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Entwicklung, Validierung und Anwendung einer Methode zur Untersuchung von Kunststoffemissionen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen

 
: Brenner, Hannah
: Steinhaus, Johannes; Gehrke, Ilka; Bertling, Ralf

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-n-6155193 (5.0 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: a9b8dd8f399745bcb1383d91d5930164
Created on: 1.12.2020


Bonn, 2020, XVII, 101 pp.
Sankt Augustin, Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Master Thesis, 2020
German
Master Thesis, Electronic Publication
Fraunhofer UMSICHT Oberhausen ()
Umwelt; Kunststoffe; Mikroplastik; Makroplastik; Verfahrenstechnik; Stoffbestimmung

Abstract
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde eine praxisorientierte Methode entwickelt, die es ermöglicht, Bodenproben nach ihrer Entnahme auf dem Feld aufzubereiten und hinsichtlich ihres Mikroplastikgehaltes analysieren zu können. Die Extraktionsmethode wurde bereits für zwei Polymere, PA 12 und PE (Mulchfolienpartikel), mit Wiederfindungsraten von je 100 % für Partikel größer als 0,5 mm validiert. Für Partikel größer als 63 μm liegt die Wiederfindungsrate für PE-Mulchfolienpartikel bei 97 % beziehungs-weise für PA-Partikel bei 86 %. Weiterhin wurden verschiedene spektroskopische Detektions-methoden untersucht und hinsichtlich ihrer Potentiale und Grenzen miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Digitalmikroskopie zwar sehr gut geeignet ist, die Farbe, Größe, Form und Anzahl der Partikel zu bestimmen, jedoch stark von der subjektiven Einschätzung abhängig ist. Sie sollte daher in jedem Fall mit einer weiteren Detektionsmethode kombiniert werden. In dieser Arbeit wurde hierzu die ATR-FTIR-Spektroskopie verwendet. Diese ermöglicht zusätzlich die Bestimmung des Polymertyps einzelner Partikel mit einer unteren Nachweisgrenze von 500 μm. Die Methode konnte auf insgesamt fünf landwirtschaftlich genutzten Flächen angewendet werden, wovon zwei konventionell und drei ökologisch bewirtschaftet werden. Um einen ersten Eindruck über die aktuelle Mikroplastik-Belastung von Agrarböden zu erhalten, wurden die mit Hilfe der in dieser Forschungsarbeit entwickelten Methode erhaltenen Ergebnisse extrapoliert und als Emissionskoeffizienten in verschiedenen Einheiten angegeben. Dies hat den Vorteil, eine möglichst breitgefächerte Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit anderen Studien zu ermöglichen. Die Hochrechnung der Ergebnisse ergibt eine dreifach höhere Belastung der konventionell bewirtschafteten gegenüber den ökologischen Agrarflächen (0,76 t/km2 bzw. 0,26 t/km2). Bezieht man das Verhältnis von konventionellen zu ökologischen Flächen in Deutschland mit in die Berechnungen ein, lässt dies vermuten, dass mittlerweile rund 130.000 Tonnen Mikroplastik (0,5-5 mm) aus PE-Mulchfolie auf den konventionell genutzten Agrarflächen in Deutschland angekommen sind. Die ökologisch bewirtschafteten Nutzflächen in Deutschland könnten demnach mit rund 3.500 Tonnen belastet sein. Diese besorgniserregenden Daten zeigen, dass ein dringender Handlungsbedarf besteht, die Belastung unserer wertvollen Umwelt, insbesondere der landwirtschaftlich genutzten Böden, welche unsere Lebensgrundlage bilden, zu verringern. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde eine praxisorientierte Methode entwickelt, die es ermöglicht, Bodenproben nach ihrer Entnahme auf dem Feld aufzubereiten und hinsichtlich ihres Mikroplastikgehaltes analysieren zu können. Die Extraktionsmethode wurde bereits für zwei Polymere, PA 12 und PE (Mulchfolienpartikel), mit Wiederfindungsraten von je 100 % für Partikel größer als 0,5 mm validiert. Für Partikel größer als 63 μm liegt die Wiederfindungsrate für PE-Mulchfolienpartikel bei 97 % beziehungs-weise für PA-Partikel bei 86 %. Weiterhin wurden verschiedene spektroskopische Detektions-methoden untersucht und hinsichtlich ihrer Potentiale und Grenzen miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Digitalmikroskopie zwar sehr gut geeignet ist, die Farbe, Größe, Form und Anzahl der Partikel zu bestimmen, jedoch stark von der subjektiven Einschätzung abhängig ist. Sie sollte daher in jedem Fall mit einer weiteren Detektionsmethode kombiniert werden. In dieser Arbeit wurde hierzu die ATR-FTIR-Spektroskopie verwendet. Diese ermöglicht zusätzlich die Bestimmung des Polymertyps einzelner Partikel mit einer unteren Nachweisgrenze von 500 μm. Die Methode konnte auf insgesamt fünf landwirtschaftlich genutzten Flächen angewendet werden, wovon zwei konventionell und drei ökologisch bewirtschaftet werden. Um einen ersten Eindruck über die aktuelle Mikroplastik-Belastung von Agrarböden zu erhalten, wurden die mit Hilfe der in dieser Forschungsarbeit entwickelten Methode erhaltenen Ergebnisse extrapoliert und als Emissionskoeffizienten in verschiedenen Einheiten angegeben. Dies hat den Vorteil, eine möglichst breitgefächerte Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit anderen Studien zu ermöglichen. Die Hochrechnung der Ergebnisse ergibt eine dreifach höhere Belastung der konventionell bewirtschafteten gegenüber den ökologischen Agrarflächen (0,76 t/km2 bzw. 0,26 t/km2). Bezieht man das Verhältnis von konventionellen zu ökologischen Flächen in Deutschland mit in die Berechnungen ein, lässt dies vermuten, dass mittlerweile rund 130.000 Tonnen Mikroplastik (0,5-5 mm) aus PE-Mulchfolie auf den konventionell genutzten Agrarflächen in Deutschland angekommen sind. Die ökologisch bewirtschafteten Nutzflächen in Deutschland könnten demnach mit rund 3.500 Tonnen belastet sein. Diese besorgniserregenden Daten zeigen, dass ein dringender Handlungsbedarf besteht, die Belastung unserer wertvollen Umwelt, insbesondere der landwirtschaftlich genutzten Böden, welche unsere Lebensgrundlage bilden, zu verringern.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-615519.html