MIKROPLATAS: MIKROPLASTIK IN TALSPERREN UND STAUBEREICHEN: SEDIMENTATION, VERBREITUNG, WIRKUNG - PD DR. KATRIN WENDT-POTTHOFF, UFZ
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MikroPlaTaS: Mikroplastik in Talsperren und
Staubereichen:
Sedimentation, Verbreitung, Wirkung
PD Dr. Katrin Wendt-Potthoff, UFZ
Einführung und Zielstellung
K. Wendt-Potthoff & J. Tittel
21. April 2021
+ Praxispartner: LTV, NUA, Stadt Hamm
PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 2
Einführung und Zielstellung »Was steuert den Biofilm-Bewuchs auf Plastik? »Welche Konsequenzen hat der Biofilm für Transport und biologische Wirkungen von Plastik? »Welchen Einfluss haben Prozesse wie Calcit- und Eisenfällung? »Wie reagieren Organismen der Mikro-, Meio- und Makrofauna auf Plastik? »Gibt es Konsequenzen auf der Ebene komplexer Organismen- Gemeinschaften? 21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 3
Biofilm-Bildung, Aggregation und Sedimentation
Leiser et al. 2020,
https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115748
Wassertiefe
» Expositionsbedingungen entscheidender
für Biofilm-Komposition als Polymertyp
Bakterien-Biovolumen µm3 µm-2
100
80
Relative abundance [% of OTUs]
60
40
20
0
E_PE E_PET E_PS ES_PE ES_PET ES_PS R_PE R_PET R_PS
Sample [Location_Polymer]
Proteobacteria Acidobacteria Gemmatimonadetes Verrucomicrobia
Planctomycetes Cyanobacteria Aminicenantes Ignavibacteriae
Bacteroidetes Actinobacteria Armatimonadetes Candidatus Saccharibacteria
Nitrospirae Firmicutes Candidate division WPS-2 Latescibacteria
IMMB, unpubl.
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 4
Biofilm-Bildung, Aggregation und Sedimentation
Einzelne PS-Mikropartikel [%] nach 72 h
Drago et al. 2020,
https://doi.org/10.3389
/fenvs.2020.574274
schwimmend
Biovolumen µm3 µm-2
abgesunken
Größe [µm]
» Je kleiner die Partikel, desto
stärker/schneller aggregieren sie
» Aggregation verändert Größe und
Partikeleigenschaften
» Natürliche biogeochemische Prozesse
fördern Absinken von PE in Talsperren
B C A » Biofilm alleine führt nicht zur
Leiser et al. 2021,
https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116582 Sedimentation leichter Polymere
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 5
Biofilm-Komposition
Consortium 2018 in situ
» Typische Bakterien: α-Proteobacteria, Bacteroidetes
» Definierte Algen-Bakterien-Konsortien für Grazing-
Versuche
IMMB, unpubl.
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 6
Verbreitung von MP im Gewässer
» A : oberhalb, B : unterhalb eines Wehrs (Rieselfelder,
Münster)
» Identifizierte Polymere: überwiegend PE und PP (leichte
Polymere, FTIR Spektroskopie / TED-GC-MS)
450
425 PE
400 PP
125 PS
Gesamtgehalt in µg / m3
SBR
Vorsperre
NR
100 PA
PET
75
50
25
Hauptsperre
0
500 µm 100 µm 500 µm 100 µm
Huebner et al. 2020, DOI: BZ Idus 5 BZ 1
10.1127/fal/2020/1307
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 7
Verbreitung von MP im Gewässer
» Sedimentfallenmaterial zeigt ähnliche Polymermuster in verschiedenen Gewässern und
über die Zeit
14
8 13 PE
8
PE PE 12 PP
6 7 PP PS
Mass content in µg / mg
PP 8 PET
0,6 6 PS
Mass content in µg / mg
PS SBR
Massegehalt in µg / mg
PET 5 PET PA
0,5 SBR 4 SBR Acrylate
PA PA 6
0,4 Acrylate 0.30 Acrylate
0.25
0,3
0.20 4
0,2 0.15
0.10
0,1 2
0.05
0,0 0.00
10-20 µm 20 - 100 µm 100 - 500 µm 10-20 µm 20 - 100 µm 100 - 500 µm
