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ENSURE - Entwicklung Neuer
Kunststoffe für eine Saubere
Umwelt unter Bestimmung
Relevanter Eintragspfade
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz
20.–21. April 2021
Prof. Dr. rer. nat.
M. Kreutzbruck
Bildquelle: grenzgaenge.me
ENSURE Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 2
ENSURE Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 3
Fernerkundung
Ergebnisse
Simulationsstudie zur Robuste, automatische und Definition eines Low-Cost
1 Detektierbarkeit und 2 übertragbare
3 Multi-Sensor-Systems zur
Identifizierbarkeit von Plastik Klassifizierungs-methoden, Detektion und Identifikation
in der terrestrischen Umwelt einsetzbar auf allen Skalen von Plastik in der
mit historischen, aktuellen, und Spektralbereichen zur terrestrischen Umwelt
zukünftigen und für Detektion (superspektral) und inklusive Machine Learning
Kunststoffe optimierten Identifikation (hyper-spektral) Algorithmen
Satellitensensoren von Plastik(arten)
Spektr. Auflösung & Wellenlängenbereich Spektr. Auflösung & Wellenlängenbereich Spektr. Auflösung & Wellenlängenbereich
VNIR VNIR VNIR
TIR
Skalenbereich Skalenbereich Skalenbereich
Sektion Fernerkundung und Geoinformatik - Theres Kuester, Mathias Bochow, Shanyu Zhou
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 4
Fernerkundung
Ergebnisse
2
VNIR
PET
1 SWIR
47 mm
E-waste in Accra, Ghana Aliphatische Kunststoffe Aromatische K.
2
VNIR
Gewächshäuser, Almeria (ES) „Garbage City“, Kairo, Ägypten
Sektion Fernerkundung und Geoinformatik - Theres Kuester, Mathias Bochow, Shanyu Zhou
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 5
Mechanische Degradation
Fragmentierung im semiterrestrischen Bereich
Aufbau der FSA-Freilandmesokosmen (2018-2020)
- Wassertiefe +
Sandufer
Grobkiesufer
Kies-/ Steinufer
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz
6
Mechanische Degradation
Fragmentierung im semiterrestrischen Bereich
Ufer- und Tiefenabhängiger Massenverlust 1 L PET Flaschen
Sandufer - Wassertiefe +
Sandufer
Kies / Stein – flaches Wasser Kies / Stein – tiefes Wasser
Grobkiesufer
Grobkiesufer
Kies-/ Steinufer
Kies-/ Steinufer
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz
7
Mechanische Degradation
Simulation von Mikroplastik in fließenden Systemen
Tracerversuche in Simulation der Simulation von
Fließrinnen des Tracerbewegung in der Plastikpartikeln in der
Umweltbundesamtes Fließrinne fließenden Welle
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 8
Mechanische Degradation
Entstehung von sekundärem Mikroplastik
Laborversuche zur mechanischen Zerkleinerung in der Umwelt
Abrasion • Abrieb von der Oberfläche des Plastikmaterials, z.B. durch Sandpartikel
• Oberfläche wird rau und die Dicke des Plastik nimmt ab; das Plastikobjekt
wird mit der Zeit löchrig
• Es entsteht sekundäres Mikroplastik im unteren Mikrometer- oder
vorher nachher Nanometer-Bereich
Oberfläche (10x)
Fragmentierung • Sequentielles Zerbrechen von größeren Objekten in immer kleinere Stücke
(Fragmente) ähnlicher Größe
• „Kollision“ mit harten Oberflächen (z.B. Kiesbett, Felsen) als Auslöser
• Änderung der Größenklassenverteilung ist durch Potenzgesetz
beschreibbar
Prozesse finden häufig gleichzeitig statt und können nicht auseinander gehalten
werden
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 9
Mikrokunststoffpartikel in Komposten
1 L Untersuchungsvolumen; Fraktion > 1mm (entsprechend DüMV)
0.2
0.18
Kunststoffgehalte in Komposten [mg/g]
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
PE PP PS PVC PU Polyacrylate
*Detektion mittels ATR-FTIR; 30x 1L Einzelproben vom 25.11.2019
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 10Kunststoffgehalte in Komposten
Grobfraktion vs. Feinfraktion
PE
Kunststoffgehalte in Kompost >2 mm und >1 mm 3,5 PS
PP
0.1200 < 1 mm < 2 mm SBR
3,0
0.1000
