Mikroplastikgehalte in Gewässersedimenten wurden erfolgreich mit einem neuen Analysenverfahren bestimmt. Erfahrungen bei der Probenahme, Aufbereitung und Analytik werden beschrieben. Erste Ergebnisse für sächsische Gewässer sind aufgeführt. Die Studie richtet sich in erster Linie an ein interessiertes Fachpublikum aus dem Bereich der Gewässeranalytik. Die Ergebnisse sächsischer Gewässer sind auch für die allgemeine Öffentlichkeit von Interesse. Redaktionsschluss: 30.09.2021

Synthetic polymers are one of the most significant pollutants in the aquatic environment, because of abilities such as buoyancy and extreme persistency. Serious effects are expected from so-called microplastics (particle size <5 mm) that are reported in rivers, lakes as well as the ocean and that accumulate in sediments worldwide. In this thesis the abundance of microplastics in river shore sediments in the Rhine-Main area of Germany was studied. Therefore, a new method was developed that is based on a sodium chloride density separation with subsequent destruction of natural debris, and identification of the plastic particles by microscopy or Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Using the improved density separation, microplastics were separated from river shore sediments of 12 sites originating from the river Rhine, the river Main, and the stream Schwarzbach. Large amounts of microplastic particles of up to 1 g kg-1 or up to 4000 particles kg-1 were detected in the shore sediments. The identification by FTIR showed that polyethylene, polypropylene, and polystyrene were the most abundant polymer types in the sediments, covering over 75% of all plastics identified. Transport of microplastics from tributaries to main streams was indicated by the detection of identical pellets in the River Rhine and in the Main mouth. Comparable concentrations detected by sampling one site over a period of two years suggest a constant pollution of the river shore sediments with microplastics. For deeper insights into the sorption process of organic contaminants to synthetic polymers in freshwater systems, batch experiments in synthetic freshwater were conducted to determine sorption kinetics and sorption isotherms for four selected glass state polymers (polycarbonate, poly(methyl methacrylate), polystyrene, and polyvinyl chloride) and six different model substances (carbamazepine, hexachlorocyclohexane (β/γ), 17α-ethynilestradiol, chlorpyrifos, and o,p-dichlorodiphenyltrichlorethane). Sorption to the polymer particles was observed for all contaminants increasing with the KOW values of the contaminants. Because of losses of contaminants in control samples, sorption reaction models could be applied to four out of six contaminants, and isotherms were calculated for three contaminants. Furthermore, influences of the different polymer types used were observed in the experiments. Finally, microplastics separated from sediments were extracted and analyzed by GC/MS and LC-MS/MS using target screening methods and non-target approaches. Different pesticides were identified in the polymer particles, suggesting that microplastics can act as a sink for hydrophobic contaminants. Moreover, several plastic additives such as phthalates or chlorinated flame retardants were identified. For this reason, it is very likely that microplastics act as a direct source for these chemicals in aquatic systems. The results of this thesis stress the urgency for the mitigation of the plastic particles in the aquatic environment.

Ein Gespräch mit Dr. Ilka Gehrke, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Leiterin des mFUND-Projekts Digitales Planungs- und Entscheidungs-instrument zur Verteilung, Ausbreitung und Quantifizierung von Reifenabrieb in Deutschland (TyreWearMapping).

A method with the potential for comprehensive microplastic monitoring in river sediments is presented in this study. We introduce a novel combination of electrostatic separation, density separation, and differential scanning calorimetry (DSC). Currently, microplastic analysis in sediments is limited in terms of sample masses, processing time, and analytical robustness. This work evaluated a method to process large sample masses efficiently and still obtain robust results. Four particulate matrices, including commercial sands and river sediments, were spiked with PCL, LD-PE, and PET microplastic particles (63–200 µm). Samples with a mass of 100 g and 1,000 g (sand only) contained 75 mg of each microplastic. After electrostatic separation, the mass of sand samples was reduced by 98%. Sediment samples showed a mass reduction of 70–78%. After density separation, the total mass reduction of sediment samples was above 99%. The increased concentration of total organic carbon seems to have the highest impact on mass reduction by electrostatic separation. Nevertheless, the recovery of microplastic was independent of the particulate matrix and was polymer-specific. In 100 g samples, the average recovery rates for PCL, LD-PE, and PET were 74 ± 9%, 93 ± 9%, and 120 ± 18%, respectively. The recoveries of microplastic from 1,000 g samples were 50 ± 8%, 114 ± 9%, and 82 ± 11%, respectively. In scale up experiments, high recoveries of all microplastics were observed with a decrease in standard deviation. Moreover, the biodegradable polymer PCL could be used as an internal standard to provide quality assurance of the process. This method can overcome the current limitations of routine microplastic analysis in particulate matrices. We conclude that this method can be applied for comprehensive microplastic monitoring in highly polluted sediments. More studies on electrostatic separation and polymer-specific recovery rates in complex matrices are proposed.

