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Probenahme und Identifizierung von Mikroplastik im Grundwasser

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DOI:

10.3791/68652

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7. November 2025

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1National Institute of Biology, 2Geological Survey of Slovenia, Groundwater - Hydrogeology, 3Institute for Water of the Republic of Slovenia, Sector for Marine Waters

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Im Folgenden wird detailliert beschrieben, wie mit Hilfe eines eigens entwickelten patentierten Probenahmesystems Grundwasser aus einem Bohrloch für die Mikroplastikanalytik entnommen wurde. Das Protokoll beschreibt die Methoden zur Probenahme von Mikroplastik aus Bohrlöchern sowie die Trennung und chemische Identifizierung von Mikroplastik.

Zusammenfassung

Über die Verschmutzung des Grundwassers durch Mikroplastik wird in der wissenschaftlichen Literatur nach wie vor deutlich zu wenig berichtet. In diesem Beitrag wird ein umfassendes Protokoll vorgestellt, das die Methodik für die Probenahme von Grundwasser aus Bohrlöchern sowie die Schritte der Abscheidung und Analyse von Mikroplastik beschreibt. Es enthält eine ausführliche Beschreibung eines speziell für diesen Zweck entwickelten Filtrationsprobenahmesystems sowie das detaillierte Probenahmeverfahren. Darüber hinaus wird die Laboranalyse von Mikroplastikpartikeln vorgestellt, einschließlich ihrer Charakterisierung anhand von Größe, Form, Farbe, Transparenz und chemischer Struktur mittels abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) und Mikro-FTIR-Spektroskopie. Faktoren, die die Ergebnisse beeinflussen können, werden diskutiert und ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung einer Kontamination der Proben gelegt. Die beschriebene Methodik berücksichtigt auch die Anforderungen des Anhangs des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission vom 11. März 2024 zur Ergänzung der Richtlinie (EU) 2020/2184 des Europäischen Parlaments und des Rates. Dieses umfassende schriftliche Protokoll, begleitet von einer Videoanleitung, soll die Entwicklung einer synchronisierten Methodik zur Überwachung von Mikroplastik im Grund- oder Trinkwasser unterstützen. Diese Ressource wird für Forscher auf dem Gebiet des Mikroplastiks weltweit von Interesse sein.

Einleitung

In den letzten Jahren wurde Mikroplastik (MP) als wichtiger Umweltschadstoff identifiziert. Aufgrund ihres Potenzials, in die Atmosphäre zu gelangen, sind MP Teil des Wasserkreislaufs1. Atmosphärische Ablagerung und Oberflächenabfluss sind die Hauptwege, über die MP in Oberflächenwasser gelangen2. MP stammen aus verschiedenen terrestrischen und aquatischen Quellen, wobei terrestrische Quellen 80 % ihrer Gesamtmenge ausmachen3. Beim Eintritt in aquatische Ökosysteme wird der Großteil der terrestrischen MP über Flüsse in die Ozeane transportiert. Die verbleibenden MP leben in Süßwasserumgebungen fort, wobei Oberflächengewässer in dicht besiedelten und urbanisierten Gebieten, die durch lange Verweilzeiten des Wassers und signifikante anthropogene Einflüsse gekennzeichnet sind, ein höheres Maß an MP-Verschmutzung aufweisen. Oberflächengewässer können sich auch mit dem Grundwasser in Flussbetten, Überschwemmungsgebieten, Feuchtgebieten und Quellen verbinden4.

Obwohl die Forschung in Süßwasserlebensräumen im Jahr 2018 weniger als 4 % der verfügbaren Literatur ausmachte5, hat die zunehmende Erkenntnis der Notwendigkeit, MP-Quellen in aquatischen Umgebungen besser zu verstehen, seitdem zu einer bemerkenswerten Zunahme von Studien geführt, die sich auf Süßwassersysteme konzentrieren6. Während die Zahl der Studien über das Grundwasser nach wie vor begrenzt ist, sind die Beweise für das Vorhandensein von MP im Grundwasser gut dokumentiert. Da Grundwasser die wichtigste Süßwasserquelle der Welt ist und mehr als zwei Milliarden Menschen Zugang zu sauberem Trinkwasser und Wasser für den häuslichen, landwirtschaftlichen und industriellen Gebrauch bietet7, wirft die Präsenz von MP im Grundwasser neue Fragen zur Grundwassersicherheit im 21. Jahrhundertauf 8.

Die terrestrischen Quellen von MP können sehr vielfältig sein, wobei faserige MP aus dem Waschen von Textilien etwa 35 % der in aquatischen Systemen nachgewiesenen MP ausmachen9. Weitere wichtige Quellen für verschiedene Arten von MP in der Umwelt sind Körperpflege- und Kosmetikprodukte, Reifen, landwirtschaftliche Kunststofffolien, Kunstrasen- und Straßenbeschichtungen, Mülldeponien, unsachgemäß entsorgte Kunststoffe, Verpackungen und Schadstoffe aus der Bauindustrie 9,10.

Aufgrund ihrer vielen verschiedenen Quellen können sich MP in Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung, Farbe, Form, Dichte, Größe und andere Eigenschaften erheblich unterscheiden11. Die internationale Norm ISO 24187:2023 klassifiziert MP in zwei Kategorien: 1) "großes Mikroplastik": feste, wasserunlösliche Kunststoffpartikel mit Größen zwischen 1 mm und 5 mm, und 2) "Mikroplastik": alle festen Kunststoffpartikel, die in Wasser unlöslich sind und eine Größe zwischen 1 μm und 1 mm haben. Partikel, die kleiner als 1 μm sind, gelten als Nanopartikel12. Die am häufigsten vorkommenden Polymerwerkstoffe in Form von MP sind Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) als die am häufigsten hergestellten Polymerwerkstoffe13.

