Nano- und Mikroplastik sind eine bekannte Plage und kommen praktisch überall in der Natur vor, unter anderem im Boden, in den Ozeanen, im Trinkwasser, in der Luft und sogar im menschlichen Körper. Studien zeigen, dass insbesondere Böden einen erheblichen Anteil an N/MPs enthalten.
Das Problem bei diesen N/MPs ist ihre mikroskopische Größe, die es ihnen ermöglicht, durch Auswaschung von Regenwasser leicht durch den Boden in den Untergrund oder in Süßwasserkörper zu wandern. Von dort gelangen sie in den menschlichen Körper. Daher ist es unerlässlich, die Verteilung und Bewegung der N/MPs im Boden zu verstehen, um ihre Bedrohung einzuschätzen und zu mildern.
Aktuelle Techniken zur Messung von N/MP-Konzentrationen im Boden erfordern die Trennung des organischen Bodenmaterialgehalts durch chemische und physikalische Prozesse. Anschließend werden die isolierten N/MPs mithilfe eines Mikroskops, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie oder Raman-Spektrometrie analysiert.
Diese Techniken erfordern jedoch fortgeschrittene Kenntnisse und haben eine begrenzte Auflösung für die Analyse von N/MPs kleiner als 1 µm. Darüber hinaus gehen während des Trennungsprozesses oft einige der N/MPs im Boden verloren, was zu ungenauen Messungen führt. Daher ist es notwendig, eine einfache und dennoch genaue Methode zu entwickeln, um N/MPs ≤1 µm im Boden zu erkennen und zu messen.
Zu diesem Zweck entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Herrn Kyouhei Tsuchida von der Waseda-Universität und dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology zusammen mit Dr. Yukari Imoto, Dr. Takeshi Saito und Dr. Junko Hara vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology und Dr. Yoshishige Kawabe, ebenfalls von der Waseda-Universität, eine neuartige und einfache Methode zur Messung der N/MP-Konzentration im Boden mittels Spektroskopie ohne Abtrennung der organischen Bodensubstanz.
Die Konzentration von N/MPs in Böden kann durch Spektroskopie bestimmt werden, basierend darauf, wie viel Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die Probe dringt und wie viel davon absorbiert wird. Auf diese Weise kann die Spektroskopie potenziell N/MPs unabhängig von ihrer Größe erkennen, vorausgesetzt, es werden die richtigen Wellenlängen verwendet, um zwischen den N/MPs und dem Boden zu unterscheiden.
Dementsprechend entwickelten die Forscher eine Methode, um den Unterschied zwischen den Absorptionsspektren von N/MPs und Bodenpartikeln zu nutzen, um die N/MPs zu quantifizieren. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht in Ökotoxikologie und Umweltsicherheit am 28. Mai 2024.
Aus Bodenproben mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Partikelgrößenverteilung und organischem Gehalt wurden sechs Bodensuspensionen hergestellt und mit Polystyrol-Nanopartikeln der Größe 203 nm vermischt. Dadurch entstanden sechs verschiedene simulierte, mit N/MP kontaminierte Bodensuspensionen, wobei die N/MP-Konzentration bei 5 mg/l gehalten wurde.
„Wir haben die Absorption dieser Bodensuspensionen bei verschiedenen Wellenlängen im Bereich von 200 bis 500 nm mit einem Spektralphotometer gemessen und auf dieser Grundlage die N/MP-Konzentrationen im Boden bestimmt. Anschließend wurde die beste Kombination aus zwei Wellenlängen zur Messung von N/MPs ermittelt, die dazu beitrug, die Störungen durch Bodenpartikel und ausgelaugte Bestandteile in der Suspension zu negieren“, erklärt Tsuchida.
Die Forscher fanden heraus, dass eine Wellenlängenkombination von 220–260 nm und 280–340 nm bei den sechs Proben die geringste Fehlerquote aufwies und sich daher für die Messung von N/MP-Konzentrationen in verschiedenen Bodenarten als geeignet erwies. Sie erstellten außerdem eine Kalibrierungskurve zwischen der Konzentration von N/MPs in den Bodensuspensionen und dem N/MP-Gehalt, der den trockenen Bodenproben zugesetzt wurde. Die Kalibrierungskurve zeigte eine lineare Beziehung zwischen den beiden Variablen und berücksichtigte die Adsorption von N/MPs an Bodenpartikeln. Dies ermöglichte eine genaue Schätzung der Konzentration von N/MPs im Boden.
Diese Ergebnisse belegen die Wirksamkeit dieser einfachen, auf Spektroskopie basierenden Methode zur korrekten Messung der N/MP-Konzentration im Boden ohne aufwändigen Trennungsprozess.
„Unser neuartiger Messansatz kann verschiedene N/MPs, darunter Polyethylen und Polyethylenterephthalat, in einer Vielzahl von Böden quantifizieren und kann problemlos als erstes Bewertungsinstrument verwendet werden. Darüber hinaus kann er dazu beitragen, unser Verständnis der Verteilung und des Migrationsverhaltens von N/MPs in der Geosphäre zu vertiefen“, schließt Tsuchida.
Mehr Informationen:
Kyouhei Tsuchida et al., Eine neuartige und einfache Methode zur Messung von Nano-/Mikroplastikkonzentrationen im Boden mittels UV-Vis-Spektroskopie mit optimaler Wellenlängenauswahl, Ökotoxikologie und Umweltsicherheit (2024). DOI: 10.1016/j.ecoenv.2024.116366