Mikroplastik im Fluss

Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Das hinterlässt Spuren in der Umwelt. Neben arglos weggeworfenen Tüten, Bechern und anderem Plastikmüll rückt die Verschmutzung mit Mikroplastik immer stärker in den Fokus. Die kleinen Teilchen wurden zuerst in Ozeanen entdeckt, dann fand man sie in Seen und Flüssen, schließlich auch in Böden. „Kunststoffpartikel sind überall“, sagt Luisa Barkmann, Doktorandin im Fachgebiet Abwassertechnik an der TU Darmstadt. In ihrer Masterarbeit befasste sie sich mit Mikroplastik in kommunalen Kläranlagen. Jetzt widmet sie sich industriellen Abwässern. Vor allem kunststoffproduzierende und -verarbeitende Betriebe will sie in ihrer Doktorarbeit unter die Lupe nehmen: Auf welchen Stufen der Wertschöpfungskette und über welche Kanäle gelangen Plastikpartikel in die Umwelt? Und wie groß ist der Anteil der Industrie an der Gesamtbelastung überhaupt?

Im Rahmen des Anfang des Jahres gestarteten Verbundprojektes EmiStop analysieren die Darmstädter Forschungsteams industrielle Abwässer, um deren Mikroplastikeinträge zu bilanzieren. Kein leichtes Unterfangen, denn schon die Probennahme sei eine Herausforderung, sagt Barkmann. Für jedes Unternehmen müsse sie sich eine individuelle Strategie überlegen, da die Betriebe sich nicht nur in ihren Produktionsprozessen unterscheiden, sondern auch in den Kanalsystemen und im Wassermanagement. Viele wissen gar nicht, wie viel Abwasser in einem bestimmten Bereich überhaupt anfällt. Und nicht nur in der Herstellung, vor allem auch beim Weiterverarbeiten, Umfüllen und beim Transport von Kunststoffen gelangt Mikroplastik in die Umwelt.

Viele große Chemieunternehmen sitzen an Flüssen

Erste Proben haben die Darmstädter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kürzlich in einem Betrieb genommen, der Kunststoffgranulate herstellt. Wie viele große Chemieunternehmen sitzt er aus logistischen Gründen an einem Fluss. Solche Standorte könnten zur Mikroplastikbelastung von Gewässern beitragen, wenn beispielsweise Oberflächenwasser unbehandelt in den Fluss gelange, erläutert Barkmanns Doktorvater Professor Markus Engelhart. So schwemmt im ungünstigsten Fall der Regen Kunststoffteilchen, die etwa beim Umfüllen in Transportfahrzeuge auf dem Boden landen, direkt in umliegende Gewässer. Auch solche Eintragswege werden die EmiStop-Teams untersuchen.

Konkrete Handlungsempfehlungen könne man erst geben, wenn die Belastung analytisch erfasst sei, unterstreicht Professorin Susanne Lackner, Leiterin des Fachgebiets Abwasserwirtschaft und ebenfalls Partnerin von EmiStop. Der Nachweis von Mikroplastik in Wasserproben war lange eine Schwachstelle, die Datenlage entsprechend dürftig. Seit einigen Jahren kommt hier vor allem ein aufwendiges spektroskopisches Verfahren, die Raman-Mikrospektroskopie, zum Einsatz. Diese Technik verwendet auch das Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik der Hochschule RheinMain in Rüsselsheim, das sich ebenfalls an EmiStop beteiligt.
Verfeinerte Methode

Hajo Bitter, Doktorand in Lackners Gruppe, wiederum verfeinert eine Methode namens dynamischer Differenzkalorimetrie. Sie ist in der Qualitätssicherung von reinen Kunststoffen etabliert, muss den komplexer zusammengesetzten Abwasserproben aber angepasst werden. Partikel größer als fünf Millimeter – die per Definition nicht zur Mikroplastik zählen – entfernen die Forscher zunächst mit einem Sieb, dann zerstören sie organische Substanzen durch eine chemische Behandlung mit Oxidationsmitteln, die Kunststoffe nicht angreifen.

