Ausbreitung von Kunststoffen mit Forschungsnachwuchsausbildung und Nachweistechnologien bekämpfen
Jahr für Jahr werden über 300 000 Tonnen Kunststoff in die Umwelt freigesetzt. Alarmierend ist, dass ein Großteil dieses Abfalls in Form von Partikeln anfällt, die zu klein sind, um sichtbar zu sein. Mikro- und nanometerkleine Kunststoffteilchen, die auch als Mikro- und Nanoplastik bezeichnet werden, sind im Boden, im Wasser, in der Luft und sogar in unseren Körpern gefunden worden. Diese Partikel werden entweder absichtlich industriellen Prozessen hinzugefügt (primäres Mikro- und Nanoplastik) oder stammen aus dem Zerfall größerer Kunststoffteile in der Umwelt (sekundäres Mikro- und Nanoplastik). Zum Schutz der Wasserversorgung, einem Hauptpfad der Umweltbelastung, überträgt die 2021 überarbeitete Trinkwasserrichtlinie (TWR) der EG den Wasserversorgungsunternehmen verstärkte Kontrollpflichten. Die Arbeit des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts MONPLAS unterstützt den Nachweis von Kunststoffen in Gewässern. Dazu werden innovative Technologien entwickelt.
Ausbildung in Mikroskopie und Spektroskopie
Da Mikroplastik allgegenwärtig ist und immer häufiger in der Umwelt vorkommt, werden mehr Daten über die Quellen, die Menge und die Typen der Mikro- und Nanokunststoffe, denen die Menschen ausgesetzt sind, sowie über die damit verbundenen Gesundheitsrisiken benötigt. Zu diesem Zweck planen die Forschenden, kostengünstige Instrumente zur Bewertung von Mikro- und Nanoplastik in Wasserproben und anderswo zu entwickeln. Bei den etablierten Verfahren zum Nachweis von Mikro- und Nanokunststoffen sind teure Ausrüstung und hochqualifiziertes Personal erforderlich. Mithilfe von Ausbildung auf höchster fachlicher Ebene können die Forschenden im Zuge von MONPLAS innovative, kostengünstige Technologien und Nachweisinstrumente entwickeln. Das MONPLAS-Team bereitet Nachwuchsforschende vor, indem praktische Erfahrungen mit den bestehenden Verfahren vermittelt werden. Die 14 MONPLAS-Nachwuchsforscherinnen und -forscher werden in der Mikroplastik-Probenahme, der Probenvorbereitung und den allgemeinen Photonik-Analyseverfahren geschult. Zu den konventionellen Verfahren zum Nachweis von Mikro- und Nanokunststoffen zählen etliche Mikroskopie- und Spektroskopieinstrumente. Bei der Raman-Spektroskopie wird ähnlich wie bei der Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie Licht zur Identifizierung der chemischen Zusammensetzung des Mikro- und Nanoplastiks eingesetzt. Weitere Verfahren, in denen die Nachwuchsforschenden ausgebildet werden, sind die Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie-Infrarotspektroskopie.
Innovative Verfahren und Technologien
Das Personal in konventionellen Verfahren auszubilden, ist jedoch nur ein Teil der Antwort. Das Hauptziel des Projekts MONPLAS ist die Entwicklung von Technologien für effiziente und kostengünstige Instrumente, die die Umsetzung der EU-Gesetzgebung mithilfe des Nachweises von Mikro- und Nanokunststoffen unterstützen sollen. Der zweite Schritt der Vorbereitung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern besteht daher in der Konzipierung einer breiten Palette möglicher Lösungen einschließlich der Weiterentwicklung existierender Verfahren sowie der Entwicklung neuartiger Technologien. Dazu erkunden die Teilnehmenden die Bereiche Optik, Akustik und die Entwicklung von Sensoren und Chips. Als ein erfolgversprechender Weg gilt, Deep Learning in die Identifizierung von Mikro- und Nanoplastik einzubeziehen. Dazu die Projektstipendiatin Clementina Vitali: „Wir haben einen KI-basierten Arbeitsablauf speziell zur Erkennung und Kategorisierung von Mikrokunststoffpartikeln entwickelt. Dieses System steigert unsere Effizienz und Genauigkeit bei der Identifizierung und Analyse von Mikroplastik in verschiedenen Proben ganz erheblich.“ Die MONPLAS-Stipendiatinnen und -Stipendiaten zeigen großen Einfallsreichtum beim Meistern der Herausforderungen, die mit der Gewährleistung einer sicheren Wasserversorgung verbunden sind. In einem Fall führte die Problembearbeitung zur Verbesserung des Nachweises von Mikro- und Nanoplastik durch Raman-Spektroskopie zu der kostengünstigen und eleganten Lösung, Metallfolien zur Verstärkung der Signale mittels plasmonischer Nanostrukturen zu verwenden. Bei einer weiteren Untersuchung steht die Erzeugung von Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften für die Biosensorik im Mittelpunkt. Das Ziel dieser Forschung ist die Integration von molekularen Diagnoseverfahren und Nanowandlern in kleine Lab-on-a-Chip-Vorrichtungen für leichter zugängliche und effiziente Tests. Bezogen auf den Stand von 2019 wird sich die weltweite Kunststoffproduktion bis 2050 erwartungsgemäß verdreifachen. Der Schwerpunkt von MONPLAS liegt auf technischer Innovation und Forschungsnachwuchsausbildung. Es wird daran gearbeitet, die mit Mikro- und Nanokunststoffen verbundenen Risiken besser zu verstehen sowie den Nachweis von Mikro- und Nanoplastik und den Schutz einer sauberen Wasserversorgung zu verbessern.
Schlüsselbegriffe
MONPLAS, Mikro- und Nanokunststoffe, Mikroskopie, Nanoplastik, Mikroplastik, Wasseranalyse, Nachwuchsforschende, Trinkwasserrichtlinie, Deep Learning, Raman-Spektroskopie
