27.07.2020 - Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH

Mikroplastik transportiert metallische Schadstoffe

Dem Trojanischen Pferd auf der Spur: Neues Verfahren zur Messung von Metall in Mikroplastik entwickelt

Über die Anreicherung und den Transport persistenter organischer Schadstoffe durch Mikroplastik gibt es vergleichsweise viele Studien. Doch die Daten über die Anreicherung von für die Umwelt giftigen Metallen sind sehr rar und bisweilen wissenschaftlich unzuverlässig. Ein Team aus Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht – Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG) hat jetzt gemeinsam mit Kollegen der Bundesanstalt für Gewässerkunde und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ein Verfahren entwickelt, mit dem entsprechende Metalle in Mikroplastik zuverlässig nachgewiesen werden können.

Mikroplastik in der Umwelt ist gleich aus zwei Perspektiven betrachtet ein globales Problem: Zum einen, weil in Laborversuchen gezeigt werden konnte, dass die Plastikpartikel toxisch sein können, und zum anderen, weil die Partikel als Vehikel für den Schadstofftransport in der Umwelt fungieren können. Letzteres liegt an den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Mikroplastiks: Einige Schadstoffe, die man zum Beispiel im Fluss oder im Meerwasser findet, können sich im Plastik selbst anreichern; andere sind bereits durch ihre Herstellung in den Partikeln enthalten, sodass sie einen ganzen Cocktail an unterschiedlichsten Stoffen mit sich führen können. Dabei sprechen die Wissenschaftler vom „Trojanischen-Pferd-Effekt“. Darüber, welche und wie viele umwelttoxikologisch relevante Metalle sich im Plastik anreichern, gibt es bislang kaum verlässliche wissenschaftliche Untersuchungen. Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG), der Bundesanstalt für Gewässerkunde und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben im Fachjournal PLOS ONE jetzt ein validiertes mikrowellen-gestütztes Verfahren vorgestellt, mit dem die wichtigsten Kunststofftypen in Hinblick auf die in ihnen enthaltenen Metalle untersucht werden können.

50 verschiedene Metalle in Mikroplastikpartikeln gemessen

„Die Basis für eine zuverlässige wissenschaftliche Beurteilung des Transports von Metallschadstoffen durch Mikroplastik sind validierte Laborverfahren“, erläutert Lars Hildebrandt, Erst-Autor der Studie und Doktorand in der HZG-Abteilung Marine Bioanalytische Chemie. „Mit dem neuen Verfahren können nun über 50 verschiedene Metalle in Mikroplastikpartikeln quantifiziert werden.“

Das Team rund um Lars Hildebrandt hat für die Messungen zertifizierte Kunststoff-Referenzmaterialien im Mikroplastikgrößenbereich von bis zu fünf Millimetern verwendet. Bei diesen Materialien wissen die Forschenden ganz genau, welche Metalle produktionsbedingt enthalten sind und dementsprechend bei den Ergebnissen erscheinen müssten. Die Wissenschaftler haben die Materialien mit verschiedenen Kombinationen starker Säuren behandelt und mithilfe von Mikrowellenstrahlung erhitzt, bis sich das jeweilige Material vollständig aufgelöst hat. So konnten sie eine geeignete Säuremischung ermitteln, mit der alle untersuchten Materialien zuverlässig aufgelöst werden. Die Proben wurden anschließend mit einem Massenspektrometer untersucht. Damit kann nachgewiesen werden, welche Elemente in welchen Mengen in der Probe enthalten sind.

Metalle aus der Plastikproduktion und der Umwelt nachweisbar

Mit dem neuen Verfahren können in den Mikroplastikpartikeln sowohl die Metalle nachgewiesen werden, die in der Plastikproduktion eingesetzt werden, als auch jene, die aus der Umwelt, beispielsweise aus Meerwasser, an die Partikel gebunden werden können. Zum Beispiel wird das Halbmetall Antimon oft als Katalysator für die Produktion von PET eingesetzt und ist dementsprechend im Plastik selbst zu finden. Schwermetalle wie Cadmium und Blei, die für viele Organismen giftig sind, können ebenfalls durch die Produktion enthalten sein, aber auch aus der Umwelt an die Oberfläche der Partikel gebunden werden.

