BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt Quellen Senken Lösungsansätze - Statuskonferenz
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BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt Quellen • Senken • Lösungsansätze Statuskonferenz 09./10.04.2019, Kalkscheune, Berlin Steffen Krause, Annett Mundani, Natalie Wick, Christian Schaum in Zusammenarbeit mit dem PLASTRAT-Team
Idee von PLASTRAT
Nutzungspraktiken
privater Haushalte
Eintragspfade
Elimination
Bewertungs-
system
Degradation und
stoffliche Dynamik
Wirkungs- und
Gefährdungsanalyse
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 2
Nutzungspraktiken/Verbraucherverhalten
► Konsum als Prozess
Die Nutzung von Produkten (hier Hygieneprodukte, Fleece-Textilien,
Hundekotbeutel) ist eingebunden in einen Konsumprozess mit mehreren Phasen.
Umweltbelastende Einträge können in verschiedenen Phasen des
Konsumprozesses entstehen bzw. beeinflusst werden:
Auswahl Kauf Anpassung Nutzung / Pflege / Entsorgung
Verbrauch Reparatur
► Handlungsalternativen können an unterschiedlichen Phasen ansetzen
– Kauf und Nutzung eines vergleichbaren Produkts aus anderem Material
– Kauf und Nutzung eines anderen Produkts
– Geänderte Praktiken der Nutzung / Pflege / Entsorgung
– Verzicht auf die Nutzung des Produkts
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Defizitanalyse bestehender Güte-,
Material- und/oder Prüfsiegel
► Vorgehensweise
Materialien,
Prüfverfahren Endprodukte, Typ des
1. Recherche Siegel Umweltzeichens
oder Produktgruppen,
2. Auswahl von Siegeln zur Analyse Siegelvergabe mit oder ohne (I-III)
anhand von Auswahlkriterien Verpackung
3. Analyse der Siegel anhand von
Analysekriterien Umwelt-
Überprüfung der
4. Defizitanalyse der Siegel anhand von wirkungen und Phasen des
Gebrauchs-
Stoffeigen- Lebenszyklus
inhaltlichen Kriterien tauglichkeit
schaften
► Kernergebnisse
Nur drei der untersuchten Siegel betrachten den kompletten Lebenszyklus des Produktes.
Kein Siegel beschäftigt sich explizit mit den Auswirkungen von Plastik auf limnische
Systeme.
Grundsätzlich sind vielfältige Ansatzpunkte für ein mögliches Gütezeichen vorhanden!
Ziel: Minimierung der schädigenden Auswirkungen
von Plastikeinträgen in Fließgewässern
Siegel: Ausschluss von Additiven/Additivgruppen
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Bewertungsverfahren/Gütesiegel
► Potentielle Bewertungsdimensionen des multikriteriellen Bewertungskonzeptes
für Kunststoffe hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit für limnische Systeme
Herstellung/ Nutzungspraktiken/ Degradation/ Elimination
Eintragspfade
Produktion Anwendungen stoffliche Dynamik (KA-Technik)
Human- und Nutzen für
Nutzen für die Nutzen für
ökotoxikologische Verbraucher/ u. v. m.