> 2 mm > 1 mm
Massegehalt / mg/mg
2,5
0.0800
2,0
0.0600
1,5
0.0400
1,0
0.0200 0,5
0.0000 0,0
Bützberg 1 Bützberg 2 Bützberg 3 Bützberg 4 Bützberg 5 Bützberg 6 Bützberg 7 Bützberg 8 Bützberg 9 Bützberg 10 1 mm : Gehalte Feinfraktionen :
0,006 - 0,014 mg/g 0,017 - 0,097 mg/g ~ 2,5 mg/g
Mikroplastikgehalte in der Feinfraktion des Kompostes sind deutlich höher, als in Grobfraktion
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 11Kunststoffgehalte in Klärschlämmen [mg/g]
1 L Untersuchungsvolumen; Fraktion > 1mm (entsprechend DüMV)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
20190920 20191004 20191025
PE [mg/g] PP [mg/g] PET [mg/g] Celluloseacetat [mg/g]
*Detektion mittels ATR-FTIR; Beprobungen mit 2-3 Wochen Abstand
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 12Polymerdegradation
Alterungsprozesse
Kompost als Vektor für MP in Modellversuche zur MP-
Bakterielle Degradation
Entstehung in semiterrestrischen
Eintragspfad von MP in terrestrische Ökosysteme
terrestrische Ökosysteme Gealtertes PE
Ökosystemen
Mechanische Degradation von Kunststoffen
Biologische Degradation von Kunststoffen
Probe 10
1st derivative of "Probe 10" PE + bacterial consortium + culture media
PE + culture media
100
PE
PS S(100 mm+50 mm+10 mm) S(100 mm+50 mm+10 mm)
6
Masseverlustrate / % °C-1
0,006 5,0×104
SBR 0,05 80 Ketone
1,2 0,12
PP
0,005
Abundance
Masse / %
Massegehalt / ug/mg
0,04 60 4
PET-Masse / g
PE-Masse / g
Massegehalt / %
0,004
1,0 0,10 0,03 40
0,003
2
0,02
20
0,002
0,01 0,0
0,001 0
0
0,2 0,02
200 400 600 800 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5
0,00
0,000 22.08.2019 09.10.2019 20.11.2019 Temperatur / °C Retention time / min
22.08.2019 09.10.2019 20.11.2019
0,0 0,00
Kompostprobe
TED-GC/MS als Methode zum Quantifizierung der Kein massenrelevanter
Screenen/Monitoren von MP in entstehenden MP-Masse mittels biologischer Abbau
Komposten TED-GC/MS quantifizierbar
Massegehalte als Grundlage Unterschiedliche Reduktion sauerstoffhaltiger
von Modellierungen und Fragmentierungsverhalten der Funktionalitäten während der
Stoffströmen Kunststoffe anhand der bakteriellen Inkubation mittels
Quantifizierung erkennbar TED-GC/MS detektierbar
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 13Mikrobieller Abbau von Kunststoffen
Mikroorganismen im Kunststoff Isolierung und
Charakterisierung
potenzieller PE-Abbauer
1. Böden mit Kunststoff haben
eine geringere mikrobielle Selektion von
Diversität Bakterien auf
PE- Pulver
2. Gemeinschaft dominiert durch
wenige, hoch abundante
bakterielle Gruppen = selektives Actinobacterium: Nocardioides sp.
Habitat
Kunststoff im Boden – die terrestrische
Plastisphäre – ist ein Genom Sequenzierung - Suche
spezieller mikrobieller Lebensraum nach funktionellen Enzymen
alkB-Gen: Spaltet C-C-
Bindungen von langkettigen
Kohlenwasserstoffen
MacLean et al. (submitted) Microorganisms
Sektionen Geomikobiologie und Organische Geochemie - Joana MacLean, Susanne Liebner, Kai Mangelsdorf, Dirk Wagner
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 14Mikrobieller Abbau von Kunststoffen
Wachstum eines Bakterienkonsortiums mit vorgealterter HD-Polyethylenfolie
initial
Schaumbildung in der PE-Glucose-Variante
Beginn PE-Folienfragmentierung
Zugabe von Mineralmedium ohne C-Quelle
Zelldichte (OD 600)
Inkubationszeit [d]
PE-Varianten unterscheiden sich signifikant von den Kontrollen
REM-Analysen belegen Degradation der PE-Folien
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 15Mikrobieller Abbau von Kunststoffen
Relevante Gene, hochreguliert in PE + Glucose (initial) relativ zu Glucose (x>2, p2,p2, pBodenfunktionen und Umweltverträglichkeit
Okklusion und biologische Degradation durch Bodenfauna und –mikroflora
Mikroplastik wird von fast allen Bodenorganismen aufgenommen und wirkt negativ auf Wachstum,
Fortpflanzung und Gesundheit des Edaphon.