MP können aus Böden und Sedimenten, über Wechselwirkungen mit Oberflächen- und Meerwasser sowie durch Anreicherungs-/Abflussprozesse in das Grundwasser transportiert werden. Während dieser Prozesse können MP in das und aus dem Grundwasser transportiert werden14. Die hyporheische Zone (HZ) dient als wichtige Schnittstelle für den Austausch zwischen dem Fluss und dem flachen Grundwassersystem15. Der Transport von MP durch die HZ wird durch verschiedene Partikeleigenschaften (Größe, Form, Materialzusammensetzung) sowie durch bestimmte hydrologische und geochemische Faktoren, einschließlich der Morphologie des Flussbetts und der Strömungsturbulenzen15, beeinflusst. Die Beziehung zwischen Porendurchmesser und MP-Größe ist ein weiterer entscheidender Faktor in diesen Prozessen16, da MP mit kleineren Abmessungen leichter durch den Porenraum von der Oberfläche in die unterirdischen Schichten gelangen15,16.

MP können durch die ungesättigte Zone17 in das Grundwasser gelangen. Die ungesättigte Zone stellt eine wichtige Verbindung zwischen der Landoberfläche und dem Grundwasserdar 18. Die Prozesse des Transports und der Rückhaltung von MP in der ungesättigten Zone hängen von den Partikeleigenschaften, den Bodeneigenschaften und den Umweltfaktorenab 17,19,20. Bodenorganismen wie Regenwürmer, Collembolen und Milben können den Transport von MP von der Bodenoberfläche in tiefere Schichten durch verschiedene Mechanismen wie Verdrängung, Aufnahme, Verschlingung und Adhärenz beeinflussen21,22. Wirbellose Tiere können den Transport von Mikroplastik indirekt beeinflussen, indem sie Makroporen im Boden bilden, die als Wege für die Bewegung von Mikroplastik durch Auswaschung dienen21.

Die Hauptsorge hinsichtlich des Vorhandenseins von MP im Grundwasser ist ihre Persistenz im Zusammenhang mit der großen Oberfläche, weniger umweltfreundlichen Abbauprozessen (die zur Bildung von Partikeln in Mikro- und sogar Nanogröße führen) und ihrer starken Hydrophobie17. Ihre Persistenz birgt ein potenzielles Risiko, die Grundwasserqualität aus chemischer und biologischer Sicht zu beeinträchtigen. MP können das Grundwasser chemisch verschmutzen, indem sie ungebundene Monomere und Additive sowie sorbierte Chemikalien aus der Umwelt (z. B. hydrophobe persistente organische Schadstoffe) auslaugen23. MP können auch als Substrat für die Biofilmbildung dienen und die Mikrobiologie des Grundwassers beeinflussen. Biofilme auf MP können auch freilebende Mikroorganismen und Krankheitserreger enthalten23. Wenn die Partikel verschluckt werden, stellen sie selbst eine physikalische Gefahr dar. Je kleiner die Partikelgröße ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie in Zellen aufgenommen werden oder biologische Barrieren von Organismen überwinden23.

Die Erforschung von MP im Grundwasser wird aufgrund des potenziellen Risikos, das MP für die menschliche Gesundheit darstellt, zunehmend als kritisch angesehen. Daher trat im Januar 2021 die überarbeitete Trinkwasserrichtlinie für die Messung von MPs in Kraft. Die EU-Mitgliedstaaten wurden verpflichtet, die Richtlinie bis zum 12. Januar 2023 in nationales Recht umzusetzen und für die Einhaltung ihrer Bestimmungen zu sorgen. Dennoch ist die Zahl der bisher durchgeführten Studien über MP nach wie vor begrenzt. Derzeit gibt es kein Standardverfahren für die Probenahme und Analyse von MP im Grundwasser. Studien, die das Vorkommen von MP im Grundwasser bewerten, sind schwer zu vergleichen, da sie unterschiedliche Probenahme- und Analyseansätze verwenden. Daher haben neuere Studien die dringende Notwendigkeit hervorgehoben, die Protokolle für die Probenahme und Analyse von MPs zu standardisieren, um die Entnahme hochwertiger Proben zu gewährleisten und vergleichbare Ergebnisse zu erzielen 12,17,24,25.

Die filtrationsbasierte Probenahme und die Stichprobenahme sind zwei bisher häufig verwendete Methoden zur Entnahme von Grundwasserproben in MP-Studien. Bei der Filtration wird Wasser auf dem Feld durch Netzfilter, entweder Edelstahlpatronen26 oder Siebe27, geleitet, um MP-Partikel aufzufangen. Ein großer Nachteil der Verwendung von Kartuschen und Sieben ist die Schwierigkeit, sie gründlich von Restpartikeln zu reinigen, was die Fähigkeit zur Gewährleistung einer vollständigen Probenanalyse beeinträchtigt und das Risiko einer Kreuzkontamination erhöht. Die Stichprobenahme, die in vielen Studien häufig verwendet wird 28,29,30, ist ein einfacherer Ansatz, bei dem das Wasser ohne Vorbehandlung direkt mit Flaschen oder Behältern gesammelt wird. Die Stichprobennahme eignet sich zwar für explorative Studien, spiegelt aber aufgrund des geringen Probenvolumens die MP-Konzentrationen nicht genau wider.

In dieser Studie wird ein neu entwickeltes System zur Probenahme von MP im Grundwasser vorgestellt (Abbildung 1), das auf Feldfiltration mit kommerziell erhältlichen Filtern mit anpassbaren Porengrößen basiert. Das System ermöglicht die gleichzeitige Filtration mehrerer Proben und unterstützt die Kaskadenfiltration. Er ist als vollständig geschlossener Aufbau konzipiert und verhindert effektiv eine Umweltkontamination der Proben. Es wird ein detailliertes Probenahmeprotokoll zur Verfügung gestellt, das von Videorichtlinien begleitet wird, zusammen mit Verfahren für die anschließende Analyse der chemischen Zusammensetzung und anderer Eigenschaften der nachgewiesenen MP. Ziel des Systems ist es, die Qualität, Konsistenz und Vergleichbarkeit künftiger Forschung in diesem Bereich zu verbessern.

