Microplastics in the environment : development of a sample preparation method with further application and evaluation in fluvial and marine compartments

Lechthaler, Simone Elisabeth; Stauch, Georg (Thesis advisor); Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Kunststoffe können über verschiedene Wege in die Umwelt eingetragen, dort transportiert und abgelagert werden. Sie variieren hinsichtlich des Polymers, der Dichte, der Farbe, der Form und der Größe. Bezüglich der Größe wird dabei zwischen Kunststoffen mit einem Durchmesser ≥ 5 mm, sogenanntem Makroplastik, und Kunststoffpartikeln mit einem Durchmesser < 5 mm, sogenanntem Mikroplastik, unterschieden. Gelangt Makroplastik in die Umwelt, degradiert und fragmentiert es dort in Teilen und fungiert somit als eine zusätzliche Quelle für Mikroplastik. Aufgrund zahlreicher Umweltbeprobungen und numerischer Modelle kann der Verbleib von Makro- und Mikroplastik in der Umwelt nachvollzogen werden. Der Eintrag erfolgt ausschließlich anthropogen bedingt und der sich anschließende Transport findet vorwiegend über Fließgewässer statt. Aufgrund der Materialpersistenz akkumulieren Kunststoffe in der Umwelt vorwiegend auf Wasseroberflächen sowie in Böden und Sedimenten, weshalb diese Bereiche als temporäre Senken betrachtet werden. Die finale Senke stellt der Meeresboden dar. Für die Erweiterung des Prozessverständnisses über Akkumulationsbereiche von Mikroplastik in der Umwelt sind weiterführende Umweltbeprobungen von großer Bedeutung. Um zahlreiche Proben effizient, kostengünstig und vor allem dichteunabhängig aufzubereiten, wurde die Separation mit Rapsöl in einer kunststofffreien Trennapparatur weiterentwickelt und anschließend validiert. Hierbei konnte die Methodik als äquivalente Separationstechnik aufgezeigt werden und wurde nachfolgend an Umweltproben aus zwei unterschiedlichen Bereichen angewandt. Mit der Beprobung von marinen Wasseroberflächen und Sediment im Nordostatlantik konnte einerseits die Anwendbarkeit der rapsölbasierten Separationsmethode und andererseits die Belastung des Untersuchungsgebietes mit Mikroplastik aufgezeigt werden, indem die Proben mikroskopisch ausgewertet und Polymere bestimmt wurden. Zusätzlich wurde bezüglich der Wasserproben eine Zunahme der Belastung mit Entfernung zur Küste und somit in Bereichen mit höherer Wassertiefe festgestellt. Als zweiter Anwendungsbereich wurden fluviale Sedimente eines regionalen Fließgewässers in Nordrhein-Westfalen gewonnen und mit der Aufbereitung durch die Öl-Separation sowie nachfolgender Mikroskopie und Infrarotspektroskopie auf Mikroplastik untersucht. Dafür wurden Tiefenprofile in den Flussauen angelegt und zusätzlich Sedimentproben aus dem Flussbett und Oberflächenproben außerhalb des Überflutungsbereiches entnommen. Die Belastung mit Mikroplastik war in den Tiefenprofilen am höchsten, gefolgt von den Flussbettproben und den Oberflächenproben. Bezüglich der Korngröße lagerte sich Mikroplastik vorwiegend in der Feinsedimentfraktion an. Weiterhin wurde erstmalig die Mikroplastikdetektion in einen sedimentären Kontext diskutiert, indem das Vorkommen in Sedimentschichten zur Grundlage für die Bestimmung von Sedimentationsraten genutzt wurde. Zusätzlich konnten erste Zusammenhänge zwischen den Polymeren der abgelagerten Partikel und der Tiefe des Vorkommens gezogen werden: je älter das Polymer war, desto tiefer waren die Schichten, in denen es gefunden wurde. Anhand der Erkenntnis über die zeitliche Verbindung der Mikroplastikablagerung und der zugehörigen Sedimentdeposition kann zukünftig eine Datierungsmethodik für rezente Sedimente entwickelt werden. Die Detektion von Kunststoffen gibt allgemein einen Nachweis über eine Ablagerung nach 1950, da dort die Kunststoffmassenproduktion begonnen und einen umfassenden Umwelteintrag ermöglicht hat. Die in dieser Arbeit vorgestellten Grundlagen hinsichtlich Eintrag, Transport und Akkumulation von Makro- und Mikroplastik in der Umwelt sowie die Methodenvalidierung zur Separation von Umweltproben mit Rapsöl und die Anwendung in marinen und fluvialen Bereichen können zukünftig vielfältig besonders innerhalb der Mikroplastikforschung verwendet werden. Mit der Betrachtung der Mikroplastikdetektion als zeitlicher Marker für Sedimentdeposition ist zusätzlich die Basis für die Entwicklung einer Datierungsmethodik gegeben.

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