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Detektivarbeit: Küstenforscher auf der Spur des Mikroplastiks

Ein großes Problem für unsere Ozeane bildet Plastikmüll: Bereits mehr als 5,25 Billionen Kunststoffpartikel schwimmen in den Weltmeeren. Nach Schätzungen sollen etwa 14 Prozent des in den oberen Wasserschichten befindlichen Kunststoffmülls Mikroplastikpartikel sein. Mit neuen Messinstrumenten und verbesserter Analytik arbeiten Hereon-Küstenforscher an einer standardisierbaren Methode zur Messung dieses Mikroplastiks. Wie viele Teilchen exakt vorhanden sind und um welche Kunststoffe es sich dabei handelt, soll mit der neuen Methodik weitaus schneller und effektiver bestimmt werden. Denn noch weiß man zu wenig über die Gefahren des feinen Plastikmülls für Umwelt und Mensch.

Mikroplastik-Teilchen, Pulver Granulat, Zylinder, Kollage

Foto: Hereon/ Lars Hildebrandt

Mikroplastikpartikel sind nicht größer als ein halber Zentimeter, können bis zu einem Mikrometer klein sein, damit sind sie 50 bis 80-mal kleiner im Durchmesser als ein Haar dünn ist. Sie entstehen zum Teil durch Zerkleinerung größerer Plastikteile im Meer oder gelangen durch Abwässer in die Flüsse und darüber in die Ozeane. Weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die alarmierende ökologische Allgegenwärtigkeit und Langlebigkeit von Kunststoffpartikeln nachgewiesen. Jedoch sind die Ergebnisse vieler Studien nur bedingt vergleichbar, sodass aktuell die Gesamtsituation kaum verlässlich abzuschätzen ist.

„Unter anderem auf europäischer Ebene wird es künftig hoffentlich neue analytische Richtlinien und gesetzliche Maßnahmen geben, um den Anteil des Mikroplastiks in den Weltmeeren zu überprüfen und die Gefährlichkeit der Stoffe richtig abzuschätzen“, erklärt Hereon-Doktorand Lars Hildebrandt. „Für vergleichbare Daten sind aber genaue, zeiteffiziente und robuste analytische Arbeitsabläufe und Techniken zur Erfassung des Mikroplastiks dringend erforderlich – bislang werden noch zu viele unterschiedliche Methoden verwendet.“ So kommt es oftmals vor, dass natürliche Partikel, wie etwa Sandkörner, visuell als Plastikteilchen identifiziert werden. Falsche Ergebnisse entstehen auch durch ungeeignete Methoden zur Probenahme und Probenaufarbeitung im Labor, dies stellt ein weiteres immenses Problem dar.

Um das in der Umwelt vorkommende Mikroplastik sicher, valide und zeitsparend zu messen, entwickelt Lars Hildebrandt gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Marine Bioanalytische Chemie automatisierbare Methoden zur Probennahme und Partikelmessung.

Woher stammt das Mikroplastik?

Foto: Christopher Vega via Unsplash

Es entsteht durch Zerfall größerer Plastikteile, etwa durch Sonneneinstrahlung, Hitze, mechanischen Abrieb und biologischen Abbau größerer Abfallteile im Meer. Andere Quellen sind die Kunststoffindustrie sowie feine „Schleifpartikel“ aus Kosmetika oder aus Funktions- und Alltagskleidung, die in Waschmaschinen durchgewalkt wird. Mikroplastik entsteht auch beim Abrieb von Styropor-Dämmplatten und Reifen, den Regen ins Abwasser spült. Da Kläranlagen Mikroplastik nicht völlig aus dem Wasser entfernen können, gelangt einiges davon in Flüsse und schließlich in die Ozeane.

Erster Schritt war es, ein Gerät zur Gewinnung der Partikel aus dem Meer zu entwickeln: Die Forschenden nutzen für eine Probennahme auf der Fahrt mit dem Forschungsschiff SONNE im Indischen Ozean und auf der LUDWIG PRANDTL in der Elbmündung erstmals den „Geesthacht Inert Microplastic Fractionator“ (GIMPF). Das Gerät nutzt zwei Edelstahlkerzenfilter, um aus Meerwasser Partikel zweier Größenklassen abzutrennen. Partikel größer als 300 Mikrometer und zwischen 10 und 300 Mikrometern können so aus großen Wassermengen angereichert werden. Die Partikel werden anschließend im Labor analysiert.

