SOil Sampling for Microplastic Analysis (SOSMA) - Entwicklung von einheitlichen Vorgaben zur Probenahme und Probenvorbehandlung zum vergleichbaren Nachweis von Mikroplastik in Böden und Bodenmaterialien
Land / Region: Deutschland
Projektanfang: 01.10.2021
Projektende: 30.11.2024
Projektstand: 13.11.2023
Hintergrund:
Kunststoffe sind vielseitig einsetzbar, weitverbreitet und werden seit den 1930-40er Jahren weltweit mit steigender Tendenz hergestellt. Relevante Eintragspfade in den Boden sind hinreichend bekannt (u.a. durch Kompost, Reifenabrieb, Klärschlamm, Geotextilien), jedoch lassen sich Eintragsmengen bisher nur abschätzen. Verbleib, Transport und Auswirkungen von Mikroplastik (per definitionem Partikel < 5 mm) in Böden sind noch Stand der gegenwärtigen Forschung.
Es ist jedoch von einer schädlichen Bodenveränderung auszugehen, welcher adäquat begegnet werden muss. Mikroplastik liegt partikulär und häufig heterogen verteilt im Boden vor. Dies stellt insbesondere die Probenentnahme vor besondere Herausforderungen. Aktuell gibt es keine normierte Methode zur Probenentnahme und Probenvorbehandlung, um Mikroplastikgehalte in Böden repräsentativ zu erfassen. Repräsentative und reproduzierbare Messwerte sind jedoch eine wichtige Grundvoraussetzung für eine Risikobewertung.
Projektziele:
Quelle: BGR
Die Zielstellung des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens besteht in der Erarbeitung einer Methode für die Probenahme und Probenvorbehandlung zur Ermittlung von Gehalten an Plastik in Böden (in situ), um repräsentative und reproduzierbare Messwerte zu erzielen. Im Fokus stehen dabei die Größenfraktionen < 1 mm (kleines Mikroplastik), 1 – 5 mm (großes Mikroplastik) und > 5 mm (Mesoplastik). Dazu wurde im Frühjahr 2023 auf einem drei Hektar großen Ackerstandort in Norddeutschland ein großes Probenkollektiv (n = 173) entnommen, um aus einem tiefergehenden Verständnis zur räumlichen Verteilung von Plastik Empfehlungen für die Probenentnahme abzuleiten. Die Charakterisierung der Bodenproben hinsichtlich der räumlichen Variabilität umfasste weiterhin die wichtigsten Bodeneigenschaften, wie die organische Substanz, den pH-Wert und die Kationenaustauschkapazität.
Vorläufige Erkenntnisse:
Bei der Probenahme im Gelände waren nur in sehr wenigen Fällen Mesoplastik-Partikel sichtbar, bei der Probenaufbereitung wurden 260 Partikel in 480 kg Bodenmaterial gefunden und charakterisiert. Auf 1,8 kg Bodenmasse kommt damit ein Mesoplastik-Partikel. Folienfragmente vorwiegend aus Polyethylen und Fasern vorwiegend aus Polypropylen dominieren die Zusammensetzung, wobei neun verschiedene Polymere durch ATR-FTIR nachgewiesen werden konnten. Aussagen zum Eintragspfad sind häufig mit Unsicherheit behaftet. Die gefundenen Polymertypen deuten jedoch auf einen Eintrag durch Kompost hin, der auf fehlerhafte Mülltrennung zurückzuführen ist. Die Auswertung der räumlichen Daten lässt den Schluss zu, dass die Anzahl der Partikel (max. sieben Partikel in einer Probe) räumlich sehr diskret zu betrachten ist. Extreme Werte wurden in unmittelbarer Nähe zu Proben ohne Mesoplastik-Partikel gefunden (Range < 2 m). Proben mit ähnlichen Werten sind für die organische Substanz und die Kationenaustauschkapazität in einem Range von ca. 10 m zu finden, wohingegen der Skelettgehalt (Boden > 2 mm) willkürlich verteilt auftritt (Range > 100 m). Der hochauflösende und detaillierte Datensatz ermöglicht es weiterhin Aussagen über die nötige Stichprobenanzahl zu treffen, um repräsentative Werte für den Standort abzuleiten. Dies wurde mithilfe des Bootstrapping-Verfahrens nachgewiesen, wo durch wiederholtes Ziehen mit Zurücklegen eine neue Stichprobe generiert wird. Auf dieser Grundlage können neue Statistiken sowie deren Verteilungen berechnet werden. Dies wurde unter der Annahme eines tolerierbaren Fehlers von ±10% (95% Konfidenzintervall) getan. Für das Ableiten des pH-Wertes würde man bereits mit acht Proben eine sichere Aussage über den wahren Mittelwert der Ackerfläche erhalten, bei der Anzahl der Mesoplastik-Partikel und der kumulativen Partikelmasse wären jedoch 40 Proben notwendig.
Bilder von der Entnahme georeferenzierter Bodenproben zur Untersuchung auf Mikro- und Mesoplastik im Boden
Quelle: BGR
Ausblick:
Die Auswertungen der Bodenproben wird durch die thermogravimetrische Analyse des kleinen Mikroplastiks (< 1 mm) und der spektroskopischen Analyse des großen Mikroplastiks (1 bis 5 mm) ergänzt. Alle Daten sollen dann in die fachgerechte Bewertung der Plastikbelastung eines Ackerstandortes einfließen, um die Entnahme von Bodenproben zur Analyse von Plastik reproduzierbarer und repräsentativer zu gestalten.
Danksagung:
Dem Umweltbundesamt danken wir für die Finanzierung des Projektes (FKZ 3721742020).
Links:
Das Thema Mikroplastik wird in einem weiteren Projekt an der BGR bearbeitet:
Natürliche und anthropogene Kolloide - Nachweis, Verbleib und Wirkung von Mikro- und Nanoplastik im Boden
Literatur:
Dorau, K., Hoppe, M., Rückamp, D., Köser, J., Scheeder, G., Scholz, K., & Fries, E. (2023). Status quo of operation procedures for soil sampling to analyze microplastics. Microplastics and Nanoplastics, 3(1), Article 1. https://doi.org/10.1186/s43591-023-00063-5.
Partner:
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung,
