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Microplastics in the environment : development of a sample preparation method with further application and evaluation in fluvial and marine compartments

Lechthaler, Simone Elisabeth^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Simone Elisabeth Lechthaler

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Stauch, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05018
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/819390/files/819390.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie (551610)
2. Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)
3. Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie (530000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
anthropogenic contaminant (frei) ; environmental contamination (frei) ; macroplastics (frei) ; microplastics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Kunststoffe können über verschiedene Wege in die Umwelt eingetragen, dort transportiert und abgelagert werden. Sie variieren hinsichtlich des Polymers, der Dichte, der Farbe, der Form und der Größe. Bezüglich der Größe wird dabei zwischen Kunststoffen mit einem Durchmesser ≥ 5 mm, sogenanntem Makroplastik, und Kunststoffpartikeln mit einem Durchmesser < 5 mm, sogenanntem Mikroplastik, unterschieden. Gelangt Makroplastik in die Umwelt, degradiert und fragmentiert es dort in Teilen und fungiert somit als eine zusätzliche Quelle für Mikroplastik. Aufgrund zahlreicher Umweltbeprobungen und numerischer Modelle kann der Verbleib von Makro- und Mikroplastik in der Umwelt nachvollzogen werden. Der Eintrag erfolgt ausschließlich anthropogen bedingt und der sich anschließende Transport findet vorwiegend über Fließgewässer statt. Aufgrund der Materialpersistenz akkumulieren Kunststoffe in der Umwelt vorwiegend auf Wasseroberflächen sowie in Böden und Sedimenten, weshalb diese Bereiche als temporäre Senken betrachtet werden. Die finale Senke stellt der Meeresboden dar. Für die Erweiterung des Prozessverständnisses über Akkumulationsbereiche von Mikroplastik in der Umwelt sind weiterführende Umweltbeprobungen von großer Bedeutung. Um zahlreiche Proben effizient, kostengünstig und vor allem dichteunabhängig aufzubereiten, wurde die Separation mit Rapsöl in einer kunststofffreien Trennapparatur weiterentwickelt und anschließend validiert. Hierbei konnte die Methodik als äquivalente Separationstechnik aufgezeigt werden und wurde nachfolgend an Umweltproben aus zwei unterschiedlichen Bereichen angewandt. Mit der Beprobung von marinen Wasseroberflächen und Sediment im Nordostatlantik konnte einerseits die Anwendbarkeit der rapsölbasierten Separationsmethode und andererseits die Belastung des Untersuchungsgebietes mit Mikroplastik aufgezeigt werden, indem die Proben mikroskopisch ausgewertet und Polymere bestimmt wurden. Zusätzlich wurde bezüglich der Wasserproben eine Zunahme der Belastung mit Entfernung zur Küste und somit in Bereichen mit höherer Wassertiefe festgestellt. Als zweiter Anwendungsbereich wurden fluviale Sedimente eines regionalen Fließgewässers in Nordrhein-Westfalen gewonnen und mit der Aufbereitung durch die Öl-Separation sowie nachfolgender Mikroskopie und Infrarotspektroskopie auf Mikroplastik untersucht. Dafür wurden Tiefenprofile in den Flussauen angelegt und zusätzlich Sedimentproben aus dem Flussbett und Oberflächenproben außerhalb des Überflutungsbereiches entnommen. Die Belastung mit Mikroplastik war in den Tiefenprofilen am höchsten, gefolgt von den Flussbettproben und den Oberflächenproben. Bezüglich der Korngröße lagerte sich Mikroplastik vorwiegend in der Feinsedimentfraktion an. Weiterhin wurde erstmalig die Mikroplastikdetektion in einen sedimentären Kontext diskutiert, indem das Vorkommen in Sedimentschichten zur Grundlage für die Bestimmung von Sedimentationsraten genutzt wurde. Zusätzlich konnten erste Zusammenhänge zwischen den Polymeren der abgelagerten Partikel und der Tiefe des Vorkommens gezogen werden: je älter das Polymer war, desto tiefer waren die Schichten, in denen es gefunden wurde. Anhand der Erkenntnis über die zeitliche Verbindung der Mikroplastikablagerung und der zugehörigen Sedimentdeposition kann zukünftig eine Datierungsmethodik für rezente Sedimente entwickelt werden. Die Detektion von Kunststoffen gibt allgemein einen Nachweis über eine Ablagerung nach 1950, da dort die Kunststoffmassenproduktion begonnen und einen umfassenden Umwelteintrag ermöglicht hat. Die in dieser Arbeit vorgestellten Grundlagen hinsichtlich Eintrag, Transport und Akkumulation von Makro- und Mikroplastik in der Umwelt sowie die Methodenvalidierung zur Separation von Umweltproben mit Rapsöl und die Anwendung in marinen und fluvialen Bereichen können zukünftig vielfältig besonders innerhalb der Mikroplastikforschung verwendet werden. Mit der Betrachtung der Mikroplastikdetektion als zeitlicher Marker für Sedimentdeposition ist zusätzlich die Basis für die Entwicklung einer Datierungsmethodik gegeben.

Plastics enter the environment via different sources and are transported and deposited there. They vary regarding polymer, density, colour, shape and size. Concerning the size, plastics are distinguished by their diameter in macroplastics, d ≥ 5 mm, and microplastics, d < 5 mm. Macroplastics, that enter the environment, are often the origin for microplastics due to degradation and fragmentation. Based on numerous environmental sampling and numeric modelling the fate of macro- and microplastics in the environment can be understood. Thereby, the entry is caused exclusively by anthropogenic action and the following transport is mainly by freshwater systems. Plastics in the environment accumulate due to the material’s durability on water surfaces and in soils and sediments which are therefore considered as temporary sinks. The final sink for plastic in the environment is the sea bed. To better understand the accumulation processes, more environmental sampling is necessary. For the following sample preparation, a separation method was developed based on the density independent extraction with canola oil in an efficient and cost-effective way using a plastic free separation unit. This method was extensively validated and could thus be identified as an equivalent separation technique which was applied on two different environmental areas. First, samples from marine water and sediment in the Northeast Atlantic were taken not only to prove the applicability of the separation method with canola oil but also to identify microplastic concentration there with microscopic analysis and polymer identification. The results showed a microplastic accumulation and furthermore an increase in microplastic concentration with increasing water depths and therefore distance to the coast. Second, fluvial sediments from a regional river catchment in North Rhine Westphalia were taken and analysed by microscope and infrared spectroscopy. The sampling included depth profiles in the river’s floodplains, composite samples from the river bed and surface samples outside the flooding area. The microplastic concentration was highest within the depth profile samples, followed by the river bed samples and the surface samples. Concerning the grain size, microplastic accumulated predominantly within fine sediment fraction. Furthermore, microplastic detection was set in a sedimentary context for the first time by using it to determine sedimentation rates. Additionally, a connection could be drawn between the polymers of the detected microplastic and the depth of the related sediment layer: the older the polymer, the deeper the layer in which it was found.With the knowledge about a temporal connection between microplastics and sediment deposition, a dating method for recent sediment layers can be developed in the future. In general, the detection of plastics can be seen as an indicator for a deposition after 1950, where the plastic mass production has started and enabled extensive environmental input. The understanding of entry, transport and accumulation of macro- and microplastics as well as the method validation of canola oil extraction and following application in marine and fluvial environments can be used variously as basics especially in upcoming microplastic research. With the consideration of microplastic detection as temporal marker for sediment deposition an additional groundwork for the development of a sediment dating method was set.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020934118

Interne Identnummern
RWTH-2021-05018
Datensatz-ID: 819390

Beteiligte Länder
Germany