Mikroplastik

Fakultät Landbau/Umwelt/Chemie

Mikroplastik

Plastikkanister auf dem Wasser umgeben von Polymerstrukturformeln

Mikroplastik beschreibt Kunststoffpartikel, deren Durchmesser kleiner als fünf Millimeter ist. Einerseits steigen die Mengen der Kunststoffherstellung und des Kunststoffverbrauchs kontinuierlich an – im Jahr 2021 wurden laut Plastics Europe erstmals 390 Millionen Tonnen überschritten. Andererseits liegen weltweit die Recycling- und Entsorgungsquoten deutlich unter dieser Größenordnung. Laut OECD werden nur 9 % der Kunststoffabfälle recycelt, 19 % verbrannt und fast 50 % auf Mülldeponien entsorgt. Die restlichen 22 % werden auf unkontrollierten Mülldeponien entsorgt, in offenen Gruben verbrannt oder gelangen in die Umwelt, wo Plastikmüll zu Mikroplastik zerfällt. Auch durch die Nutzung von Plastikprodukten kann Mikroplastik in die Umwelt eingetragen werden. Die Wirkungen dieser Partikel in der Umwelt sind bisher nicht ausreichend erforscht.  

An der HTWD arbeiten wir daran, das Verhalten von Mikroplastik besser zu verstehen. Dazu wurde eine Methode entwickelt, um Mikroplastik in Flusssedimenten schneller und kostengünstiger als bisher zu identifizieren und zu quantifizieren. Die elektrostatische Separation in Kopplung mit der Dynamischen Differenzkalorimetrie wurde in Forschungsprojekten für die Anwendung optimiert und an Labor- und Umweltproben getestet. Das Verfahren wurde 2019 mit dem sächsischen Umweltpreis ausgezeichnet. Die Anwendung dieser Methode zur Untersuchung von Mikroplastik bei der Uferfiltration und der Trinkwasseraufbereitung ist ein neuer Aspekt der Mikroplastikforschung an der HTWD.

 

Projekte

ESF-Nachwuchsforschergruppe SEMUWA (2023 – 2024) 

In der Nachwuchsforschergruppe SEMUWA - Sichere Entfernung von Mikroplastik bei der Uferfiltration und Trinkwasseraufbereitung in Sachsen - erwerben junge Absolventen der HTW Dresden und der TU Dresden Qualifikationen in verschiedenen Fachbereichen der Mikroplastikforschung. In Sachsen werden rund 27% des Trinkwassers durch Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung gewonnen. Ziel des SEMUWA-Vorhabens ist die Untersuchung des Verhaltens von Mikroplastik bei der Wassergewinnung durch Uferfiltration an Flüssen in Sachsen und bei der weitergehenden Wasseraufbereitung in den Wasserwerken. Für die Ermittlung des Rückhalts von Mikroplastik in der Flusssohle, im Grundwasserleiter und in Filtermaterialien und Filterrückspülschlämmen werden Methoden der elektrostatischen und Dichte-Separation für feinkörnige, organikreiche Feststoffe kombiniert und optimiert. Für die an der HTWD entwickelte Analysenmethode mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie soll eine deutlich niedrigere Bestimmungsgrenze erreicht werden. Zur Quantifizierung der Entfernungsleistung bei der Trinkwasseraufbereitung werden Laborversuche und Anlagentests in Wasserwerken mit neuartigen, fluoreszierenden und abbaubaren Mikroplastikstandards durchgeführt, die mittels 3D-Druck hergestellt werden. Für die Wasserversorger wird eine wissenschaftlich fundierte Bewertung potentieller Risiken erstellt. Vier Nachwuchsforscherinnen und zwei Nachwuchsforscher werden zur Promotion geführt. Durch Öffentlichkeitsarbeit, Schülerprojekte und Beiträge zur Langen Nacht der Wissenschaften soll das Interesse an naturwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Studiengängen und Projekten erhöht werden.

Projekt zur Validierung einer Methode zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik bei überlagernden Signalen (2023 – 2024) 

Im Rahmen des Validierungsprojekts wird die Methode zur Identifikation und Quantifizierung von Mikroplastik in Sedimentproben weiterentwickelt. Die Grundlage bildet dabei das Patent DE 10 2020 115 971, welche das an der HTW entwickelte Verfahren zur Quantifizierung von Polymerspezies in einer Polymerpartikel enthaltenden Probe beschreibt. Die Bestimmung von Mikroplastikpartikeln aus Polymeren mit Überlagerung von thermischen Signalen soll dabei ermöglicht werden. Dazu werden verschiedene Trennverfahren und mathematische Methoden zur Auftrennung der überlagernden Signale untersucht. Besonders relevant sind dabei die Gemische PE-PP, PET-PVC und PET-PA6. Ziel der geplanten Aktivitäten ist es, die bisherigen Anreicherungsverfahren so weiterzuentwickeln, dass das Potential der Methode für die relevanten Gemische beschrieben werden kann. 

