrenstechnischer Konsens.

Drei Ansätze – Netze, Siebe oder Pumpen – werden häufig verwendet. Die Stichprobenmethoden zur Bestimmung von Mikroplastik in Meeren und Oberflächengewässern sind nahezu identisch. Am gebräuchlichsten ist die Oberflächenprobenahme mit Neuston-Netzen, da große Wasservolumina schnell entnommen werden können [1]. Eine Studie zum Vergleich verschiedener netzbasierter Probenahmegeräte mit unterschiedlichen Maschengrößen, einschließlich Bongo-Netzen (> 500 μm), Manta-Netzen (> 300 μm) und Plankton-Netzen (> 200 und > 400 μm), mit der Filtration von Stichproben (0,45 μm) stellte fest, dass die Mikroplastik-Konzentrationen unter Verwendung von netzbasierten Methoden etwa drei Größenordnungen unter denen lagen, die durch Fil­tration von 1-Liter-Stichproben erhalten wurden [2].

Die Maschengröße stellt somit einen kritischen Punkt dar, der die Mindestgröße und die Anzahl der nachgewiesenen Mikroplastik-Partikel bestimmt. Darüber hinaus umgehen synthetische Fasern und Partikel (wie Nanokunststoffe) mit Abmessungen < 25 μm diese Vorrichtungen leicht [3].

Hier finden Sie den ersten Teil unserer Artikelserie zum Thema Mikroplastik, der sich mit der Frage befasst, wie Citizen Science Einfluss auf die Forschung nehmen kann:

Citizen Science

Mikroplastik & Citizen Science: Wenn die Öffentlichkeit die Forschung lenkt

Eine allgemeine Studie unter Verwendung von Netzen unterschiedlicher Größe zeigt, dass die Verwendung von Netzen geringerer Maschengröße die Mikroplastikkonzentrationen im Gewässer/Wasser verringern, gleichzeitig wurde jedoch eine steigende Verstopfungsgefahr durch organische und mineralische Schwebstoffe beobachtet. Es ist von daher notwendig, dass das durch die Netze fließende Wasservolumen reproduzierbar reduziert wird [4] [5]. Die Multiplikation der Anzahl der Proben könnte in diesem Fall eine Lösung zur Erhöhung der Repräsentativität der Proben sein.

Alternativ kann die Verwendung von Filterkaskaden die Matrixbelastung der kleinen Maschengrößen reduzieren und auch zu einer Größenfraktionierung während der Probenahme führen [3].

Die Probenahme in der Wassersäule erfolgt durch direkte Filtration des Wassers mit Teflon-Tauchpumpen, Entnahme von Batch-Proben oder Plankton- oder Bongo-Netzen, wurde jedoch nur gelegentlich gemeldet [6]. Die Probenahme in den Kläranlagen wird mit Pumpenfiltrationsgeräten, Batch-Proben, oder 24-h-Composite-Proben durchgeführt [7]; [8]; [9]; [10]; [11]; [12]; [13].

Ein hochvolumiges Probenahmegerät, das Mikroplastik in situ unter Verwendung verschiedener fraktionierter Maschenöffnungen aufnehmen kann, kann große Mengen verschiedener Arten von Wasser verarbeiten (Umkehrosmoseproben bis zu 200 l, Primärabwasser zwischen 16 und 100 l) [14].

Bislang wird Trinkwasser an der Entnahmestelle entnommen und im Labor gefiltert oder direkt durch 3 μm Edelstahlpatronenfilter in Filtergehäusen gefiltert. Diese Proben werden immer durch Filter mit kleiner Porengröße (0,2 bis 3 μm) geleitet, im Gegensatz dazu können auch andere Probentypen mit mehrstufiger Filtration durch absteigende Maschengröße eingesetzt werden, um das gesamte Probenvolumen ohne Verstopfung durch den Filter zu leiten [15]; [16]).

Obwohl einige Probenahmemethoden bereits gut etabliert sind und ihre Vor- und Nachteile diskutiert wurden, fehlt es absolut an standardisierten Methoden oder Richtlinien für die Probenahme von Wasser für Mikroplastik [17]; [18].

Insbesondere die Verwendung unterschiedlicher Maschengrößen erschwert den Vergleich der verfügbaren Überwachungsdaten. Ein weiteres Problem der Mikroplastik-Analyse, die mit der Probenahme beginnt, sich aber durch alle verbleibenden Prozesse schleicht, sind Kontaminationen durch Ablagerungen von Mikroplastik aus der Atmos­phäre und aber durch die Probenahme selbst, durch Labormaterial oder Bedienerkleidung.