„Mikroplastik ist so allgegenwärtig, dass Gefäße, Geräte, aber auch zum Beispiel Handschuhe, der Staub in der Luft und Kleidung als Partikelquelle fungieren können. Um sicherzugehen, dass nur das Mikroplastik aus der Probe gemessen wird, haben die Mikroplastik-Analytiker Labore und Instrumente entsprechend präpariert und zum Beispiel den GIMPF vollständig aus Edelstahl und Aluminium gefertigt“, erklärt Masterstudent Fadi El Gareb, der 2019 an Bord der SONNE gemeinsam mit Professor Kay-Christian Emeis, Institutsleiter in der Küstenforschung, die Probennahme durchgeführt hat. Um die Kontamination zu minimieren, wurden alle Arbeiten in kleinen, mobilen Clean Benches durchgeführt, die mit speziellen Filtern ausgerüstet sind, sodass die einströmende Luft kontinuierlich von Partikeln befreit wird. Glasbehälter wurden zuvor mit gefiltertem Alkohol gespült, Dichtungen mit Teflon ummantelt sowie nach jeder Probennahme die Filter und alle anderen Geräte aufwendig gespült.

Danach geht es an Land weiter: Dort werden die Partikel mit optischen Methoden untersucht, doch zuvor müssen störende natürliche organische und anorganische Bestandteile durch eine enzymatisch-chemische Behandlung und ein physikalisches Verfahren aus der Probe entfernt werden.

Für die anschließende Detektivarbeit haben die Wissenschaftler ein weiteres neues Verfahren angewandt: Sie haben eine spektroskopische Methode weiterentwickelt, mit der sich die verschiedenen Kunststoff-Typen sicher und schneller identifizieren lassen. Lars Hildebrandt: „Die Proben haben wir mit einem neuen Quantenkaskadenlaser untersucht. Der Laser beleuchtet die Proben mit Infrarotlicht und analysiert die Absorption des Lichts durch die Partikel. Die verschiedenen Teilchen reflektieren auf unterschiedlichen Wellenlängen verschieden stark, abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung. So wird eine Art molekularer Fingerabdruck einzelner Partikel bestimmt.“ Neu an dieser Methode ist zum einen die sehr schnelle Infrarotlaserquelle, die eine Sekunde für die Erzeugung eines Spektrums benötigt, was bei klassischen Instrumenten über 30 Sekunden dauerte. Zum anderen erfolgt die Auswertung der Spektren in einem automatisierten Prozess, sodass die Forschenden nicht mehr, wie bislang üblich, die Spektren mit dem bloßen Auge mit einer Substanz-Datenbank vergleichen müssen.

„Das neue Verfahren ist viel schneller und leistungsfähiger als die traditionelle Infrarot-Spektroskopie und kann deshalb in der gleichen Zeit weitaus größere Mengen von Partikelproben analysieren“, erklärt Hildebrandt. Die vollautomatische Analyse von 800 Partikeln und der Vergleich der erzeugten Spektren mit der Datenbank dauern etwa eine Stunde. Zum Vergleich: Das bislang übliche Auswerten kann sich über Tage hinziehen und die Fehlerquote ist höher, da die subjektive Zuordnung der Spektren vom jeweiligen Wissenschaftler abhängt.

Bis ihre endgültigen Ergebnisse vorliegen, benötigen die Wissenschaftler des Hereon noch ein wenig Zeit für die Auswertung. Außerdem werden im Dezember und März zwei weitere große Forschungskampagnen mit dem GIMPF im Atlantischen Ozean folgen. Denn noch immer ist nicht abschließend geklärt, welchen Schaden Mikroplastik für Mensch und Umwelt bewirken kann. Die Frage „Wie viel Mikroplastik befindet sich in der Umwelt?“ kann ebenfalls nicht beantwortet werden. Es fehlen Daten und einheitliche Bewertungskriterien, wie viel Mikroplastik die Umwelt verträgt, beziehungsweise welche möglichen biologischen Effekte entstehen. Die neuen Methoden der Geesthachter Mikroplastik-Detektive könnten helfen, darauf Antworten zu erhalten.


Autorin: Heidrun Hillen (Hereon)
Erschienen in der in2science #10 (Dezember 2020)