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Mikroplastik in Gewässern (30.01.2019)

Ein Forscherteam der BfG will Fragen nach dem Vorkommen, dem Transport und den Risiken von Mikroplastik beantworten. Die Wissenschaftler treibt unter anderem die Frage um: Soll Mikroplastik in Gewichtseinheiten oder als Partikelzahl erfasst werden und mit welchen Methoden? Eine Gesamtschau der in der Literatur beschriebenen Verfahren wurde jetzt veröffentlicht.

Probenahme am RheinProbenahme am Rhein. Quelle:  Christian Kochleus / BfG

Seit den 1950er Jahren boomt die Produktion von Kunststoffen. Allein im Jahr 2017 wurden global 335 Millionen Tonnen Plastik hergestellt. Die beunruhigenden Meldungen von riesengroßen "Müllstrudeln" aus Plastiktreibgut im Meer haben uns längst erreicht. Eingetragen wird Plastik größtenteils über die großen und kleinen Flüsse vom Festland her. Und nicht aller Plastikmüll treibt als sichtbarer Verpackungsmüll auf der Wasseroberfläche. Vielmehr zerbricht ein großer Teil des Plastiks zu immer kleineren Teilchen, dem sogenannten Mikroplastik. Neben diesem Plastikbruch gelangen weitere mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel aus Reifenabrieb, aus Kosmetika oder Funktionskleidung in die Gewässer.

Mit ungewissen Folgen für die Ökosysteme

Darüber, wie sich das Mikroplastik auf die Umwelt und den Menschen auswirkt, ist noch wenig bekannt. Und das, obwohl sich in den vergangenen Jahren wissenschaftliche Untersuchungen zum Nachweis von Mikroplastik häufen. Als problematisch erweist sich vor allem, dass es keine standardisierten Probenahme- und Probenaufbereitungsmethoden gibt. Studien und deren Forschungsergebnisse können folglich nicht vorbehaltlos miteinander verglichen werden.

Auf der anderen Seite fordert die EU-Meeresstrategierahmenrichtlinie von den Mitgliedstaaten, die Mülleinträge zu überwachen und zu regulieren. Vor diesem Hintergrund untersucht die BfG schon seit geraumer Zeit das Vorkommen von Plastik und Mikroplastik in Fließgewässern und den weiteren Transport in Küstengewässer. Hierzu müssen jedoch zunächst die methodischen Defizite zur Mengenbestimmung von Mikroplastik behoben werden.

Wo sollen Proben genommen werden?

Deshalb testen die BfG-Mitarbeiterin und Geographin Friederike Stock und das BfG-Team verschiedene Techniken zur Probenahme, -aufbereitung und -analyse. Als Grundlage dienen ihnen diverse aus der Literatur zusammengetragene Methoden; die hierbei beschriebene Vielfalt ist erstaunlich:

Zunächst einmal gilt es zu klären, was untersucht werden soll – Wasser, Sediment oder Biota – und wo die Probe entnommen werden soll: an der Wasseroberfläche oder in der Wassersäule, von der Sohle, dem Ufer oder der Aue, und aus welcher Wasser- oder Bodentiefe. Für die Untersuchung von Biota, also der Tiere und Pflanzen, müssen verschiedene Schlüsselarten in Abhängigkeit von der Nahrungsaufnahme identifiziert werden. An den Küsten können die Proben vom Strand, aus der Gezeitenzone, oder aus dem Bereich bis zur Schelfkante in etwa 200 Metern Wassertiefe sowie im Tiefenwasser gezogen werden.

Wo genau die Probe entnommen wird ist deshalb von Interesse, da nur ein kleiner Teil der Partikel auf der Wasseroberfläche treibt, die Wassersäule wiederum enthält überwiegend weniger Mikroplastik als angereicherte Sedimentproben. Transport und Ablagerung des Mikroplastiks hängen vor allem von der Partikelform und -größe ab, aber auch von der Gestalt des Flusses wie der Breite, der Tiefe, dem Flussquerschnitt, der Stärke des Mäandrierens, dem Verflechtungsgrad des Flusslaufes und der Ufervegetation. Bei regulierten Flüssen ist eine Ablagerung vor Staudämmen, Staustufen und Buhnen zu berücksichtigen. Auch die Jahreszeit, in der die Probe genommen wird, spielt eine wichtige Rolle. Schließlich hat der vom Niederschlagsgeschehen geprägte Wasserstand ebenso einen Einfluss auf das Transport- oder Akkumulationsverhalten. Stock und ihr Team raten, Proben sowohl bei geringen als auch bei hohen Abflüssen zu ziehen.

Wie sollen die Proben gesammelt werden?