Gesellschaft Unternehmen
Effekte Anwender
Stakeholder-Dialog
Identifikation adressatenspezifischer Bedürfnisse und Anforderungen bezogen auf
ein Gütesiegel und handlungsfeldbezogene Strategien
produktgruppenbezogene und ggfs. Produktfeld übergreifende Stakeholder-
Workshops
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Idee von PLASTRAT
Nutzungspraktiken
privater Haushalte
Eintragspfade
Elimination
Bewertungs-
system
Degradation und
stoffliche Dynamik
Wirkungs- und
Gefährdungsanalyse
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Eintragspfade und Elimination
Ad- / Desorption
► Pellets aus 12 verschiedenen Kunststoffen für Versuche an 6 Stufen einer
Kläranlage ausgewählt
► Exposition der LDPE-Pellets für 75 Tage
POP-Sorptionsfähigkeit: LDPE >> PP > PS > PET*
* nach Ergebnisse von PLASTOX (JPI Oceans)
► kein Nachweis von PCBs (32), HCH (5) und DDT (6)
► Nachweis von PAK in allen Pellets an allen Stellen
Quelle: ELW
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Eintragspfade und Elimination
Probenahme an Kläranlagen
► Entnahme von zeitproportionalen 24h-Mischproben mittels Schlauchpumpe
in Edelstahl-Tank 1 m³
► Umwälzen des Tanks und Filtration über Filterkaskade im Saugbetrieb
Saugpumpe,
getaktet
500 µm 50 µm 10 µm
Zu beprobendes Abwasser
100 µm (20 µm)
Wasserzähler Rückschlagventil
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Aufbereitung von Klärschlammproben
► Ziel
– Hygienisierung und Reduktion der organischen Substanz ohne Mikroplastik
zu zerstören Fenton-Reaktion
► Ergebnisse
– erreichte CSB-Reduktion > 80 %
– deutliche Verbesserung der Filtrierbarkeit
für 50 mL Faulschlamm < 1 min. statt 100 min.
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AFS als Begleitparameter in der
Mikroplastik-Untersuchung
► abfiltrierbare Stoffe (AFS) als Maß für den Partikelgehalt
► Basis für das Aufzeigen möglicher Korrelationen und für die Papier- und
Übertragung von Ergebnissen Glasfaserfilter
► Nach DIN 38409-2 ist die Ermittlung von AFS mit verschiedenen Unterdruck
Filtern möglich (Material, Porenweite). DIN EN 872 legt den Einsatz
von Glasfaserfiltern fest.
Prüfung der Vergleichbarkeit der Befunde
KA 1 KA 2 KA 3
600 400 800
500 700
AFS [mg/l]
Zulauf VK
300 600
400 500
300 200 400
200 300
100
0
100
0
200
100
0
Membranfilter
300 300 300 Überdruck
250 250 250
AFS [mg/l]
Ablauf VK
200 200 200
150 150 150
100 100 100
50 50 50
0 0 0
5 5 5
4 4 4
AFS [mg/l]
Ablauf NK
3 3 3
2 2 2
1 n.a. 1 n.a. 1 n.a.
0 0 0
Papierfilter, PF Glasfaserfilter, GF-1,0 Membranfilter, MF Min~Max
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 10Aufbereitung und Analyse
► Weitere Probenaufbereitungsschritte
– eine Dichteseparation mit Natriumpolywolframat
► Analyse
– Automatisierung der Partikelerkennung und Raman-
Mikroskopie durch Entwicklung der GEPARD-Software
(OPEN SOURCE und frei verfügbar
https://gitlab.ipfdd.de/GEPARD/gepard )
Ivar do Sul 2018
– halbautomatische Auswertung der Raman-Messungen
mit Programm TrueMatch
► Ergebnisse
– erste Analysen für Klärschlämme zeigen eine extrem
hohe Partikeldichte, die zu Messzeiten von ca. einer
Woche pro Probe bei Erfassung aller Partikel > 10µm
führen
– Entwicklung eines Verfahrens (Gerätes) zur
Aliquotierung der Proben
10 x 10 mm Si-Filter; Porengröße 50 µm;
– GEPARD ermöglicht statistisch abgesicherte Analyse ca. 11.000 identifizierte Partikel davon 23
Kunststoff; Messzeit 11,7 h (ipf 2018)
einer Teilmenge der zuvor identifizierten Partikel
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 11Idee von PLASTRAT
Nutzungspraktiken
privater Haushalte
Eintragspfade
Elimination
Bewertungs-
system
Degradation und
stoffliche Dynamik
Wirkungs- und
Gefährdungsanalyse
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 12Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
atmosphärisch, aquatisch
Szenarien UV-C, UV-A/B, Taglicht
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
Polyethylene PE (virgin & Rezyklat)
Polyethylenterephthalat PET (virgin & Rezyklat)
Polyvinylchlorid PVC (virgin & Rezyklat)
Stärkeblend-Ecoflex
Polybutylensuccinat PBS
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 13Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
atmosphärisch, aquatisch
Szenarien UV-C, UV-A/B, Taglicht
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
- Analyse der Additive
Charakterisierung - Leaching der Materialien
- öko- und humantoxikologische Analyse der
Leachate
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 14Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
Szenarien
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
nachgewiesene Additive im Untersuchung gealtertes Material:
Ausgangsmaterial: - Nachweis von Oxidations-
- sekundäre und primäre Anti- produkten an Oberfläche
oxidantien mit ATR-FTIR
- Weichmacher, Gleitmittel - keine Veränderungen der
- UV-Absorber, Stabilisatoren Bulkeigenschaften mittels
- Monomere, Oligomere Pyrolyse-GC-MS nachweisbar
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 15Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
Szenarien
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
Leachate nach aquatischer Bewitterung mit UV-C Strahlung
Aktivität PET PET-R PVC-V PVC-R Stärkeblend PBS
Anti-Östrogen1 ?