0
20276 20280 20284 20288 20292 20296
Lippe Oehna
Oehna Zeitreihe
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 8
Wirkung auf Zooplankton (Rotatorien B. calyciflorus)
» Größe und Aggregation beeinflussen die Aufnahmerate
µm µm µm
rot
grün
Bevorzugte
blau Größe von
Futterpartikeln:
ca. 3,5 – 10 µm
Drago et al. 2020,
https://doi.org/10.3389
/fenvs.2020.574274
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 9
Wirkung auf Makrozoobenthos
» Keine (sub-) letalen Wirkungen auf Chironomiden (Zuckmückenlarven;
Entwicklungszeit, Körperlänge und –gewicht oder molekularer Stress (HSP70)),
» aber Mitnahme von MP in Adultphase, aquatisch-terrestrische Kopplung
Setyorini et al. 2021
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143735
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 10Wirkung auf Makrozoobenthos
»Indirekte Wirkung: Schnecken
» Im Sommer:
» keine Effekte auf Biofilme
oder Schnecken
» Viel Biofilm
» Im Frühjahr:
» Weniger Algen auf PE und PET
» Geringere Reproduktion auf
PE und PET
» Geringeres Wachstum auf PET
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 11Wirkung auf Sediment-Meiofauna
Ist die Partikelaufnahme durch Nematoden (Fadenwürmer) möglich?
Aufnahme = Abgabe
Größe der Mundhöhle (µm)
C. elegans mit 3 µm-Partikeln (grün) im Darm
Anzahl Partikel
Netto-Konzentration
im Darm
Zeit
Nematodenarten
Partikelaufnahme hängt von Ernährungstyp bzw. Größe der Mundhöhle ab
Publikationen:
Schnelle Aufnahme/Ausscheidung von 1 µm Polystyrol (PS)-Beads: Füser et al. 2019: Env. Poll. 255, 113227
Gleichgewicht mit Umweltkonzentration Füser et al. 2020: Chemosphere, 261, 128162
Füser et al. 2020: STOTEN, 746, 141276
Transfer im Nahrungsnetz, da Nematoden Schlüsselpositionen besetzen Füser et al. 2021: Aquat. Toxicol., in press
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 12Wirkung auf Sediment-Meiofauna
Wie wirken PS-Partikel auf Nematoden?
Klare dosis-abhängige Wirkung: Gesamtoberfläche bestimmt Toxizität
Publikationen:
Keine direkte Toxizität z.B. durch oxidativen Stress (weder durch Partikel Müller et al. 2020: ES&T 54, 1790-1798
noch durch gelöstes Monomer Styrol) Müller et al. 2020: Ecol. Ind., 118, 106698
Rauchschwalbe et al. 2021: Env. Poll., 273, 116471
Aber: Störung der Futteraufnahme führt zur Reproduktionshemmung Rauchschwalbe et al. 2021: Korr. WW, 14, 168-173
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 13Mesokosmen: Mögliche Ökosystem-Wirkungen?
Eintagsfliege Cloeon dipterum
Juli 2020 (36 Tage) September 2020 (114 Tage)
Trockengewicht [mg]
Volumen [mm3]
K SiO2 PA K SiO2 PA
Bisher keine partikelbezogene Wirkung auf Populationen, Auswertung
noch nicht abgeschlossen
21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 14Fazit (und Ausblick) » Biofilme: wichtige Rolle für das Schicksal von Mikroplastik in Talsperren und Staubereichen » Natürliche biogeochemische Prozesse befördern Absinken von Mikroplastik (Remobilisierung: in Arbeit!) » Wehre und Vorsperren halten Mikroplastik in der Wasserphase zurück » (Indirekte) Wirkung von Mikroplastik interagiert mit saisonalen Prozessen → Bedeutung naturnaher Testbedingungen » Störung der Futteraufnahme wesentlicher Mechanismus » Wirkungen auf Populationsebene bisher nicht sicher nachgewiesen 21. April 2021 PidU Abschlusskonferenz - MikroPlaTaS 15
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