Der in der Studie vorgestellte Ansatz wurde erst kürzlich genutzt, um Metall-markierte Nanoplastikpartikel in einem Testsystem zu verfolgen.

In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun gezielt Mikroplastikproben im Elbe-Ästuar und an bestimmten Stellen des Flusses ausbringen. An einem Gestell sollen Behälter ausgebracht werden, die man sich vereinfacht wie spezielle Tee-Eier vorstellen kann. In diesen befindet sich dann das Probe-Material. „Uns interessiert, welche Metalle sich aus dem Wasser an die Oberfläche des Plastiks binden, Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang von ‚Sorption´. Dann werden wir in regelmäßigen Zeitintervallen Proben entnehmen, um mit unserer neuen Methode die Konzentrationen im Plastik zu messen und somit die Anreicherung im Zeitverlauf zu untersuchen“, erzählt der Chemiker Hildebrandt als Ausblick.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Mehr über Bundesanstalt für Gewässerkunde
  • News

    Wenn der Rhein austrocknet: Unternehmen rüsten sich für künftige Ernstfälle

    (dpa) Zapfsäulen ohne Benzin, Hochöfen auf Sparflamme, Kraftwerke im Hitzemodus - der Sommer und der Herbst 2018 haben Wirtschaft und Verbraucher in Deutschland vor erhebliche Probleme gestellt. Monatelange Trockenheit ließ die Wasserstände des Rheins und der anderen großen Flüsse immer tie ... mehr

    Neue Werkzeuge zum Nachweis von Schadstoffen in der Umwelt

    Tagtäglich wird eine nicht zu überschauende Anzahl von Substanzen in unsere Umwelt eingetragen, die diese beeinträchtigen und im ungünstigsten Fall auch die menschliche Gesundheit gefährden können. Um die Gefahr einzustufen, die für Mensch und Umwelt von organischen Mikroverunreinigungen un ... mehr

    Abwasser mittels naturnaher Systeme reinigen

    Deutsch-israelisches Verbundvorhaben gestartet: Es untersucht, wie naturnahe technische Systeme – wie technische Feuchtgebiete (z. B. Pflanzenkläranlagen) oder Sandfilter – die Belastung des gereinigten Abwassers mit Arzneistoffen, Haushaltschemikalien, Krankheitserregern und antibiotika-re ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Bundesanstalt für Gewässerkunde

    Die großen Fließ-, Küstengewässer und Kanäle unseres Landes sind Lebensadern, die auf vielfältige Weise genutzt werden. Als wissenschaftliches Institut im Rang einer Bundesoberbehörde dokumentieren wir kontinuierlich ihren Zustand. Wir geben kompetente Antworten auf Machbarkeitsfragen und v ... mehr

  • Autoren

    Marcus von der Au

    Marcus von der Au, Jahrgang 1990, schloss sein Chemiestudium 2016 an der Universität Hamburg mit einer Masterarbeit am Helmholtz-Zentrum Geesthacht in der Abteilung „Marine Bioanalytische Chemie“ ab. Seit 2016 absolviert er ein Promotionsstudium mit Schwerpunkt in der anorganischen Analytik ... mehr

Mehr über Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • News

    Robuste Materialien in Schwingung versetzt

    In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien zeichnen sich durch besondere elektronische Eigenschaften aus, die außerdem sehr robust gegenüber äußeren Einflüssen sind. Zu dieser Mater ... mehr

    Energie der Zukunft: Photosynthetischer Wasserstoff aus Bakterien

    Die Umstellung von der Nutzung fossiler Brennstoffe hin zu einer erneuerbaren Energieversorgung ist eine der wichtigsten weltweiten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Um das international vereinbarte Ziel der Begrenzung der Erderwärmung auf maximal 1,5 Grad zu erreichen, muss die inter ... mehr

    Wie Moleküle sich selbst organisieren

    Die meisten technischen Geräte werden von Menschen oder Maschinen aus einzelnen Komponenten Stück für Stück nach einem Bauplan zusammen­gesetzt. Lebende Organismen hingegen basieren auf einem anderen Konzept, Moleküle ordnen sich selbständig zu größeren Einheiten an. Ein einfaches Beispiel ... mehr