Synthetic polymers are one of the most significant pollutants in the aquatic environment, because of abilities such as buoyancy and extreme persistency. Serious effects are expected from so-called microplastics (particle size <5 mm) that are reported in rivers, lakes as well as the ocean and that accumulate in sediments worldwide. In this thesis the abundance of microplastics in river shore sediments in the Rhine-Main area of Germany was studied. Therefore, a new method was developed that is based on a sodium chloride density separation with subsequent destruction of natural debris, and identification of the plastic particles by microscopy or Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Using the improved density separation, microplastics were separated from river shore sediments of 12 sites originating from the river Rhine, the river Main, and the stream Schwarzbach. Large amounts of microplastic particles of up to 1 g kg-1 or up to 4000 particles kg-1 were detected in the shore sediments. The identification by FTIR showed that polyethylene, polypropylene, and polystyrene were the most abundant polymer types in the sediments, covering over 75% of all plastics identified. Transport of microplastics from tributaries to main streams was indicated by the detection of identical pellets in the River Rhine and in the Main mouth. Comparable concentrations detected by sampling one site over a period of two years suggest a constant pollution of the river shore sediments with microplastics. For deeper insights into the sorption process of organic contaminants to synthetic polymers in freshwater systems, batch experiments in synthetic freshwater were conducted to determine sorption kinetics and sorption isotherms for four selected glass state polymers (polycarbonate, poly(methyl methacrylate), polystyrene, and polyvinyl chloride) and six different model substances (carbamazepine, hexachlorocyclohexane (β/γ), 17α-ethynilestradiol, chlorpyrifos, and o,p-dichlorodiphenyltrichlorethane). Sorption to the polymer particles was observed for all contaminants increasing with the KOW values of the contaminants. Because of losses of contaminants in control samples, sorption reaction models could be applied to four out of six contaminants, and isotherms were calculated for three contaminants. Furthermore, influences of the different polymer types used were observed in the experiments. Finally, microplastics separated from sediments were extracted and analyzed by GC/MS and LC-MS/MS using target screening methods and non-target approaches. Different pesticides were identified in the polymer particles, suggesting that microplastics can act as a sink for hydrophobic contaminants. Moreover, several plastic additives such as phthalates or chlorinated flame retardants were identified. For this reason, it is very likely that microplastics act as a direct source for these chemicals in aquatic systems. The results of this thesis stress the urgency for the mitigation of the plastic particles in the aquatic environment.

Mikroplastik (Kunststoff-Partikel < 5 mm) wurde in den vergangenen Jahren vermehrt in verschiedenen marinen Ökosystemen nachgewiesen und erreicht regelmäßig wissenschaftliche und öffentliche Aufmerksamkeit. Es wird als potentielle Gefahr für die marine Umwelt angesehen. Aufgrund der geringen Größe kann Mikroplastik von marinen Organismen mit der Nahrung verwechselt werden und infolge dessen in den Magen-Darm-Trakt gelangen. Ob die so aufgenommenen Partikel zu einer Schädigung der Organismen führen und welche Wirkungsmechanismen dabei eine Rolle spielen, ist derzeit noch nicht umfassend geklärt. In diesem Zusammenhang wird Mikroplastik beispielsweise als Transportvehikel für enthaltene Kunststoffadditive, für adsorbierte persistente organische Schadstoffe sowie für potentiell pathogene Mikroorganismen diskutiert. Für eine Risikobewertung sind in erster Linie zuverlässige Daten über die Mikroplastik-Gehalte in verschiedenen Umweltkompartimenten nötig. Dazu werden geeignete und sichere analytische Verfahren zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik in Umweltproben benötigt. Ziel dieser Arbeit war es bestehende Wissenslücken im Bereich der Mikroplastik-Analytik zu schließen und Möglichkeiten und Grenzen der FTIR- und Raman-Spektroskopie für die analytische Untersuchung von marinen Mikroplastik-Proben aufzuzeigen. Dazu wurde zunächst ein Filtersubstrat entwickelt, das für eine umfassende Untersuchung von filtrierten Mikroplastik-Proben sowohl mittels Transmission FTIR- als auch mittels Raman-Mikroskopie geeignet ist. Des Weiteren wurde Raman Imaging als neuartige Methode zur Identifizierung von Mikroplastik etabliert und hinsichtlich verschiedener Messparameter optimiert. Die Anwendbarkeit dieses neuen Analyseansatzes wurde an realen Umweltproben gezeigt. Beide spektroskopische Verfahren (IR und Raman) wurden anhand von Modellproben und realen Umweltproben miteinander verglichen und validiert. Zusätzlich dazu wurden die spektroskopischen Ergebnisse an ausgewählten Proben mit der thermoanalytischen py-GC/MS-Methode verglichen und beurteilt. Im dritten Teil der Arbeit wurden die Mikroplastik-Gehalte in Sedimentproben aus dem Mündungsbereich der Warnow, einem bedeutenden Zufluss zur Ostsee, bestimmt. Dabei wurden lokale Eintragspfade abgeschätzt sowie Senke von Mikroplastik identifiziert.:1 Motivation und Zielstellung 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 3 Experimenteller Teil 4 Ergebnisse und Diskussion 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Publikationsliste Versicherung