Protokoll

1. Vorbereitung des Bohrlochs für die Probenahme

HINWEIS: Um eine Kontamination vor Ort zu vermeiden, halten Sie das Filtersystem geschlossen, außer beim Einsetzen der Filter oder bei der Entnahme von Proben. Vermeiden Sie die Verwendung von Plastikwerkzeugen und -behältern. Vermeiden Sie synthetische Kleidung (z. B. Fleece); Tragen Sie einen weißen Laborkittel aus Baumwolle.

  1. Öffnen Sie das Bohrloch und entfernen Sie ggf. vorhandene Probenehmer. Messen Sie den Grundwasserstand mit einem Wasserstandsmesser.
  2. Notieren Sie die GPS-Koordinaten des Bohrlochs, das Datum der Probenahme, den Wasserstand und andere Details zur Probenahme auf dem Datenblatt (Tabelle 1).

2. Einrichten der Probenahmegeräte

  1. Montieren Sie die Tauchpumpe und senken Sie sie vorsichtig bis zur gewünschten Tiefe in den Schacht ab. Stellen Sie sicher, dass sich der Pumpeneinlass ca. 1 m über der Oberseite des Filtersiebs befindet, um das Eindringen von Sedimenten zu verhindern und einen optimalen Wasserfluss zu gewährleisten.
    HINWEIS: Gehen Sie während der Installation vorsichtig mit der Pumpe um, um Schäden an der Verkabelung oder den mechanischen Komponenten zu vermeiden.
  2. Stellen Sie das Filtersystem ohne die Filterstützsiebe und Filter auf und platzieren Sie es waagerecht.
  3. Schließen Sie das Hauptventil und öffnen Sie das Bypassventil.
  4. Schließen Sie den Wasserzulaufschlauch an.

3. Reinigung des Bohrlochs

  1. Starten Sie die Tauchpumpe und lassen Sie das Wasser durch den Bypass fließen, um das Bohrloch zu reinigen. Pumpen Sie mindestens das 3-fache des im Bohrloch vorhandenen Wasservolumens oder pumpen Sie weiter, bis sich die physikalisch-chemischen Parameter stabilisiert haben, um sicherzustellen, dass frisches Grundwasser entnommen wird.

4. Reinigung des Filtersystems vor der Probenahme

  1. Öffnen Sie die Ventile der Probenahmestutzen und das Hauptventil des Filtersystems. Schließen Sie anschließend das Bypass-Ventil.
    HINWEIS: Lassen Sie das Wasser ausreichend lange durch das Filtersystem fließen, um eine effektive Spülung zu gewährleisten, die von der Pumprate abhängen kann. Während des Reinigungsprozesses müssen die Filterstützsiebe und Filter entfernt werden.

5. Einsetzen der Filter

  1. Öffnen Sie zuerst das Bypassventil und schließen Sie dann das Hauptventil.
  2. Öffnen Sie die Filterkammer und prüfen Sie, ob die Filterkammern sauber sind. Bei Bedarf mit Reinstwasser nachspülen.
  3. Setzen Sie das Filterstützsieb ein.
  4. Spülen Sie den Filter mit Reinstwasser von der gewünschten Porengröße aus und legen Sie ihn auf das Filterauflagesieb.
  5. Schließen Sie die Filterkammer.
  6. Wiederholen Sie den Vorgang für alle Verzweigungen.
    HINWEIS: Für die Kaskadenfiltration können mehrere Filter mit abnehmenden Porengrößen nacheinander eingesetzt werden. Zusätzliche Filterkammern mit Filtern, die die gleichen Porengrößen wie die Probenahmefilter haben, können nachträglich eingebaut werden. Dies ist im Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission vom 11. März 2024 zur Ergänzung der Richtlinie (EU) 2020/2184 des Europäischen Parlaments und des Rates für die Probenahme von MP im Trinkwasser vorgeschrieben, in dem die Verwendung von 100-μm- und 20-μm-Filtern gefolgt von einem weiteren Satz von 100-μm- und 20-μm-Filtern (als Blindproben für Qualitätskontrollzwecke) vorgeschrieben ist.

6. Probenentnahme

  1. Lesen und notieren Sie den Wasserzähler oder setzen Sie ihn auf Null zurück.
  2. Öffnen Sie das Hauptventil, schließen Sie das Bypass-Ventil und markieren Sie die Startzeit der Probenahme.
  3. Überwachen Sie das Manometer während der Probenahme, um sicherzustellen, dass der Druck vier bar nicht überschreitet, um eine Beschädigung des Geräts zu vermeiden und die MP-Fragmentierung zu minimieren.
  4. Stoppen Sie die Probenahme, wenn die geplante Wassermenge gefiltert ist oder wenn die Filter zu verstopfen beginnen, was sich durch erhöhten Druck oder deutlich verringerten Durchfluss anzeigt.
  5. Um die Probenahme zu stoppen, öffnen Sie zuerst das Bypassventil und schließen Sie dann das Hauptventil und die Ventile an den Filterstutzen.
  6. Schalten Sie die Pumpe aus.
  7. Notieren Sie die Uhrzeit und die Endmesswerte des Wasserzählers.
    HINWEIS: Um eine repräsentative Grundwasserprobe an der Probenahmestelle zu erhalten, wird empfohlen, größere Wassermengen zu beproben, z. B. mindestens 1 m3/Replikat.
    Es ist zwingend erforderlich, das gesamte Probenahmesystem, insbesondere den Wasserzähler und das Manometer, während des gesamten Probenahmevorgangs kontinuierlich zu überwachen. Ein Anstieg des Drucks, begleitet von einer Abnahme des Wasserdurchflusses, deutet darauf hin, dass der Filter zu verstopfen beginnt. In diesem Fall ist es ratsam, das System zu stoppen und die gebrauchten Filter durch neue zu ersetzen. Durch die Entnahme der Probe über mehrere Filter auf diese Weise kann das gewünschte Volumen an gefiltertem Wasser dennoch effizient erreicht werden.

