Mikroplastik in Böden schnell und genau nachweisen: BAM-Forschern gelingt Analyse und Identifizierung von Kunststoff­partikeln in Bodenproben mittels NIR-Spektroskopie

21. Januar 2019

Mikroplastik in Böden schnell und genau nachweisen

BAM-Forschern gelingt Analyse und Identifizierung von Kunststoff­partikeln in Bodenproben mittels NIR-Spektroskopie

Untersuchung von Bodenproben nach Mikroplastik

Untersuchung von Bodenproben mittels NIR-Sonde & Entscheidung über den Mikroplastikgehalt durch multivariate Datenanalyse der NIR-Spektren. Quelle: BAM, Fachbereich Prozessanalytik

Mikroplastik findet sich fast in jedem Ökosystem, in Wasser, Luft und Böden. Dennoch fehlen genaue Kenntnisse über die tatsächlichen Mengen und seine Verteilung. Die Ursachen dafür liegen sowohl in der Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung von Mikroplastik und den natürlich vorkommenden organischen Verbindungen als auch an dem relativ geringen Massenanteil im sub-Prozentbereich.

Derzeit gibt es kein schnelles und zerstörungsfreies Verfahren, das im benötigten Umfang die Abschätzung des Mikroplastikanteils in einer natürlichen Matrix gewährleistet. Thermogravimetrische Methoden (TED-GC-MS) ermöglichen bereits die Quantifizierung mit einem guten Durchsatz, haben aber den Nachteil, dass nur relativ kleine Probeneinwaagen untersucht werden können. Mikrospektroskopische, Infrarot- und Raman-basierte Verfahren werden ebenfalls zur Untersuchung und Quantifizierung von Mikroplastik eingesetzt und ergeben zwar sehr detaillierte Informationen zu Anzahl, Größe, Form, Polymersorte und Alterungsgrad, sind jedoch zeitaufwendig bezüglich Anreicherung, Präparation und Auswertung.

Diese Arbeit stellt ein Nahinfrarot-basiertes Verfahren vor, das über die Verwendung eines Prozessspektrometers mit faseroptischer Reflexionssonde die Untersuchung von Bodenproben im Gramm-Maßstab innerhalb weniger Minuten bei minimaler Vorbehandlung (Homogenisierung, Trocknung) gestattet. Kernstück dieser Methode ist die multivariate Analyse der gewonnenen spektralen Information. In einer hierarchischen Vorgehensweise wird zunächst mit einem chemometrischen Modell getestet, ob eine Bodenprobe Mikroplastik enthält oder nicht. Mit einem zweiten Modell kann dann nach den häufigsten Kunststoffen wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyethylenterephthalat (PET) gesucht werden.

Während die Beurteilung neuer Proben instantan nach der Messung möglich ist, erfordert die Kalibrierung der Modelle einen höheren Zeitaufwand. Hierzu kamen u. a. ein BAM-Referenzmaterial sowie weitere gravimetrisch erstellte Mikroplastik-Bodenmischungen unter Nutzung gezielt gefertigter Kunststoffpartikel <125 µm zum Einsatz.

Im Ergebnis dieser Arbeit gelang es, sowohl an gefertigten Mischungsproben, als auch an realen Kompostproben und unbekannten Böden Mikroplastik-Gehalte bis zu 0,5 % richtig zu erkennen und in der Mehrzahl ebenfalls die vorliegenden Polymere zu identifizieren.

Publikation:

High-throughput NIR spectroscopic (NIRS) detection of microplastics in soil
Andrea Paul, Lukas Wander, Roland Becker, Caroline Goedecke, Ulrike Braun
Environmental Science and Pollution Research, 2018, pp 1–11

 

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