Mineralische Bestandteile wie Sand trennen sie schließlich mit einer speziellen Aufschwemmtechnik ab. Die so isolierten Kunststoffpartikel werden in einem winzigen Tiegel mit einer vorgegebenen Heizrate bis auf fast 300 Grad Celsius erhitzt. Das Gerät zeichnet die Wärmeströme in Abhängigkeit der Temperatur auf, wobei ein leerer Tiegel als Referenz dient. Peaks im Diagramm, die an den Schmelzpunkten der enthaltenen Kunststoffe auftreten, geben sowohl Aufschluss über die Plastiksorten als auch über deren Konzentrationen. Sechs gängige Kunststoffe messen die Wissenschaftler bislang auf diese Weise. Sie erfassen mit der Methode allerdings nur Kunststoffpartikel, die größer als zehn Mikrometer sind. Zudem dauert die Prozedur wegen der mühseligen Probenvorbereitung bis zu zwei Wochen.
Schnelle Hinweise auf eine Mikroplastikbelastung

Deutlich schneller, aber weniger genau sind Verfahren, die Luisa Barkmann für eine erste Abschätzung prüft: Sie bestimmt sogenannte Summenparameter, die nicht den Gehalt einer einzigen Substanz, sondern einer Gruppe verwandter Verbindungen angeben. In der Umweltanalytik werden zum Beispiel organische Schadstoffe, die Chlor, Brom oder Iod enthalten, standardmäßig gemeinsam als Summenparameter erfasst. Diesen Wert müssen Betriebe ohnehin messen, bevor sie Abwässer in Flüsse einleiten. Ist er erhöht und liegt zusätzlich eine Partikelbelastung vor, deutet das auf eine Verschmutzung mit dem chlorhaltigen Kunststoff PVC hin. „Das ist zwar keine genaue Quantifizierung, aber die Unternehmen bekommen einen schnellen Hinweis auf eine Mikroplastikbelastung“, sagt Engelhart.

Dem Titel EmiStop entsprechend wollen die beteiligten Forscher nicht nur Nachweisverfahren entwickeln und Einträge bilanzieren, sondern die industriellen Emissionen von Mikroplastik stoppen. Projektpartner EnviroChemie aus Roßdorf, keine zehn Autominuten von der TU Darmstadt entfernt, testet bereits Flockungsmittel, die Mikroplastik aus Abwässern entfernen. Doch wie wirksam ist das Trennverfahren? Reicht es aus oder sind Filter effektiver? Für die Bewertung von Abscheidetechniken entwickelt Doktorand Bitter einen Test mit Modellpartikeln: Den zu reinigenden Abwässern sollen magnetische Kunststoffteilchen als Tracer zugegeben werden.

Ihr Gehalt vor und nach der Behandlung lässt sich mit einer magnetischen Waage messen – und das sensitiver als mit der dynamischen Differenzkalorimetrie und zugleich schneller, da die langwierige Probenvorbereitung entfällt. Die Modellpartikel bestehen aus Kunststoff mit eingeschlossenem Nano-Eisenoxid. Ihre Dichte lässt sich modifizieren, sodass sie verschiedene Plastiksorten nachahmen können. Die Darmstädter Wissenschaftler entwickeln die Teilchen in Kooperation mit dem Projektpartner BS-Partikel aus Mainz.

Kurzum: EmiStop schlägt einen weiten Bogen von der Mikroplastik-Analytik über die Massenbilanzierung bis zu emissionsmindernden Maßnahmen. Er spüre ein deutliches Interesse der Industrie, sagt Engelhart und betont: „Wir wollen die Unternehmen nicht an den Pranger stellen, sondern ihnen Hilfsmittel zur Hand geben, damit sie schnell auf ungewollte Ereignisse reagieren können.“