Kunststoffpartikel in limnischen Ökosystemen: Vorkommen und Einfluss auf aquatische Organismen
Final Report Abstract
Die Anzahl der Veröffentlichungen über die Belastung von unterschiedlichen aquatischen Systemen mit Kunststoffmüll steigt in den letzten Jahren fast exponentiell an. Besonders besorgniserregend ist die Verschmutzung mit Mikroplastik (MP, 5 mm – 1 µm). Im durchgeführten Forschungsvorhaben konnten wir zeigen, dass die Mikroplastik-Problematik nicht nur für Meere, sondern auch für limnischen Ökosystemen (Fallbeispiel Gardasee, Italien) aktuell ist. Im Rahmen dieses Projekts wurde am IWC-TUM die Raman-Mikrospektroskopie (RM)-basierte Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse von (Mikro)Plastikpartikeln in Sedimenten von aquatischen Ökosystemen entwickelt. Die Methode schließt eine Dichtetrennung verschiedener Sorten und Größenklassen von Plastikpartikeln mittels des „Munich Plastic Sediment Separator“ (MPSS, entwickelt in Kooperation mit Prof. Dr. C. Laforsch, Uni-Bayreuth) und die Identifizierung von Mikroplastik mit einer Ortsauflösung bis zu 1 µm mittels RM ein. Es hat sich herausgestellt, dass die auf RM basierende Methode eine zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung vom Mikroplastik aller Sorten und Größenklassen ermöglicht. Anschließend haben wir RM eingesetzt, um die Kontamination eines subalpinen Sees (Gardasee) mit (Mikro)Plastikpartikeln zu untersuchen. Nach den Ergebnissen unserer Pilotstudie ist der Gardasee ähnlich zu marinen Systemen größtenteils mit PS (45,6%), PE (43,1%) und PP (9,8%) verunreinigt. Anders als bei Megaplastik, Makroplastik und großem Mikroplastik wurden bei den kleinen und sehr kleinen Mikroplastikpartikeln auch Fragmente von nichtschwimmenden Polymeren wie PA und PVC detektiert. Darüber hinaus wurde am IWC-TUM die RM bzw. das 3D-Raman-Imaging eingesetzt und weiterentwickelt, um die Akkumulation von Kunststoffpartikeln in Wasserorganismen und deren Organen zerstörungsfrei zu untersuchen. Es zeigte sich, dass trotz relativ zeitaufwändiger Raman-Messungen und störenden Matrix-Signalen eine eindeutige Lokalisierung von Mikroplastikpartikeln (z. B. PVC) in Wasserorganismen (z. B. im Darm vom Wasserfloh) möglich ist. Unsere neueste Untersuchungen zeigen, dass die limnischen Ökosystemen nicht nur mit (gefärbtem) Mikroplastik, sondern auch mit einem hohen Anzahl an Pigmentpartikel (z. B. von Lacken, Farben und Beschichtungen) kontaminiert sind (Fallbeispiel Gardasee, Italien). Die Analyse der Größenverteilung zeigte, dass vor allem im Bereich unter 500 µm die Anzahl der Plastikpartikel deutlich zunimmt. Die Verteilung des Mikroplastiks erreicht bei ca. 120 µm ein Maximum, wohingegen die Anzahl der Pigmente mit abnehmender Größe weiter steigt. Dies lässt erwarten, dass vor allem Pigmente im sub-Mikrometerbereich bzw. Nanometerbereich existieren können. Im Hinblick auf die aktuellen Zahlen der Kunststoffproduktion in Deutschland, Europa und weltweit ist es zu erwarten, dass die Plastikmüll-Problematik nicht nur für die Weltmeere, sondern auch für Binnengewässer und andere Umweltmedien immer deutlicher wird. Deswegen sollte in der Zukunft grundlegend geklärt werden: i) welche (Mikro)Plastikpartikel in welchen Mengen sich bereits in der Umwelt befinden; und ii) welche Auswirkungen die verschiedenen Plastiksorten und -größen auf unterschiedliche Gruppen von Organismen haben. Dies soll helfen Plastikprodukte mit höherem Gefahrpotenzial zu erkennen und so das Risiko für Natur und Menschen abzuschätzen zu können. Da bis dato noch keine effektiven Vorgehensweisen zur Mikroplastik-Entfernung aus der Umwelt bekannt sind, ist es einerseits wichtig Strategien zur Vermeidung von (Mikro)Plastikmüll zu entwickeln und andererseits die Kontamination der unterschiedlichen Umweltmedien mit (Mikro)Plastik genau zu quantifizieren sowie die Eintragspfade in die Umwelt aufklären zu können. In diesem Zusammenhang sind standardisierte Monitoring-Verfahren nicht nur für Meere, sondern auch für Binnengewässer, Abwasser, Trinkwasser sowie andere Umweltmedien (z. B. Luft, Niederschlagswasser, Boden) dringend erforderlich. Die Entwicklung von automatisierten Raman-Mikrospektroskopie-basierten Verfahren würde es ermöglichen die zuverlässige Quantifizierung von (Mikro)Plastik in der Umwelt zu optimieren und beschleunigen.
Publications
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A Novel, Highly Efficient Method for the Quantification of Plastic Particles in Sediments of Aquatic Environments, Limnology and Oceanography: Methods 2012, 10, 524-537
H. K. Imhof, J. Schmid, R. Niessner, N. P. Ivleva & C. Laforsch
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Contamination of Beach Sediments of a Subalpine Lake with Microplastic Particles, Current Biology 2013, 23, R867-R868
H. K. Imhof, N. P. Ivleva, J. Schmid, R. Niessner & C. Laforsch
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Kunststoffpartikel in Süßwasser, Nachrichten aus der Chemie 2015, 63, 46-50
N. P. Ivleva & R. Nießner
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Pigments and Plastic in Limnetic Ecosystems: A Qualitative and Quantitative Study on Microparticles of Different Size Classes, Water Research, Volume 98, 1 July 2016, Pages 64-74
H. K. Imhof, C. Laforsch, A. C. Wiesheu, J. Schmid, P. Anger, R. Niessner & N. P. Ivleva
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Microplastic in Aquatic Ecosystems. Angewandte Chemie, internat. Ed., 56,7, February 6, 2017, Pages 1720-1739
N. P. Ivleva, A. C. Wiesheu & R. Niessner
