Tracking von (Sub-)Mikroplastik - Innovative Analysetools für die toxikologische und prozesstechnische Bewertung - Plastik in der Umwelt
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Tracking von (Sub-)Mikroplastik
Innovative Analysetools für die toxikologische und
prozesstechnische Bewertung
Dr. Oliver Knoop, Prof. Dr.-Ing. Jörg E. Drewes
Technische Universität München
Submikroplastik-Partikel
Subµ-plastik
100 nm – 100 µm
Partikelgröße / µm
Größen-
Makroplastik gr. MP Mikroplastik Nanoplastik
definition:
Submikroplastik
Subµ-Plastikpartikel im Vergleich zu Mikroplastikpartikeln
• Besitzen höhere Zellgängigkeit
• Haben eine größere relative Oberfläche
höheres Adsorptionspotential von Schadstoffen
• Kommen eventuell in sehr großer Anzahl vor
Hypothese: Subµ-Partikel haben höhere (öko-)toxikologische Relevanz
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Projektziele
• Entwicklung von Analysenmethoden für Submikropartikel (100 nm – 100 µm)
» Rasterelektronenmikroskopie, Fourier-Transformation Infrarot Spektroskopie (FTIR)
» Raman-Mikrospektroskopie (RM)
» Asymmetrical Flow Field- Flow Fraction (AF4) mit Multiangle Laser Light Scattering (MALS) und Raman-Kopplung
» TD/Pyrolyse-GC-MS (Ad-/Desorption von org. Spurenstoffen)
• Risikoabschätzung
» Bewertung der Auswirkungen von Submikropartikeln (mit und ohne adsorbierten Chemikalien) auf
» aquatische Umwelt (in vivo)
» die menschliche Gesundheit (in vitro)
» Prozesstechnische Bewertung von Submikropartikeln in Kläranlagen und Umweltproben
• Strategien zur Problembewältigung: Grundlage für Rechtssetzung, Normung und freiwillige Maßnahmen
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Weiterentwicklung der Analytik
für Subµ-Plastikpartikel
Partikeldurchmesser / µm
1000 100 10 1 0,1 0,01
1E+05
DSC
Pyr-GC-MS
TED-GC-
1000
MS
Aufkonzentrierung
5000
bei Probenahme *
1E+03 500
1E+01
Partikelmasse (PS) / µg
100
1E-01 50
10
1E-03 ATR-FTIR +
5
1E-05 1
NIR 0,5
1E-07
1E-09 µ-FTIR 0,1
0,05
1E-11 RM 0,01
1E-13
FFF-RM
Großes
Mikro- Mikroplastik Nanoplastik
plastik
Submikroplastik
Probenahme bei
Wasserproben
Netze Bench-Top-Filtration
Filterkaskaden
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Online-Kopplung von Raman-Mikrospektroskopie
und Feldflussfraktionierung
(Multi-Detektor-Analytik)
Raman-Spektrum
Flusszelle
Probe AF4 UV MALS Raman
Fraktogramm Abs. dgeo
5
TUM-IWC: N.P. Ivleva Postnova: F. Meier 5
Kopplung von Raman-Mikrospektroskopie
und Feldflussfraktionierung
» Online FFF-µRaman-Kopplung durch eine
Flusszelle
» Hier: Trennung von
o Polystyrol 350 nm (25 mg/L)
o Polymethylmethacrylat 500 nm (100
mg/L)
» Multidetektor-Analytik
» Aufkonzentrierung von (Plastik)Partikeln
notwendig für Analyse von Realproben
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TUM-IWC: N.P. Ivleva Postnova: F. Meier
Eingesetzte Analytische Methoden
für die Prozess- und toxikologische Bewertung
»Fluoreszenz-Mikroskopie
»Nano-Tracking-Analyzer (50 nm – 1 µm) }
Fluoreszierende Partikel
»Raman-Mikrospektroskopie (> 1 µm)
»FPA-µ-FTIR (> 10 µm) }