Ihr ärgert Euch über Plastik im Wald, seid genervt, wenn Ihr selber wieder etwas wegwerfen müsst? Ihr fragt Euch, ob Recycling wirklich funktioniert? Dann seid Ihr hier genau richtig: Diese kleine Broschüre ist der Anfang für das Ende der Plastikflut in Eurem Leben. Plastikmüll ist nicht nur ein Problem sterbender Meerestiere, verschmutzter Urlaubsparadiese oder armer Länder. Plastikmüll ist unser eigenes tägliches Problem, weil Energie und Ressourcen verschwendet werden, weil unsere Gesundheit gefährdet wird, weil Plastikproduktion und -müll ein Teil der Klimakrise sind. Jede und jeder Einzelne kann im Alltag Schritte in Richtung Nachhaltigkeit & Genügsamkeit gehen – in den Bereichen Konsum, Ernährung, Wohnen, Mobilität und Reisen. Ob minimalistisch oder zero-waste, plastikfrei oder DIY, ob vegan, fair, bio oder regional, ob sharing oder caring - die Möglichkeiten, einen Beitrag zu leisten, sind vielfältig! Unser Heft gibt Anregungen zur Plastikvermeidung. Stand: Mai 2019

Mikroplastik (1–1000 µm) kommt praktisch überall in der Umwelt vor, aber immer noch ist die Iden-tifizierung und Quantifizierung eine anspruchsvolle und zeitintensive Aufgabe. Erste analytisch Metho¬den beginnen sich zu etablieren, jedoch sind die benötigten Instrumente komplex und der Probendurchsatz für Routineuntersuchungen in den meisten Fällen noch zu gering. Diese Arbeit widmet sich zunächst dem Potenzial der Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie diese Lücke zu schließen. Exemplarisch wird ein günstiges Verfahren mit großem Probendurchsatz zur Bestimmung von Mikro¬plastik-Gesamtgehalten der verbreiteten Verpackungskunststoffe Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) in Böden und Kompost entwickelt. Neben der Untersuchung von Mikroplastik-Gesamtgehalten einer Probe ist auch die Charakterisierung individueller Partikel von großer Bedeutung. Die bildgebende Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Mikrospektroskopie ist hierfür sehr gut geeignet. Allerdings ist es eine Herausforderung Mikroplastik in den aus mehreren Million Spektren bestehenden hyperspektralen Bildern zu identifizieren. Eine schnelle und zuverlässige Mikroplastikerkennung wird hier durch eine explorative Analyse und automatisierte Klassifizierung der Spektren erreicht. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die optische Spektroskopie im mittleren und nahen Infrarot über ihre bisherige Anwendung hinaus ein großes Potenzial besitzen, die Mikroplastik-Analytik kostengünstiger, einfacher und schneller zu gestalten. / Microplastics (1-1000 µm) are ubiquitous in the environment, but their identification and quantification is still a challenging and time-consuming task. The first established methods require complex instruments and the sample throughput is still too low for routine analysis in most cases. This work first addresses the potential of near-infrared (NIR) spectroscopy to fill this gap. A low-cost method with large sample throughput is developed for the determination of total microplastic contents of the common packaging plastics polyethylene (PE), polystyrene (PS) and polypropylene (PP) in soils and compost. In addition to the investigation of total microplastic levels in a sample, the characterization of individual particles is also of great importance. Fourier transform infrared (FTIR) imaging microspectroscopy is well suited for this purpose. However, it is challenging to identify microplastics in hyperspectral images consisting of several million spectra. Fast and reliable microplastic detection is achieved by exploratory analysis and automated classification of the spectra. In summary, this work shows that mid- and near-infrared optical spectroscopy have great potential beyond their current application to make microplastics analysis cheaper, easier, and faster.