Autor: Sandra Klinkmann

Dem Mikroplastik auf der Spur

17. April 2019

Im zweiten Teil geht es um Details zur Mikroplastikforschung am Fraunhofer IKTS. Was ist bereits passiert? Wie kann Frau Oelschlägel etablierte Verfahren für ihre Forschung nutzen? Welche neuen Methoden müssen entwickelt werden? | Interview #SONNE2

Witterungsprozesse spielen beim Plastik ja eine große Rolle und eben auch in Ihrem Forschungsalltag. Wie untersuchen Sie die Verwitterung der Mikroplastik?

Oelschlägel: Die Verwitterung von Plastik in der Umwelt ist ein sehr komplexes und langwieriges Thema. Ich baute einen Versuchsstand für unterschiedliche, häufig vorkommende Polymermaterialien auf, darunter LDPE, was in Kunststofftüten vorkommt, und PET – die typische Wasserflasche. Der größte Unterschied zwischen den beiden Materialien ist die Dichte. Das LDPE schwimmt auf. Das PET sinkt ab. Wir erwarteten, dass es unterschiedliche Prozesse gibt, die man sehen und bewerten kann, wenn das Plastik untersucht wird.

 

Wie laufen die Versuche konkret ab und was haben Sie bereits belegen können?

Oelschlägel: Zunächst setze ich die Proben UV-Licht aus. Dabei kann ich zusätzlich mechanischen Stress einbringen. Das beispielsweise mit dem sogenannten Kreisschüttler, der rotiert. Die Partikel werden so wie im Meer bewegt. Die UV-Licht-Versuche laufen über 28 Tage – 24 Stunden, sieben Tage die Woche. Damit schaffen wir es, innerhalb von 28 Tagen eine Alterung von 112 Tagen zu erzeugen; genaugenommen 112 Sommertage zur Mittagszeit. Bei den Lampen handelt es sich um spezielle UV-Lampen. Die Intensitäten sind aber den natürlichen Begebenheiten angepasst. Ich entschied mich absichtlich für Reptilienlampen, denn ich wollte kein hochintensives UV-Licht nutzen, welches in der Umwelt nicht vorkommt. Das Licht sollte mit den natürlichen Lichtverhältnissen vergleichbar sein.

Im Labor wird mittels UV-Licht die photochemische Degradation von Mikroplastik innerhalb eines definierten Zeitraums untersucht.
© Fraunhofer IKTS
Im Labor wird mittels UV-Licht die photochemische Degradation von Mikroplastik innerhalb eines definierten Zeitraums untersucht.

Zu Beginn der Versuche entwickelten wir vor allem ein größeres Verständnis für die wichtigen und interessanten Parameter, um festzustellen, ob und wie die Materialien altern. Wir schauten uns dabei nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Partikelform und Dichte an. Wir versuchten über die FTIR-Messung (Messung mit einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer) festzustellen, ob sich Sauerstoff an der Oberfläche befindet, also inwieweit sich neue funktionelle Gruppen bilden. Beim LDPE ist Sauerstoff nicht von Anfang an dabei. Der Sauerstoff wird erst durch die Alterungsprozesse eingebunden.

Was passiert als Nächstes? Welche weiteren Methoden nutzen Sie?

Oelschlägel: Im nächsten Schritt werde ich zusätzlich Sandpartikel einbringen. Uns interessiert, wie die Partikel kleiner werden und wo das Mikroplastik entsteht. Passiert das auf dem Meer, wo es kalt ist, die Partikel schwimmen, sich fortbewegen und UV-Licht einfällt? Oder passiert es in Strandnähe, wo es Steine, Geröll und auch Sand gibt, der an den Partikeln schmirgelt und sie zerreibt? Wir denken, dass in Strandnähe das sekundäre Mikroplastik entsteht. Um die These zu bestätigen und darzustellen, brauche ich die Sandpartikel. Die Versuche werden spannend, denn es muss noch eine Methode entwickelt werden, wie der Sand und die Partikel wieder voneinander getrennt werden können.

Danach schaue ich mir Form und Konzentration der Partikel an. Entweder lagern sie sich zusammen ab und bilden größere Agglomerate oder sie liegen als feine Partikel einzeln vor. Das ist die große Frage. Um sie zu beantworten und die Partikel zu bewerten, ziehen wir die verschiedensten Messmethoden heran. Wir nutzen zum einen die dynamische Bildauswertung. Mit ihr kann ich vor allem die Größe und Form von großen Partikeln bestimmen. Mit der sogenannten »Nanopartikel Tracking Analysis« hingegen untersuche ich Größe und Konzentration von Partikeln, die kleiner als ein Mikrometer sind und damit in den Nanobereich fallen. Außerdem schauen wir auch auf die Oberflächenladung. Und wir entwickeln eine Methode, um die Dichte zu bestimmen. An trockenen Materialien lässt sich die Dichte einfach messen. Das können wir extrem gut. Aber unsere Projektpartner, die die Materialien direkt in der Ostsee altern lassen, haben Partikel, die mit Algen bewachsen und feucht sind. Wenn ich die Partikel nun trockne, zerstöre ich die Algen und verfälsche damit den tatsächlichen Dichtewert des Partikels. Deshalb brauchen wir eine Methode, mit der wir die Nassdichte erfassen können. So entwickelten wir einen Aufschwimmtest. Wir stellten unterschiedliche Testmedien mit verschiedener Dichte her und schauten, ob das Partikel an der Oberfläche schwimmt, im Wasser schwebt oder sich absetzt. Damit können wir uns an die Dichte rantasten.

REM-Bild der Oberfläche eines gealterten Plastikpartikels mit biologischer Anhaftung.
© Fraunhofer IKTS
REM-Bild der Oberfläche eines gealterten Plastikpartikels mit biologischer Anhaftung.

Potthoff: Wir partizipieren bei den Versuchen von Methoden, die im Haus verfügbar sind. Eine davon ist die Röntgendiffraktometrie, denn der Blick auf die Kristallstruktur eröffnet bei Polymeren interessante Fragen. Eine weitere Methode ist die Thermoanalyse, die wir mit unseren Materialien aber eher unterfordern, da die Temperaturbereiche, in denen wir uns bewegen, viel niedriger sind als keramische. Nichtsdestotrotz stehen uns die Technologien zur Verfügung. Mit diesem Pool im Hintergrund hat man coole Möglichkeiten, Prioritäten zu setzen und zu erarbeiten.

Oelschlägel: Außerdem sind wir im Haus gut vernetzt. Die FTIR-Analyse erstellen uns zum Beispiel die Kollegen von der Thermoanalyse. Bei der Farbbestimmung der Polymere hilft uns die Gruppe »Werkstoffsynthese und Werkstoffentwicklung« weiter. Denn das Plastik wird normalerweise gelblich, wenn es altert. Mit der Farbbestimmung weisen wir nach, dass sich der Farbgrad tatsächlich ändert.

Im nächsten Teil #SONNE3 erfahren Sie mehr zum Unterschied zwischen primärer und sekundärer Mikroplastik und was den Wasserfloh mit der Mikroplastik verbindet. Hier gelangen Sie zum ersten Teil des Interviews #SONNE1. Lesen Sie darin, wie Keramikforschung zur Forschung an Mikroplastik passt und lernen sie die beiden Wissenschaftlerinnen kennen.  

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