Spektroskopische
Detektion
»TED-GC-MS
»TD/Pyr-GC-MS }
Thermoanalytische Detektion
»Kaskadenfiltration mit 100 µm, 50 µm & 10 µm Filtern
»Probenaufbereitung mittels Fenton-Aufschluss }
Aufbereitung
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Risikoabschätzung I
Toxikologische Untersuchungen
» Aquatische Ökotoxikologie » Menschliche und tierische
Schredder & Filtrierer Gesundheit
Schweine-Darmzellen-Modell
(in-vitro)
Quelle: http://bilder.4ever.eu/witzig/zeichentrick/evolution-218984
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Aquatische Ökotoxikologie
Expositionsszenario Verfügbarkeit/Partitionierung Effekte
• Mortalität
Wasser - Sediment
• Aktivität (Mobilität, Filtration)
• Fraßraten
• Molekulare Stressmarker
Komplexität • Energiestoffwechsel
• Darm-Mikrobiom
• Mikro- und Nanopartikel, • Ingestion – Exkretion konstant
• Polystyrol, PMMA, PLA, • Keine messbare Biokonzentration
10 – 65 µm, 1 µm, 500 nm, • Modulation der Spurenstoff-
100 nm und 30 nm verfügbarkeit durch natürliche
• Referenzpartikel (Silica) und Plastik(nano)partikel
• Hydrophobe Spurenstoffe
• Exposition Wasser vs. Futter
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TUM-LAS: S. Beggel
Effekte in der aquatischen Ökotoxikologie
Kontrollierte
» Keine Wirkung durch Subµ-Partikel auf Mortalität, Partikelaufnahme über
Verhalten oder Energiereserven das Futter bei
Gammarus
» Reduktion der Toxizität von hydrophoben Spurenstoffen Götz et al. (2021)
durch bevorzugte Adsorption an Plastikoberfläche
» vergleichbar mit natürlichem Partikel
» Entwicklungsbedarf neuer Standardassays
für Partikelexposition
» Bezug möglicher Effekte auf die
innere (reale) Exposition statt der
Konzentration im Wasser notwendig
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TUM-LAS: S. BeggelDarmzellen als Modell für die menschliche
und tierische Gesundheit
Treatment
100nm Partikel
Polystyrol (PS)
oder Silica Wundheilungsassay/ECIS
Konfokalmikroskopie
Modell Bisher keine zytotoxischen
Fluoreszenz insbesondere um Darmzellen
den Zellkern Effekte ersichtlich –
(IPEC-J2)
Auswertungen laufen
Fluoreszenzmikroskopie Next Generation Sequencing
Auswertungen mRNA Genexpressionsanalysen
Fluoreszenzstärken variieren je
nach Zell-Wachstumsphase und Veröffent- – Auswertungen laufen
lichungen
laufend
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TUM-LAS: M. PfafflRisikoabschätzung II
Verhalten von MP in Kläranlagen und Emission
» Prozessuntersuchungen an » Emission aus 3 kommunalen
Modellkläranlagen Kläranlagen
Quelle: LfU, Marco Kunaschk Quelle: Münchner Stadtentwässerung, Klärwerk Gut Marienhof
12Verhalten von MP in Laborkläranlagen
» Vergleich von Modellpartikeln
nach Größe (PS: 0,5…220 µm*) und
Partikelaustrag Laborkläranlage
Polymerart (PE*, PS*, PMMA*, PET, PVC)
» Rückhalt im Schlamm Partikelvolumen
» Rückhalt abhängig
von 3 Parametern:
• Partikelvolumen
• Polymerdichte Polymerdichte
• Schwebstofffracht
*bereitgestellt durch:
Schwebstofffracht
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LfU: M. KunaschkMikroplastik im Ablauf von