Anti-Androgen1 ?
Dioxin-ähnlich1 ?
Basistoxizität2 ?
Oxidativer Stress3 ?
Gentoxizität4 ? ?
In-vitro Testung: 1Hefe-basierte Reportergenassays, 2Mikrotox-Assay, 3AREc32-Assay, 4umuC-Test
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 16Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
Szenarien
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
Gentoxizität von Leachaten nach aquatischer Bewitterung
Stärke
PET PET-R PBS PE PE-R PP PS
blend
dunkel
UV-A/B
UV-C
UV-A/B
in H2O
umuC-Test: In-vitro Testung mit Salmonella typhimurium
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 17Stoffliche Dynamik und
Wirkungsanalyse
Szenarien
Ausgangsmaterial Degradation gealtertes Material
Testung von 11 Antioxidantien
Ionol Vulkanox Vulkanox Vulkanox Hostanox
Wirkpotential PBN PBN PAN PAR 24P
(10 µg/L) (750 µg/L) (1000 µg/L) (1000 µg/L) (1000 µg/L)
Östrogen1
(ng E-EQ/L)
Anti-Östrogen2
(mg OHT-EQ/L)
Anti-Androgen2
(µg Flu-EQ/L)
Dioxin-ähnlich1
(µg b-NF-EQ/L)
1ER CALUX Assay; 2Hefe-basierte Reportergenassays
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 18Ausblick
► Analytik
– Weiterentwicklung der Probenaufbereitung
► Eintragspfade und Elimination
– Anwendung der Methodik
► Stoffliche Dynamik
– DSC-TGA-FTIR (intrinsische Veränderung der Matrix)
– Fortsetzung der Freisetzung (verschiedene Extraktionsmittel)
– toxikologische Bewertung der Extrakte
– Fortführung der Ad- / Desorptionsversuche an anderen Stoffgruppen
► Bewertungsverfahren
– Stakeholder-Workshops
BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 19www.plastrat.de Universität der Bundeswehr München: C. Schaum, S .Krause, A. Mundani, N. Wick, L. Broß Bundesanstalt für Gewässerkunde: T. Ternes, G. Dierkes, P. Schweyen, T. Lauschke Goethe-Universität Frankfurt: J. Oehlmann, U. Schulte-Oehlmann, K. Klein ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung: I. Stieß, M. Winker, C. Völker, H. Kerber, E. Schramm, L. Raschewski IWW Rheinische Westfälisches Institut für Wasserforschung gGmbH: H. Pannekens, K. Wencki, N. Sips aquadrat ingenieure GmbH: T. Günkel-Lange inge GmbH: C. Staaks, C. Pfister Leibniz-Institut für Ostseeforschung: M. Labrenz, J. Ivar do Sul Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.: D. Fischer, F. Fischer TU Darmstadt: L. Schebek, K. Sakaguchi-Söder, M. Gottschling BMBF-Forschungsschwerpunkt Plastik in der Umwelt - Statuskonferenz, Berlin, 09./10.04.2019 20
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