7. Sammeln der Filter

  1. Spülen Sie eine Petrischale aus Glas mit Reinstwasser aus.
  2. Öffnen Sie die Filterkammer und bringen Sie den Filter vorsichtig in eine saubere Petrischale.
  3. Verschließen Sie die Petrischale mit einer Siegelfolie und beschriften Sie sie mit dem Probennamen und dem Datum der Probenahme.
  4. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Filterkammern (Abbildung 2).
  5. Zerlegen Sie das System nach der Probenentnahme. Spülen Sie das System immer mit frischem Wasser aus und trocknen Sie es vor der Lagerung.
    HINWEIS: Alternativ können Sie die gesamte Filterkammerkomponente des Filtersystems für die weitere Verarbeitung im Labor lagern.

8. Abtrennung von Mikroplastik aus Proben

HINWEIS: Um eine Kontamination im Labor zu vermeiden, stellen Sie vor Beginn der Analyse der Proben sicher, dass das Labor von Staub gereinigt ist, schließen Sie das Fenster und verwenden Sie eine Klimaanlage mit einem HEPA-Filter. Vermeiden Sie die Verwendung von Plastikwerkzeugen und -behältern. Glaswaren müssen vor der Verwendung mit Reinstwasser gespült und unter dem Mikroskop überprüft werden. Verwende nicht-synthetische Kleidung. Tragen Sie einen weißen Laborkittel aus Baumwolle, um die Kontamination zu minimieren.

HINWEIS: Das Stereomikroskop muss mit einer Kamera und einer Bildanalysesoftware ausgestattet sein, die eine genaue Messung der Partikelgröße ermöglichen.

  1. Entfernen Sie die Siegelfolie und öffnen Sie die Petrischale.
  2. Übertragen Sie die Petrischale mit mindestens 30-facher Vergrößerung unter das Stereomikroskop und suchen Sie nach potenziell plastischen Partikeln, wobei Sie sich auf Eigenschaften wie Farbe, Form und andere sichtbare Merkmale konzentrieren.
  3. Übertragen Sie jedes Partikel, das aus Plastik zu sein scheint, machen Sie ein Foto und messen Sie seine Größe. Bewerten Sie die folgenden Eigenschaften für jedes MP-Partikel: Größe (Partikel: Feretmax oder flächenäquivalenter Durchmesser; Fasern: Breite und Länge), Form (Partikel: Fragment, Film, Schaum, Pellet, Granulat; Fasern), Farbe und chemische Zusammensetzung (die Methodik wird unten beschrieben) (Abbildung 3).
    HINWEIS: Denken Sie daran, dass einige Abgeordnete leicht an ihrer Farbe und Form zu erkennen sind, während andere eine größere Herausforderung darstellen können.
    Die Hauptparameter für die MP-Identifizierung sind im Protokoll für die MP-Probenahme an der Meeresoberfläche und die Probenanalyse26 beschrieben. Polarisierendes Licht kann sehr hilfreich sein, um MP von Sedimenten und organischen Partikeln zu trennen. Wenn Sie potenzielle MP aus den Proben isolieren, entscheiden Sie sich für einen konservativen Ansatz, indem Sie mehr statt weniger Partikel für die detaillierte Analyse auswählen.

9. Chemische Identifizierung von Mikroplastik

HINWEIS: Die chemische Analyse des potentiellen MP kann bei großen MP (1-5 mm) mit ATR-FTIR und bei kleinen MP (<1 mm) mit Micro-FTIR durchgeführt werden. Auch alternative Methoden, wie die Raman-Spektroskopie, sind möglich.
Die FTIR-Gerätesoftware sollte eine präzise Steuerung der Messparameter und die Erfassung von spektralen Daten in Echtzeit unterstützen, zusammen mit fortschrittlichen Verarbeitungswerkzeugen wie Hintergrundkorrektur und Glättung. Es muss eine umfassende Polymerbibliothek enthalten und eine zuverlässige Identifizierung von Substanzen durch den Vergleich von Spektralbibliotheken ermöglichen, um eine genaue Analyse von Mikroplastik in Umweltproben zu unterstützen, insbesondere in komplexen Matrices wie dem Grundwasser.