ESF-Nachwuchsforschergruppe VEMIWA (2020 bis 2022) 

In der Nachwuchsforschergruppe VEMIWA - Vorkommen und Verhalten von Mikroplastik in sächsischen Gewässern - qualifizierten sich Absolventen aus verschiedenen Fachbereichen zur Entwicklung einer neuartigen Methode zur Identifikation und Quantifizierung von Mikroplastik in Sedimentproben. Es wurden etablierte Methoden aus den Bereichen Probenahme, Elektrosortierung und Polymeranalytik zu einem neuartigen Prozess zusammengeführt, der ein zeit- und kosteneffizientes Monitoring von Mikroplastik in Flusssedimenten ermöglicht. Ein Schlüsselelement stellt der thermodynamische Fingerabdruck dar. Der thermodynamische Fingerabdruck vereint alle thermodynamischen Informationen eines Polymers, wie Schmelz- und Kristallisationstemperaturen und -enthalpien. Somit können verschiedene Polymere in Sedimentproben identifiziert werden. Zur Quantifizierung des Mikroplastikgehalts einer Probe wird eine einfach zu bestimmende thermodynamische Zustandsgröße (Enthalpie) genutzt. Eine Weiterentwicklung der Nachweismethode gelang durch die multivariate Auswertung des thermodynamischen Fingerprints, wodurch die Einflüsse von Fehlerquellen auf das Analyseergebnis zurückgedrängt und die Robustheit der Methode gesteigert werden konnten. Parallel zur fachlichen Qualifikation bildeten sich die Nachwuchsforschenden in den Bereichen Projektmanagement und Social Skills weiter und sammelten Erfahrungen mit eigenen Lehrtätigkeiten. Es wurden Kampagnen zur Öffentlichkeitsarbeit und Wissenschaftskommunikation durchgeführt, darunter Vorträge an Grundschulen, Gymnasien, Hochschulen und der Dresdner Seniorenakademie sowie eine Wanderausstellung vorbereitet. 

Elbexpeditionen (2020 und 2021) 

Die Deutsche Meeresstiftung und der Bundesverband Meeresmüll e.V. initiieren seit 2020 Expeditionen entlang des deutschen Abschnitts der Elbe mit dem Forschungs- und Medienschiff Aldebaran. In den Jahren 2020 und 2021 beteiligte sich die HTWD an den Touren, beprobte erstmals Sedimente des gesamten deutschen Abschnitts der Elbe und untersuchte diese auf ihre Mikroplastikbelastung. Insgesamt 43 Sedimentproben wurden mittels der an der HTWD entwickelten Analysemethode und weiteren Methoden untersucht. Während der Expeditionen wurden Medienkampagnen durchgeführt und ein Videotagebuch auf YouTube veröffentlicht. 

Mikroplastik in sächsischen Gewässern (2020 bis 2021) 

In diesem Projekt wurde gemeinsam mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie eine erste Überprüfung der Mikroplastikbelastung an Monitoringstellen des sächsischen Gewässermessnetzes durchgeführt. Dafür wurde die im VEMIWA-Projekt entwickelte Methode zum Monitoring von Mikroplastik in Sedimenten weiterentwickelt und an die Spezifik dieser Probenahmestellen angepasst. Die Kombination der elektrostatischen Separation zur Anreicherung von Mikroplastik aus Sedimentproben und der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Bestimmung des Mikroplastikgehalts stand dabei im Vordergrund. Es wurden 30 Proben an ausgewählten Stellen des sächsischen Gewässergütemessnetzes entnommen und auf ihren Mikroplastikgehalt untersucht. Für viele kleinere sächsische Gewässer wurde eine sehr geringe Belastung mit Mikroplastik festgestellt, die in vielen Fällen unterhalb der Nachweisgrenze lag.  

Prof. Dr. rer. nat. Martin Socher

Projektberater

Person

Preise

  • Sächsischer Umweltpreis 2019, Sonderpreis Kategorie B, des SMEKUL
  • Nachwuchsforschungspreis der HTWD 2023 für das Promotionsvorhaben von Lucas Kurzweg (Untersuchungen zur Transformation von polymeren Materialien – Tribologie, Kohäsion, Adhäsion und Transport in mehrphasigen aquatischen Systemen)

Publikationen

Wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften 

  • Evaluation of microplastics sediment sampling techniques - efficiency of common methods and new approaches. Y. Adomat, M. Kahl, F. Musche, T. Grischek, 2022. Microplastics & Nanoplastics 2:27. doi:10.1186/s43591-022-00047-x 

  • Application of electrostatic separation and differential scanning calorimetry for microplastic analysis in river sediments. L. Kurzweg, S. Schirrmeister, M. Hauffe, Y. Adomat, M. Socher, K. Harre, 2022. Frontiers in Environmental Science, 10:1032005. doi:10.3389/fenvs.2022.1032005  

  • Mikroplastik in Sächsischen Gewässern. J. Harzdorf, R. Zeumer, S. Schirrmeister, Y. Adomat, L. Kurzweg, S. Faist, F. Musche, T. Grischek, K. Harre, 2022. LfULG Schriftenreihe, Heft 3/2022, 147 S., publikationen.sachsen.de/bdb/artikel/39232/documents/60383. 