kommunalen Kläranlagen
» Ablauf Nachklärung 1500 300
Partikelmasse (µg/m³)
Partikelanzahl (n/m3)
» Zusätzlich: Rückhalt durch
1200
anschl. Sandfiltration
200
900
» Polymermasse
(TED-GC-MS) 600
100
» Partikelanzahl 300
(µ-FTIR)
» je Summe für PE, PS , PP 0 0
und PET Kläranlage A (1.000.000 EW)
KA 2 KA 2 KA 2 KA 2 KA Kläranlage B (120.000 EW)
3 KA 3 KA 3 KA 3
Ablauf Ablauf Ablauf Ablauf
» nach Kaskadenfiltration
der 100 µm & 50 µm Filter V.Nachklärung Sandfilter V. Sandfilter
Sandfilter N. Sandfilter NachklärungN. Sandfilter
Sandfilter
FT-IR Partikelanzahl (n/m³)
TED-GC-MS Partikelmasse (µg/m³)
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LfU: M. Kunaschk IUTA: J. Türk TUM-SWW: O. KnoopBestimmung von Submikroplastik mittels
Kaskadenfiltration + TED-GC-MS
» Kaskadenfiltration
» Fraktionierte Filtration
» Große Volumina möglich
S S S S S S
Die Daten können derzeit leider nicht veröffentlicht
werden,
100 µm daµm
50 sich die Publikation100
10 µm derzeit
µm im Review-
50 µm 10 µm
Prozess befindet.
Funck et al. (in review)
» S: nach Sandfiltration
» Filtrierte Volumina: S S S
» 100 µm: 2,6- 4,0 m³
» 50 µm: 2,6 – 4,0 m³ 100 µm 50 µm 10 µm 100 µm 50 µm 10 µm
» 10 µm: 0.2 m³ Kläranlage A (1.000.000 EW, Qabfluss= 1.63 m³ s-1, )
Source: Funck et al. (in review)
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LfU: M. Kunaschk IUTA: J. Türk TUM-SWW: O. KnoopStrategien zur Problembewältigung
» Soziale Dimensionen » Politische Dimensionen
16„Plastics – Publics – Politics“
» Analyse der medialen Berichterstattung von Mikroplastik
2004 – 2010 2010 – 2015 2015 – heute
neutral MP = Risiko MP = Risiko / kein Riskio
» Risiko-Vermittlung: Schwächung des Vertrauens in Forschungsergebnisse
» Verantwortung: hauptsächlich bei Bürger*innen als Konsument*innen für die
Vermeidung von (Mikro)Plastik
» Politik wird teilweise und Industrie kaum adressiert
» Problem kann durch individuelles Handeln nicht bewältigt werden
» Analyse von zivilgesellschaftlichen Initiativen
» Verantwortung hauptsächlich bei Bürger*innen als Konsument*innen
» Starke Gender-Dimension: Bewegung von Frauen getragen und Frauen werden verstärkt angesprochen
Aber: Nicht alle können sich ein plastikfreies Leben leisten!
→ negative Auswirkungen auf soziale Kohäsion und Partizipation möglich
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Müller, R. & Schönbauer, S. (2020) Zero Waste––Zero Justice?. Engaging Science, Technology, and Society.Ansatzmöglichkeiten für die Politik
» Rechtliche Rahmenbedingungen & Normung
» Analyse der rechtlichen Rahmenbedingungen
» Identifikation relevanter Regulierungsmöglichkeiten
» Kommunikation und Koordination innerhalb unterschiedlicher Normungsgremien
» Vernetzung und Abstimmung mit anderen Ressortforschungseinrichtungen sowie
hausinternen Facheinheiten
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UBA: N. Obermaier & C.G. BannickVielen Dank!
Dr. Oliver Knoop
Prof. Dr.-Ing. Jörg E. Drewes
submuetrack.sww.bgu@tum.de
www.wasser.tum.de/submuetrack
19Sie können auch lesen