(Büks et al., 2020a: What do we know about how the terrestrial multicellular soil fauna reacts to microplastic?)
Adverse Effekte treten bei MPMaterialentwicklung
Umweltgerechte Optimierung
PHBV hat großes Potenzial als biologisch abbaubarer Kunststoff in Wasser und Boden
Durch Modifizierung u. a. mit biogenen Weichmacher wird Verarbeitung möglich
Modifikationen: Steigerung der Polarität, Zusatzstoffe als Nährsubstrat, „schaltbare“ Sequenzen
Zusätzlich beschleunigt der Weichmacher die Fragmentierung beim Abbau
Weitere Modifizierungen nötig um Anwendungsfeld zu vergrößern z.B. für Schäume
Materialkosten derzeit noch zu hoch bzw. Verfügbarkeit zu gering
100000
complex viscosity in Pa s
PHBV
10000 PHBV C
70/30
PBAT 1000
+ versch. PHAs + biobasierter/bioabbaubarer
70/30 Weichmacher
C
100
0 1 10 100
angular frequency in rad/s
Plastik in der Umwelt – Statuskonferenz 18Nano-Partikel Analyse
Mittels Nano-IR-AFM
9,31 0,1
(µm)
(V)
4,65 0
0 -0,1
0 9,5
(µm)
Ratio-Bild bei 1730 cm-1 / 1600 cm-1
5
Rasterkraftmikroskopie gekoppelt mit IR-
PMMA
Spektroskopie
Räumliche Auflösung ~ 5 nm
(µm)
Spektren vergleichbar mit herkömmlichen
(FT)IR-Spektren PS
0
0 5
(µm)
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 19Gesellschaftliche Wahrnehmungs- und Verhaltensmuster Fragestellungen Welches Wissen und welche Wahrnehmungen bestehen hinsichtlich Plastikverpackungen? Welche Gründe haben Konsument*innen, sich für oder gegen Lebensmittel in Plastikverpackungen zu entscheiden? Welchen Handlungsbarrieren zur Reduktion von Plastikverpackungen für Lebensmittel sehen sich Verbraucher*innen gegenüber? Welche plastikfreien Möglichkeiten nutzen Verbraucher*innen? Welche Lösungsansätze gibt es zur Reduktion von Plastikverpackungen für Lebensmittel? Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 20
Gesellschaftliche Wahrnehmungs- und Verhaltensmuster
Ergebnisse
Verpackungs- und Plastikmüll werden von vielen Verbraucher*innen als Problem wahrgenommen
Die große Mehrheit erwirbt Lebensmittel in Plastikverpackungen und in Supermärkten
Bei der Vermeidung von (Plastik-)Verpackungen von Lebensmitteln sieht sich die Mehrheit der
Konsument*innen mit Barrieren konfrontiert
Die Förderung von Mehrweglösungen und Unverpackt-Konzepten wird begrüßt und die Bereitschaft zur
Nutzung ist gegeben
Stellschrauben für Lebensmittelerwerb ohne Plastikverpackungen sind
1) Angebot 5) Ernährungsgewohnheiten,
2) Zeit(-strukturen) 6)Handlungsroutinen,
3) Aufwand 7) Hygiene,
4) Einkaufsstätten 8) Preis
Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz 21ENSURE - Entwicklung Neuer
Kunststoffe für eine Saubere
Umwelt unter Bestimmung
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Plastik in der Umwelt – Abschlusskonferenz
20.–21. April 2021
Prof. Dr. rer. nat.
M. Kreutzbruck
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