Am ZIRKON, dem Zittauer Institut für Verfahrensentwicklung, Kreislaufwirtschaft, Oberflächentechnik und Naturstoffforschung der Hochschule Zittau/Görlitz wird durch eine Nachwuchsforschergruppe bereits seit 2020 zum Thema Mikroplastik geforscht. Unter dem Titel „Entwicklung von Verfahren zur Detektion, Elimination und Immobilisierung von Mikroplastik in Böden, Kompost und Pflanzen“ arbeiten fünf junge Forscher*innen nach Projektinitiierung durch Prof. Jürgen I. Schoenherr unter der Projektleitung von Prof. Jens Weber an diesem hoch brisanten Thema.

Die Belastung der Umwelt durch Kunststoff, dessen Abrieb und Degradationsprodukte, nimmt immer weiter zu. Die Bilder von „Plastikmüllinseln“ im Meer, Strände voller Müll und verendeten Tieren mit Plastik im Magen sind uns allen bekannt. Doch was ist mit der für uns unsichtbaren Fraktion – dem Mikroplastik?

Das Vorhandensein von Mikroplastik, also Partikeln von der Größe 0,1µm bis 5mm, in marinen sowie limnischen Gewässern ist bekannt. Doch es gibt einen weiteren Bereich, der erhöhter Aufmerksamkeit bedarf: Mikroplastik im Boden. Die Detektion und Quantifizierung der Mikroplastik Fraktion im Boden stellt weiterhin eine Herausforderung dar. Das Ziel des Projektes besteht darin, Beiträge zur Methodenentwicklung zur Detektion, Charakterisierung und zur Elimination bzw. Immobilisierung von Mikroplastik im Boden zu leisten. Darüber hinaus sollen Strategien zur Vermeidung von (Mikro)Plastik durch eine Analyse der Stoffströme entwickelt werden. Der Eintrag von Mikroplastik in die Umwelt erfolgt vor allem über Reifenabrieb, „Littering“ („Entsorgung“ von Plastikabfall in die Umwelt) sowie Anwendungen in der Landwirtschaft (z.B. Mulchfolien, Klärschlamm) und deren Degradation in der Umwelt.

Während der Projektlaufzeit wurde ein umfangreiches Monitoring zur Identifikation von Belastungshotspots durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Sedimente aus sächsischen Talsperren auf ihre Belastung hin untersucht, sowie verschiedene Böden an Straßenrändern und auf Äckern.

Verfahren zur Elimination

Des Weiteren werden verschiedene Verfahren zur Elimination von Mikroplastik aus Böden und Kompost auf ihre Wirksamkeit hin untersucht.  Die größte Herausforderung stellt hierbei die Komplexität, d.h.  die hohe Varianz an Eigenschaften, eines Kunststoff-Boden-Gemisches dar. Die Versuche zeigten, dass Sand-Kunststoff-Gemische sehr gut durch verschiedene Verfahren, wie beispielsweise die Dichteseparation oder Elektroseparation, getrennt werden können. Für die Anwendung würde dies bedeuten, dass aus Sanden oder Sedimenten, welche industriell eingesetzt oder natürlich vorkommen unter entsprechender Vorbehandlung Mikroplastik nahezu rückstandsfrei entfernt werden kann. Für komplexere Böden oder Kompost funktionieren gängige Methoden dagegen weniger effektiv und weiterer Forschungsbedarf ist notwendig.

Um die Effekte von Menge und Beschaffenheit von Plastik im Boden und auf Pflanzen zu evaluieren, wurden Versuche mit (Nutz-)Pflanzen durchgeführt. Dazu wurden im Gewächshaus und in der Klimakammer verschiedene Pflanzenarten auf definierten Bodenmischungen mit einer Zugabe von unterschiedlichen (Mikro)-Kunststoffen angebaut um die Einflussnahme von Mikroplastik im Boden auf das Pflanzenwachstum und den Ertrag von Pflanzen zu untersuchen. Der Fokus der Versuche lag auf den Auswirkungen auf das Wurzelwachstum, den Transport von Mikroplastik durch Wurzeln sowie den Langzeitfolgen von Mikroplastik auf die Biomasseproduktion.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes besteht in der Optimierung von Analyseverfahren, so wurden hier u.a. die Materialen aus den Pflanzversuchen hinsichtlich Mikroplastikeintrag untersucht, dabei wurden verschiedene Verfahren getestet und geeignete Methoden während der Projektlaufzeit fortlaufend optimiert.

Transportprozesse und Verhalten von Mikroplastik

Im Rahmen einer Doktorarbeit (Kooperation mit der TU Bergakademie Freiberg) werden die Transportprozesse von Mikroplastik im Boden untersucht, dazu wird in Säulenversuchen das Verhalten von Mikroplastik in der gesättigten Bodenmatrix erforscht. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Transportdistanz von Mikroplastikpartikeln mit abnehmendem Durchmesser zunimmt. Kleine fragmentierte Mikroplastikpartikel, deren Morphologie eher eindimensional sind, waren anfälliger für eine Fragmentierung innerhalb der Bodensäulen, was die Migration förderte. Kugelförmige Mikroplastikpartikel bleiben an ihrer Ausgangsposition, ohne zu zersplittern, während faserige Mikroplastikpartikel in der Bodenmatrix verfangen werden. Der Abbau von Mikroplastik zu Fragmenten scheint eine wichtige Rolle bei der Förderung der Partikelbewegung zu spielen. Das Vorkommen und Einsickern von Mikroplastik in eine gesättigte Bodenmatrix lässt auf einen möglichen Eintrag ins Grundwasser schließen.

Zur Simulation eines realitätsnahen Modells der Bodenmatrix wurden Säulenversuche genutzt. Daraus wird ein Prognosemodell für das Verhalten und die Verlagerung von Mikroplastik erstellt.

Das Forschungsvorhaben vereint damit die Expertise von verschiedenen Disziplinen und Fachrichtungen um sich einem globalen Problem zu stellen und Lösungsansätze zu untersuchen.

Die Ergebnisse dieses Projektes wurden während der gesamten Laufzeit in öffentlichen Workshops dargestellt und diskutiert. Internationale Referentinnen und Referenten bereicherten darüber hinaus diese Veranstaltungen durch ihre Fachbeiträge in den unterschiedlichen Fachbereichen.