  • Die Entwicklung eines Analyseverfahrens für Mikroplastik in Sedimenten mittels elektrostatischer Separation und thermodynamischem Fingerabdruck. S. Schirrmeister, L. Kurzweg, Y. Adomat, S. Faist, J. Harzdorf, R. Bauer, M. Socher, T. Grischek, K. Harre, 2021. Mitteilungen der Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie, Gesellschaft Deutscher Chemiker, 2/2021, 27. Jahrgang, ISSN 1618-3258. 

  • Sampling and processing methods of microplastics in river sediments - A review. Y. Adomat, T. Grischek, 2021. Science of The Total Environment 758:143691. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.143691 

 

Konferenzbeiträge 

  • Does Calibration with Pristine PET Allow the Identification and Quantification of Aged PET Microplastic Particles by DSC? X. Gjashta, S. Schirrmeister, K. Harre. MicroMED 2022, Poster, Neapel, Italien. 

  • Electrostatic Separation and DSC for Microplastic Analysis in Sediments of the Elbe River. L. Kurzweg, S. Schirrmeister, Y. Adomat, M. Socher, K. Harre. Micropol 2022, Vortrag, Santiago de Compostela, Spanien 

  • Evaluation of microplastics sampling techniques - efficiency of common methods and new approaches. Y. Adomat, M. Kahl, T. Grischek. Micropol 2022, Vortrag, Santiago de Compostela, Spanien  

  • Untersuchung des Transports von Mikroplastik in Flusssedimenten in einer Fließrinne. Y. Adomat, M. Hofmann, T. Grischek. Jahrestagung der Wasserchem. Ges. 2022, Poster, online.  

  • Application of Electrostatic Separation and Differential Scanning Calorimetry for Microplastic Analysis in Particulate Matrices. L. Kurzweg, S. Schirrmeister, M. Socher, K. Harre. SETAC Europe 2022, Poster, Kopenhagen, Dänemark. 

  • A Thermodynamic Method to Improve Microplastic Analysis of Common Plastics Using DSC. S. Schirrmeister, K. Harre. SETAC 2022, Poster, Kopenhagen, Dänemark. 

  • Beiträge zum Monitoring von Mikroplastik in sächsischen Gewässersedimenten. K. Harre, J. Harzdorf, R. Zeumer, S. Schirrmeister, L. Kurzweg, Y. Adomat, T. Grischek, S. Rohde. SETAC GLB 2021, Vortrag, online. 

  • A Promising Approach for Economical Microplastic Analysis in River Sediments. S. Schirrmeister, L. Kurzweg, J. Harzdorf, Y. Adomat, M. Socher, T. Grischek, K. Harre. SETAC Europe 2021, Poster, online.  

  • Introducing a Novel Technique for Microplastic Analysis in River Sediments. L. Kurzweg, S. Schirrmeister, J. Harzdorf, Y. Adomat, M. Socher, T. Grischek, K. Harre. Micro 2020, Poster, Lanzarote, Spanien (online). 

Nachwuchsforscherinnen und Nachwuchsforscher

Name Telefon
(0351 462 - )
Raum E-Mail Aufgabenbereich
Ding, Jiaxing (M.Eng.) 3382 Z 538 E-Mail Mikroplastik, Uferfiltration
Gjashta, Xhoen (M.Sc.) 2793 A 302 E-Mail Technische Chemie / Polymerchemie, Mikroplastikanalytik, SEMUWA Projekt
Hauffe, Maurice (M.Sc.) 2165 A 302 E-Mail Technische Chemie/ Polymerchemie, Mikroplastikanalytik, 3D-Druck
Kretschmar, Oliver (B.Sc.) 3278 A 302 E-Mail Polymerchemie, Mikroplastik-Analytik
Kurzweg, Lucas (M.Sc.) 2451 A 301 E-Mail Validierungsprojekt PiA TP-5 Mikroplastik
Lancho, Antonio (Dipl.-Ing. (FH)) 2459 A 211 E-Mail
Rau, Cindy (M.Sc.) 3944 Z 538 E-Mail Mikroplastik, Wasseraufbereitung
Schneider, Jann (B.Sc.) 3279 A 302 E-Mail Technische Chemie, Mikroplastik, SEMUWA