  1. ATR-FTIR-Spektroskopie
    1. Reinigen Sie vor Beginn der Analyse den ATR-Kristall und den Probenpressor gründlich mit 70 % Alkohol und einem fusselfreien Tuch.
    2. Konfigurieren Sie die Messeinstellungen auf typischerweise 16 Scans mit einer Wellenzahl von 4000 bis 450 cm -1 und einer Auflösung von 4 cm -1. Sammeln Sie dann das Hintergrundspektrum. Legen Sie die Partikel nacheinander auf den ATR-Kristall, üben Sie Druck aus und starten Sie die Messungen.
    3. Gleichen Sie die erfassten Infrarotspektren mit denen in Referenzbibliotheken ab, um die Partikel als MP zu bestätigen. Typischerweise wird eine Korrelation von 70 % mit Bibliotheksspektren als ausreichend für eine positive Identifizierung angesehen (Abbildung 4).
    4. Exportieren Sie die erhaltenen Daten für weitere Analysen und Berichte.
  2. Mikro-FTIR-Spektroskopie
    1. Stellen Sie sicher, dass alle relevanten Teile des Instruments, wie z. B. der Tisch, vor der Analyse mit Alkohol und einem fusselfreien Tuch gereinigt werden.
    2. Wenn die Probenahme nicht direkt auf einer für den gewählten Messmodus geeigneten Oberfläche, wie z. B. ATR oder Reflexion, durchgeführt wurde, platzieren Sie die potenziellen Kunststoffpartikel auf einer geeigneten reflektierenden Oberfläche, wie z. B. gold- oder aluminiumbeschichteten Membranen oder Objektträgern.
    3. Wählen Sie die Messeinstellungen für die Sitzung aus, einschließlich der Anzahl der Scans, des Spektralbereichs, der Auflösung und des Sitzungsnamens. Suchen Sie die Probe, und erfassen Sie ein Mosaikbild des Bereichs, in dem sich alle Partikel befinden.
    4. Bei Reflexionsmessungen messen Sie zunächst den Hintergrund, bevor Sie die Infrarotspektren der potentiellen Kunststoffpartikel messen.
    5. Identifizieren und markieren Sie die Punkte, an denen die Infrarotspektren der ausgewählten Partikel gemessen werden. Wählen Sie bei Bedarf mehrere Punkte auf jedem Partikel aus. Nachdem Sie alle Punkte ausgewählt haben, starten Sie die Messung.
      HINWEIS: Es ist auch möglich, Infrarotbilder von größeren Bereichen von Interesse zu erhalten, insbesondere wenn die Probe direkt auf einer geeigneten Infrarot-Messoberfläche entnommen wird.
    6. Vergleichen Sie die gesammelten Infrarotspektren mit denen aus Referenzbibliotheken. Wählen Sie einen Schwellenwert für die Feststellung des Vorhandenseins von MPs. In der Regel ist eine Übereinstimmung von 70 % für eine positive Identifizierung ausreichend.
    7. Exportieren Sie die erhaltenen Daten für weitere Analysen und Berichte.

Ergebnisse

Das erste Ergebnis dieses Protokolls ist die Datenbank aller in jeder Probe gefundenen MP (Tabelle 2), die für eine weitere Analyse der MP-Menge und ihrer Eigenschaften (Farbe, Größe, Form in der Materialzusammensetzung) verwendet werden kann.

Das primäre Ziel der MP-Probenahme und Probenanalyse besteht darin, die Menge an MP-Partikeln pro Probe zu bestimmen (Abbildung 5). Diese Daten können anschließend pro Kubikmeter (m3) normiert werden. Die Normalisierungsformel lautet wie folgt:
MP Partikel pro m3 pro Probe = N / V

Wo:
N = Summe der MP-Partikel pro Probe
V = Probenvolumen (m3)

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Abbildung 1: Schematische Darstellung des im Protokoll verwendeten Probenahmesystems. Das Probenahmesystem besteht aus einem Einlassrohr mit drei Beinen, wobei ein Schenkel für den Anschluss an eine Pumpe, ein zweiter Schenkel für den Anschluss an eine Verteilereinheit und ein dritter Schenkel angeordnet ist, um einen Bypass des Wassers an den Probenahmeeinheiten vorbei zu gewährleisten. Die Verteilereinheit weist vier symmetrisch angeordnete Abzweige zum Anschluss an die entsprechende Probenahmeeinheit auf, wobei in der Mitte der Verteilereinheit eine Druckmesseinrichtung installiert ist. Jede Probenahmeeinheit ist mit einem Ventil, drei Filterhaltern und einem Durchflussmesser ausgestattet, der hinter dem Filterhalter installiert ist, um eine Kontamination der Probe zu verhindern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Beispiel für Filter nach 1 m3 des beprobten Grundwassers. Links: Nylon-Netzfilter mit einer Porengröße von 100 μm, rechts: Nylon-Netzfilter mit einer Porengröße von 20 μm. Die Filter können sich je nach Probenahmeort in der Menge an Sedimenten und organischen Partikeln unterscheiden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 3: Beispiele für repräsentative Partikel unterschiedlicher Form. (A) Fragmente; (B) Fasern. Maßstabsleisten sind in den Bildern zu sehen. Partikel können viele verschiedene Farben, Formen und Größen haben. Die Größe der Fragmente wird als Feret-Durchmesser oder flächenäquivalenter Durchmesser gemessen, während die Fasern in ihrer Länge und Breite gemessen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 4: Beispielspektren, die an einem ausgewählten Partikel mit markierten Peaks und deren Wellenlängen [cm-1] gemessen wurden, verglichen mit einer Spektralbibliothek. Das Probenspektrum sollte eine Korrelation von mindestens 70% mit den Referenzspektren in der Bibliothek aufweisen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 5: Beispielhafte Ergebnisse der Anzahl von Mikroplastik pro m3 pro Probenahmeort. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Standort: Bohrloch 1Datum: 1. AprilForscher: Forscher 1, Forscher 2, Forscher 3
GPS-Koordinaten: 46.056946 N 14.505751 E
Projekt: Grundwasserprobenahme
Wetterbedingungen: Sonnig
Temperatur (°C): 20
Proben
Proben-IDGW1.1GW1.2GW1.3GW1.4
Position der Filtration1234
Typ des FiltersNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μm
Tiefe der Probenahme (m)25252525
Startzeit10.0010.0010.0010.00
Wasserzähler START (m3)437.4199
Endzeit10.45
Wasserzähler ENDE (m3)438.421
Volumen des beprobten Wassers (m3)1.001
Andere

Tabelle 1: Beispiel für ein Datenblatt zur Probenahme, einschließlich Parametern wie Standort, Datum, Umgebungsbedingungen und Daten zur Wasserfiltration.