Eine Frage, viele Meinungen: Der zweite Teil dieser Artikelserie befasst sich mit der Frage: Mikroplastik, was ist das eigentlich?

Artikelserie Mikroplastik

Eine Frage, viele Meinungen: Mikroplastik, was ist das?

Viele Studien haben sich mit dem Problem befasst und Empfehlungen zur Vermeidung von Kontaminationen gegeben, die vier Aspekte abdecken:

• Verhinderung des Mikroplastikseintrags durch Kleidung,

• konsequente Reinigung des Materials,

• Schutz der Proben gegenüber Licht und Luft

• Vergleich von Probenahme und Laborproben (Blank-Messungen).

Obwohl es sich um ein weit verbreitetes Thema handelt, besteht zwischen den verschiedenen Studien, kein Konsens in der Durchführung und Auswertung. Eine Vergleichbarkeit ist nicht gegeben [19].

Aus dem Netz ins analytische Gerät

Die in den Netzen und Sieben isolierten Mikroplastikpartikel werden üblicherweise mit Wasser (der sog. reduzierten Probe) in Glasflaschen überführt. Die reduzierten Proben oder die Greifproben müssen weiter behandelt werden, um das Mikroplastik zu isolieren. Zunächst werden die Proben erneut unter Verwendung von Edelstahlsieben oder Glasfaserfiltern filtriert [19]; [20]. Bei Stichproben ist die Porengröße des Filters sehr wichtig, da diese Größe die Untergrenze der isolierten Mikroplastik-Partikel bestimmt, während bei reduzierten Proben die isolierte Mikroplastik-Untergrenze bereits durch die Netzgröße festgelegt ist [2]. Der nächste Schritt besteht darin, die Mikroplastikpartikel von anderen potenziellen Interferenzen zu unterscheiden, beispielsweise von organischer Substanz, die leicht mit Mikroplastik verwechselt werden kann.

Somit minimiert die Trennung von Mikroplastikpartikel von natürlichem organischem Material (NOM) die eigentliche Mikroplastikfracht, zusätzlich können eine falsche Identifizierung oder Unterschätzung der Mikroplastikmenge bezogen auf die Entnahmemenge das Ergebnis verfälschen. Die Trennung erfolgt in der Regel durch Oxidation der organischen Substanz und/oder durch Dichtetrennung.

Bisherige Studien haben ebenfalls Lücken, wie z.B. das Fehlen systematischer Studien, die die Effizienz der verschiedenen Methoden vergleichen und Leitlinien und etablierte Protokolle anbieten [17].

Viele der Studien enthalten weiterhin keine Informationen zu den Validierungsparametern wie Wiederfindung, Linearität, Genauigkeit oder Empfindlichkeit oder Vergleich mit anderen Methoden. Weder die Entwicklung von Referenzmaterialien noch ein Konsens über die als Analysestandards verwendeten Materialien wurde erzielt.

Laut aktueller Recherchen wurden in nur einer Studie Dichtetrennungsmethoden (unter Verwendung von Zucker, Olivenöl und ZnCl₂) und Abbaumethoden für organische Substanzen (Oxidation von feuchtem Wasserstoffperoxid) sowie die Anwendung von BEPP (basic enzymatic purification protocol) verglichen, um die Wirksamkeit, die wirtschaftlichen Kosten, den Zeitaufwand, die Einfachheit und die Qualität zu bewerten und die Gesamtmasse des gewonnenen Polymers zu bestimmen [21]; [22]. Die ZnCl₂-Dichtetrennung, Nassper­oxidoxidation, BEPP + Nassperoxid­oxidation und BEPP erwiesen sich als die effizienten Methoden (> 90%).

Unter den Methoden, bei denen organische Substanzen abgebaut wurden, waren die Oxidation von feuchtem Peroxid und die Kombination mit einem BEPP effizienter als das BEPP allein. Wie sich bei der Überwachung von Mikroplastik in Wasser beobachten lässt, gibt es eine breite Palette von Analysemethoden [22].

Viele weitere Studien zum Vergleich der bisher vorgeschlagenen Extraktionsmethoden sind erforderlich, um eindeutige Protokolle zu erstellen und deren Vorteile und Fallstricke zu kennen. Es bleibt spannend im Bereich Probenaufbereitung und Methodik.

Im nächsten Teil dieser Artikelserie werden verschiedene Methoden zur Detektion und Quantifizierung von Mikroplastik genauer vorgestellt.

Literaturverzeichnis

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* M. Sturm, Dr. K. Schuhen, Wasser 3.0, 76187 Karlsruhe

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