Für Wasserproben, Sediment und Biota kommen schließlich verschiedene Probenahme-Techniken zum Einsatz. Auf der Wasseroberfläche treibendes Mikroplastik wird zumeist mithilfe von Netzen herausgefiltert. Die Konzentration der Partikel steigt dabei mit der Dauer der Probenahme. Je kleiner die Maschenweite ist (50 bis 3000 µm sind üblich), umso größer ist die Ausbeute. Allerdings setzen sich engmaschige Netze leichter zu. Parallel zur Probennahme muss die Strömung gemessen werden.

Durchlaufzentrifugen kommen zum Einsatz, um auch kleinste Partikel bis zu 5 µm zu erfassen. Diese sammeln alle Partikel, die dichter als Wasser sind. Nachteil bei dieser Methode ist der Zeitfaktor. Es dauert über eine Stunde, um einen Kubikmeter Wasser auf diese Weise zu filtrieren. Eine weitere Methode zur Gewinnung von Mikroplastik ist die sogenannte Filterkaskade mit Porengrößen von 100, 20 und 5 µm. Hierbei werden die Partikel bereits während der Probenahme vorsortiert. Die Methode ist auch zur Erfassung von Reifenabrieb im Straßenwasserabfluss geeignet.

Auf den Ozeanen kommen für die Probenahme über große Distanzen häufig Forschungsschiffe zum Einsatz. Kontinuierlich messende Plankton-Rekorder zeichnen hier seit Ende der 60er Jahre zunehmende Anteile von Mikroplastik auf.

Auch für Messungen in der Wassersäule oder am Gewässerbett werden verschiedene Netze oder Filterkaskaden verwendet. Daneben gibt es Vorrichtungen, die Proben aus unterschiedlichen Wassertiefen in einem vertikalen Profil extrahieren. Sedimentproben hingegen werden mit Greifern oder Bohrkernen gezogen, insgesamt werden 50 repräsentative Arten für die Beprobung von Biota empfohlen.

Die Aufbereitung im Labor

Die Probe kommt im Labor anBfG-Mitarbeiterin Frederike Stock und die Probe kommen im Labor an. Quelle:  Rolf Berges / BfG

Die Probe wird in ein Becherglas überführt.Die Probe wird in ein Becherglas überführt. Quelle:  Rolf Berges / BfG

Die Probe wird im Elektroseparator getrennt.Anschließend wird sie im Elektroseparator getrennt. Quelle:  Arthur Lik

Im Labor muss das Mikroplastik dann aus der Sedimentprobe separiert werden. Hierzu werden ein Elektroseparator oder der Munich Plastic Sediment Separator (MPSS) eingesetzt. Mit dem Elektroseparator können größere Proben mit Plastikpartikeln angereichert werden. Auch der MPSS ermöglicht es, Plastikpartikel kleiner als ein Millimeter aus der Probe zu extrahieren. Anschließend werden die organischen Inhaltsstoffe der Probe zerstört. Hierzu werden diese in einem sauren, alkalischen, oxidierenden oder enzymatischen Aufschlussverfahren gelöst. Die Aufschlussmittel können dabei aber auch das Mikroplastik selbst angreifen. Als besonders schonend haben sich Aufschlüsse mit Kaliumhydroxid, Wasserstoffperoxid oder enzymatische Aufschlüsse erwiesen. Enzymatische Aufschlüsse sind jedoch sehr zeitaufwendig und teuer, sodass die Mikroplastik-Forscher der BfG bislang kein Verfahren wirklich empfehlen können.

Wegen der geringen Dichte von Plastikpartikeln im Vergleich zum mineralischen Bestand der Sedimente, können die winzigen Polymere auch über eine Dichteseparation in konzentrierten Salzlösungen getrennt werden. Obwohl nicht ganz ungefährlich, empfehlen viele Autoren hier eine schwere Lösung aus Zinkchloriden. Von größeren Tieren wie Fischen, Schildkröten oder Vögeln wird im Labor der Verdauungstrakt inklusive Innereien untersucht, während kleinere Biota wie Muscheln, Zooplankton, Würmer oder Garnelen im Ganzen analysiert werden.

Genauere Methoden erforderlich

Friederike Stock und ihre Mitstreiter haben viele der beschrieben Verfahren selbst getestet und kommen zu folgenden Ergebnissen: Um wissenschaftliche Studien künftig miteinander vergleichbarer zu machen, sollte sich die Forschungsgemeinschaft zunächst darüber verständigen, ob sie Mikroplastik in Gewichtseinheiten oder als Partikelzahl messen will. Erst dann sollten die Sammel- und Aufbereitungsmethoden harmonisiert werden. Bislang werden laut dem BfG-Team Mikroplastik die Mikroplastikkonzentrationen in Gewässer- und Sedimentproben unterschätzt, da während der Aufbereitung und Analyse im Labor noch immer Partikel verlorengehen. Deshalb strebt die BfG an, standardisierte Laborverfahren zu entwickeln und zu etablieren. Die Publikation von Stock & Co ist ein Beitrag dazu.

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