OrtProbePartikel-IDFormGröße (mm)FarbeChemische Zusammensetzung%-ÜbereinstimmungPrioritäre PolymereInstrumentSpektrumAndere
Bohrloch 1Borehole1_1_202422041Teilchen0.54schwarzPolytetrafluorethylen80.2PTFESpektrum zweiabc1111
Bohrloch 1Borehole1_1_202422042Faser0.98blauPolyethylen-Teraphalat91.9HAUSTIERRaptIRabc1112
Bohrloch 1Borehole1_2_202422041Faser1.54blauPolyamid75.0PAPARaptIRabc1113
Bohrloch 1Borehole1_2_202422042Faser2.87rotPolyethylen-Teraphalat98.0HAUSTIERRaptIRabc1114
Bohrloch 1Borehole1_2_202422043Faser3.04rotPolyethylen-Teraphalat71.3HAUSTIERRaptIRabc1115
Bohrloch 1Borehole1_2_202422044Faser1.27blauPolyethylen-Teraphalat83.6HAUSTIERRaptIRabc1116
Bohrloch 1Borehole1_3_202422041Teilchen1.93weißPolyäthylen85.3PESpektrum zweiabc1117
Bohrloch 1Borehole1_3_202422042Teilchen0.96blauPolyäthylen89.4PESpektrum zweiabc1118
Bohrloch 1Borehole1_3_202422043Faser0.54blauPolyamid73.2PAPARaptIRabc1119

Tabelle 2: Beispieldatenbank aller isolierten Mikroplastikpartikel pro Probenahme, einschließlich Parametern wie Form, Größe, Farbe und Material für jedes Partikel.

Diskussion

Die Laboranalyse von MP in diesem Protokoll folgt dem Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission vom 11. März 2024 zur Ergänzung der Richtlinie (EU) 2020/2184 des Europäischen Parlaments und des Rates durch die Festlegung einer Methode zur Messung des MP-Gehalts in Wasser für den menschlichen Gebrauch (Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission) und den Leitlinien zur Überwachung von Abfällen im Meer in den europäischen Meeren31 entwickelt für die Umsetzung der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL). Nach Abschluss dieses Protokolls wird jedes MP-Partikel oder jede Faser mit einer eigenen ID mit einem Bild, Spektren und allen erfassten Eigenschaften dokumentiert. Jedes MP-Partikel wird in Bezug auf seine Form, Größe, Farbe, Transparenz und chemische Zusammensetzung (Polymertyp) beschrieben.

Gemäß dem Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission werden MP in zwei Arten von Formen unterteilt: Partikel und Fasern. Partikel können weiter in Fragmente, Filme, Schäume, Pellets und Granulate unterteilt werden. Diese Klassifizierung wird bei der Überwachung von MP für die MSRL verwendet. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von MP-Formen ist in den MSRL-Richtlinien31 und im Videoprotokoll für die Probenahme von MP auf der Meeresoberfläche32 beschrieben. Die Größe jedes Partikels wird als maximaler Feret-Durchmesser31 oder flächenäquivalenter Durchmesser gemessen (Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission), während die Abmessungen der Fasern in Bezug auf ihre Länge und Breite31 erfasst werden. Farbe und Transparenz sind zwar nicht in den Daten enthalten, die gemäß dem Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission erfasst wurden, aber in der Liste der für die MSRL erfassten MPS-Eigenschaften. Die Einstufungen sind in den Tabellen 7.3 bzw. 7.4 der MSRL-Leitlinien31 aufgeführt.

Auf der Grundlage des Ergebnisses der Spektrumssuche in der Spektrumbibliothek werden MP-Partikel in eine der prioritären Polymergruppen eingeteilt, die im Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission Abschnitt 1 Nummern 14 und 15 aufgeführt sind, oder als andere Materialien in Abschnitt 1 Nummer 15 eingestuft. Die chemische Zusammensetzung von Fasern sollte nur analysiert werden, wenn ihre Abmessungen und die Fähigkeiten des Instruments eine eindeutige Identifizierung des Polymertyps ermöglichen. Andernfalls sind sie als nicht identifizierte Fasern zu kennzeichnen.

Die Überwachung von MP im Grundwasser beschränkt sich auf eine kleine Anzahl von Forschungsstudien mit unterschiedlichen Methoden, die sich auf die Endergebnisse auswirken können14. Zu den Schlüsselfaktoren gehören: 1) Spülung vor der Probenahme, 2) Pumpentyp, 3) Filtrationssystem, 4) Filtermaterial und Porengröße, 5) Probenahmevolumen, 6) Probenbehandlung, 7) MP-Erkennung und -Quantifizierung und 8) Qualitätskontrolle. Auf diese Faktoren und ihre Eigenschaften wird im Folgenden näher eingegangen.

In den meisten vorhandenen Studien wird das Vorpumpen (Spülen) vor der Probenahme nicht erwähnt. Es sollte aber auch darüber informiert werden33, da die Säuberungen einen erheblichen Einfluss auf die Konzentration der Abgeordnetenhaben 28. Unser Protokoll beinhaltet das Vorpumpen, da dieser Prozess für die Probenahme von frischem Grundwasser aus dem Grundwasserleiter und nicht für stehendes Wasser, das sich im Bohrloch angesammelt hat, von entscheidender Bedeutung ist. Um das Bohrloch effektiv zu reinigen, ist es notwendig, das 2-3-fache des Volumens des Bohrlochs abzupumpen oder so lange fortzufahren, bis sich die physikalisch-chemischen Parameter des Wassersstabilisieren 14. Die Wasserprobe sollte etwa 1 m über dem oberen Rand des Filtersiebs entnommen werden, um eine Sedimentaufnahme zu verhindern und eine homogene Probe zu gewährleisten.

Die Entnahme von Grundwasserproben aus Bohrlöchern erfordert den Einsatz einer Pumpe. Die Durchflussmenge wird stark von der Probenahmetiefe, der Art der eingesetzten Pumpe und dem Zustand des Bohrlochs beeinflusst, der eng mit den standortspezifischen Wassereigenschaften – wie z.B. dem Sedimentgehalt – sowie den zum Zeitpunkt der Probenahme vorherrschenden und aktuellen Wetterbedingungen verknüpft ist.

In der Regel enthalten die meisten Pumpen Kunststoffteile, die Proben verunreinigen können, aber die meisten Studien geben den verwendeten Pumpentyp nicht an. Empfehlenswert sind Pumpen, bei denen alle Komponenten aus Edelstahl gefertigt sind. Ist dies nicht möglich, sollten die Materialien hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung mittels FTIR-Analyse spezifiziert werden. Die Spektren der verwendeten Materialien müssen in die Bibliothek aufgenommen werden, und die Partikel aus den Proben müssen mit ihnen verglichen werden, um eine mögliche Kontamination zu berücksichtigen.

Bei Pumpen, die mit Laufrädern ausgestattet sind, können größere MP-Partikel beim Durchgang durch die Pumpe beschädigt oder sogar zerkleinert werden. Um das Vorhandensein von MP nicht zu überschätzen, ist es wichtig zu beurteilen, ob die Probenahmepumpe zur Fragmentierung von Kunststoffpartikeln beiträgt. Dies kann getestet werden, indem eine bekannte Anzahl gut charakterisierter MP-Partikel in zuvor gereinigtes Wasser eingebracht und durch das Filtersystem gepumpt wird. Nach dem Pumpen sollten die Partikel neu charakterisiert werden, um festzustellen, ob physikalische Veränderungen wie Fragmentierung oder Oberflächenveränderung aufgetreten sind. Dieser Validierungsschritt trägt dazu bei, dass der Probenahmeprozess die MP-Zahlen nicht aufgrund mechanischer Degradation künstlich erhöht.

Um eine große Menge an beprobtem Wasser bereitzustellen, ist ein Filtersystem erforderlich, das für den Einsatz im Feld geeignet ist. Um eine Kontamination zu vermeiden, besteht in unserem Protokoll das Filtersystem (das Probenahmesystem ist unter SLO-P-202300155 patentiert und zum Patent angemeldet: EPA-EP24217168.4) aus Edelstahl, wobei alle seine Komponenten verschweißt sind und kein Teflon (PTFE) oder anderes Isolierband aus Kunststoffen enthalten sind. Da Filter sehr schnell verstopfen können, ist optional eine Kaskadenfiltration enthalten, die auch eine direkte Verteilung der Partikel in gewünschte Größenklassen ermöglicht. Typischerweise werden Filter mit Porengrößen von 100 μm und 20 μm bzw. 10 μm eingesetzt. Zusätzliche Filter können hinzugefügt werden, um mögliche Verstopfungsprobleme zu beheben (z. B. ein zusätzlicher Filter mit Poren zwischen 100 μm und 20 μm). Im Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission wird eine Kaskadenfiltration mit vier Stufen empfohlen: Der erste Filter hat Poren von 100 μm, der zweite 20 μm, der dritte 100 μm und der vierte 20 μm. Die ersten beiden Filter werden für die MP-Analyse verwendet, der dritte und vierte für die Beurteilung des MP-Kontaminationsgrades (Qualitätskontrolle bei der Probenahme) und um sicherzustellen, dass alle Partikel von den ersten beiden gefiltert wurden.

Der Durchflussmesser (insbesondere wenn es sich um einen mechanischen Durchflussmesser handelt) sollte nach der Filterkaskade für die Probenahme installiert werden, um das Volumen des beprobten Wassers genau zu messen. Während der Probenahme ist es wichtig, den Systemdruck zu überwachen. Wenn der Druck 4 bar überschreitet, deutet dies auf eine Verstopfung des Filters hin, und das System muss sofort abgeschaltet werden, um Schäden am Filter oder am System zu vermeiden. Um eine zusätzliche Fragmentierung der MP zu vermeiden, sollte die Probenahme bei möglichst geringem Druck durchgeführt werden.

Wie bereits erwähnt, wird im Delegierten Beschluss (EU) 2024/1441 der Kommission die Verwendung von 100-μm- und 20-μm-Filtern vorgeschlagen. In dieser Studie wurden Nylonfilter verwendet. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, die MP-Partikel aus den Filtern zu sammeln und direkt auf ATR-FTIR oder reflektierende Objektträger zu übertragen, die für die Arbeit im Reflexionsmodus mit FTIR- oder Raman-Mikroskopie geeignet sind. Nylon-Netzfilter eignen sich hervorragend zum Filtern durch Filter mit einer Porengröße von 100 μm, da Partikel dieser Größe manuell gehandhabt werden können. Bei der Verwendung von 20 μm Filtern werden jedoch silikon- oder aluminiumbeschichtete Filter empfohlen, um Messungen im Transmissions- oder Reflexionsmodus mittels FTIR- oder Raman-Mikroskopie zu erleichtern.

In der Literatur wird empfohlen, mindestens 500 l Wasser zu beproben, um das Vorhandensein von MP34 nicht zu unterschätzen. Gemäß dem Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission sollte 1 m3 Wasser beprobt werden. Das empfohlene Volumen muss berücksichtigt werden, um eine Überschätzung der MP-Konzentration in der Probe zu vermeiden. Diese große Wassermenge erhöht das Risiko einer Verstopfung des Filters, weshalb die Kaskadenfiltration dringend empfohlen wird.

Die Proben aus dem vorgestellten System werden sofort für die MPS-Analyse mit einem Stereomikroskop vorbereitet. Dies ist eine sehr zeit- und kosteneffiziente Methode. Viele Studien beschreiben die Schritte der Vorbehandlung, um Sand und organische Stoffe zu entfernen. Diese Verfahren sind jedoch zeitaufwändig und können den Einsatz giftiger Chemikalien beinhalten. Auch solche Vorbehandlungsschritte können sich negativ auf das Ergebnis auswirken, da sie zu einer zusätzlichen Fragmentierung oder einem Verlust von Partikeln führen, insbesondere von kleineren Partikeln (< 100 μm)35. Daher ist es vorzuziehen, diese Schritte zu vermeiden, sofern dies nicht erforderlich ist. Solche Anweisungen sind auch im Delegierten Beschluss (EU) 2024/1441 der Kommission beschrieben, in dem vorgeschlagen wird, dass die Probenanalyse mittels FTIR-Mikrospektroskopie direkt an den ursprünglichen Sammelfiltern durchgeführt werden kann, wenn sie mit der verwendeten Analysemethode kompatibel sind, und erforderlichenfalls ein Flotationsschritt verwendet wird.

Zunächst werden Filterproben mit Stereomikroskopen analysiert, wobei jedes Partikel fotografisch dokumentiert, mit ID-Markierungen versehen, auf Größe gemessen und auf Form beurteilt wird. Die Bestimmung der Form ist wichtig, da sie Aufschluss über die Herkunft der MP geben kann. Fasern stammen typischerweise aus der Textilwäsche und stammen aus Kläranlagen, während Fragmente typischerweise aus dem Abbau großer Kunststoffpartikel in der Umwelt stammen. Im zweiten Teil der Analyse wird die chemische Zusammensetzung jedes Partikels mittels ATR-FTIR oder FTIR/Raman-Mikroskopie bestimmt. Im Allgemeinen werden alle Partikel aus dem Filter auf reflektierende Objektträger übertragen, um eine Analyse im reflektierenden Modus mit FTIR-Mikroskopie durchzuführen. Wird die Probe auf einem 20 μm Silikonfilter gesammelt, kann eine direkte Analyse mit dem Raman- oder FTIR-Mikroskop durchgeführt werden, sofern der Filter nicht übermäßig mit Sandpartikeln bedeckt ist. Wenn die Partikel in Sand eingebettet sind, können eine Dichtetrennung und/oder chemische oder enzymatische Behandlungen angewendet werden, um das Vorhandensein von nicht-plastischen Materialien wie Mineralien, Metalloxiden und natürlichem organischem Material zu reduzieren. MP-Partikel müssen vor der Messung getrocknet werden, da Wasser IR-Strahlung stark absorbiert.

Um die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, müssen folgende Elemente der Qualitätskontrolle berücksichtigt werden: Erstens, Vermeidung von Luftverschmutzung: Um eine Kontamination der Atmosphäre während der Probenahme zu verhindern, ist ein geschlossenes Filtersystem unerlässlich. Um eine Kontamination der Luft während des Analyseprozesses zu vermeiden, sind ein Laborkittel aus weißer Baumwolle und eine Luftfilterung durch einen HEPA-Filter erforderlich. Zweitens, die Vermeidung von Kontaminationen durch das Filtersystem: Die einzige Komponente des Systems, bei der Polymere unvermeidlich sind, sind die Schläuche. Silikonschläuche werden empfohlen und sollten bei sichtbaren Beschädigungen ausgetauscht werden. Es ist notwendig, die Komponenten der Pumpe zu kennen und die Pumpe auf mögliche Kontamination der Proben zu testen, wenn das Vorhandensein von Polymeren festgestellt wird. Drittens, die Vermeidung von Kontaminationen bei der Laborarbeit: Nur Laborgeräte aus Glas, die mit Reinstwasser gewaschen werden, sind für die MPS-Analyse geeignet. Viertens, parallele Proben, um die Reproduzierbarkeit und statistische Signifikanz der Ergebnisse zu gewährleisten: Dieses Filtersystem ermöglicht die gleichzeitige Probenahme aus vier Zweigen. Es sollten mindestens drei parallele Proben entnommen werden, um die gleichen Bedingungen für alle Proben zu gewährleisten und Zeit zu sparen. Fünftens müssen Leerproben in alle Schritte der Probenahme und der Laborprozesse einbezogen werden. Während der Feldprobenahme werden Blindfilter 100 μm und 20 μm nach 100 μm und 20 μm Probenfiltern installiert, wie im Anhang des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission vorgeschlagen. Leerproben, die im Rahmen des Probenahmeverfahrens gewonnen werden, müssen in allen Analyseschritten berücksichtigt werden, indem das gleiche Verfahren angewendet wird.

Das in diesem Dokument skizzierte Protokoll erfüllt alle Anforderungen des Delegierten Beschlusses (EU) 2024/1441 der Kommission und stellt daher eine hervorragende Ressource für alle Forscher dar, die MP im Grundwasser untersuchen oder überwachen. Das beschriebene Filtersystem kann auch für Süß- oder Meerwasser eingesetzt werden, da es die Probenahme von MP in unterschiedlichen Tiefen ermöglicht. Die Probenahmemethode ist einfach, benutzerfreundlich und liefert in den meisten Fällen schnelle und genaue Ergebnisse, ohne dass eine Vorbehandlung der Probe erforderlich ist.

Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Danksagungen

Die Entwicklung dieses Protokolls wurde von der slowenischen Forschungs- und Innovationsagentur im Rahmen des Forschungsprojekts "Verbesserte Methoden zur Bestimmung von Transportprozessen von MP in Grundwasserressourcen" (GWMicroPlast) (J1-50030) und des Forschungsprogramms Grundwasser und Geochemie (P1-0020) sowie durch das Research Science Funds-Projekt "Mikroplastik in der Geosphäre" (Manca) finanziert.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
ATR-FTIR-SpektrometerPerkinElmerL160000FSpectrumTwo
FTIR-MikroskopThermoFischer ScientificIQLAADGAAGFARMMBMNRaptIR
Glas-PetrischalenMarke45571760 mm Durchmesser
NylonnetzmembranenMerckNY1H04700Hydrophil, 100  &Mikro; m, 47  Mm, 100
NylonnetzmembranenMerckNY2004700Hydrophil, 20  &Mikro; m, 47  Mm, 100
Präzise PinzetteBraunBBD335RMikro-Zange
DichtungsfolieAmcor Flexibles NorthPM992Parafilm M
Stereomikroskop Zeiss495015-9880-010StereoDiscovery V8
TauchwasserpumpeGrundfoss96510217SQ 5-70
WasserstandsmesserHydrotechnik/Typ 010

Referenzen

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