Mikroplastik im Ackerboden: Tomographie mit Neutronen und Röntgen zeigt, wo sich Partikel einlagern

21.11.2023

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Ein Team von Forschenden der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein Messverfahren entwickelt, um Bodenproben mit Neutronen und Röntgenlicht zu analysieren und daraus 3D-Tomographien zu erstellen: Dies ermöglicht es erstmals, Mikroplastik im Boden genau zu lokalisieren. Die 3D-Tomographien zeigen, wo sich die Partikel im Boden einlagern und wie sich dadurch Strukturen im Boden verändern – was sich wiederum auf Wasserflüsse und Bodeneigenschaften auswirken kann.

Mikroplastik zählt zu den großen Umweltbelastungen unserer Zeit. Einen besonders großen Anteil liefert der Straßenverkehr: Allein der Abrieb von Reifen soll in Deutschland jährlich rund 100.000 Tonnen Mikroplastik erzeugen, dazu kommen Partikel aus Kunstrasen, Kosmetika, Kleidung und Waschpulvern, Einwegmasken, Plastiktüten und anderer Abfall, die in der Natur landen. Doch was passiert mit diesen Partikeln dann in unterschiedlichen Böden? Zerbrechen sie in immer kleinere Teile, werden umgelagert und weitertransportiert?

Mikroplastik im Boden ermitteln

Natürlich wird dies bereits untersucht. Bisher wird dafür eine Bodenprobe in einer schweren Salzlösung aufgeschwemmt, woraufhin sich die einzelnen Bestandteile nach Dichte trennen: Plastik sowie organische Partikel schwimmen oben, während mineralische Partikel absinken. Das Gemisch aus organischem Material und Plastikpartikeln wird anschließend zum Beispiel mit Wasserstoffperoxid behandelt, wobei sich die organischen Bestandteile zersetzen und die Mikroplastikpartikel übrigbleiben sollen. Bei diesem Verfahren lassen sich zwar Menge und Art des Mikroplastik in einer Bodenprobe ermitteln, allerdings gehen Informationen darüber verloren, wo genau sich diese Partikel im Boden ansammeln und einlagern und ob sie Strukturen im Boden verändern.

Die 3D-Tomographie mit Neutronen und Röntgen

Prof. Sascha Oswald (Uni Potsdam) und Dr. Christian Tötzke (Uni Potsdam und HZB) haben eine Methode entwickelt, mit der sich diese Fragen beantworten lassen, und diese in einer aktuellen Studie vorgestellt. Dafür arbeiteten sie eng mit dem Team um Dr. Nikolay Kardjilov (HZB) zusammen, dessen Expertise in den Aufbau eines einzigartigen Messplatzes am Institut Laue-Langevin, Grenoble, geflossen ist: Dort lassen sich Proben zeitgleich mit Neutronen und Röntgenstrahlung analysieren und 3D-Tomographien mit beiden Methoden erstellen, ohne die Probe dabei zu verändern. Während die Neutronen insbesondere organische und synthetische Partikel sichtbar machen, zeigt die Röntgentomographie die mineralischen Partikel und die Struktur, die sie miteinander bilden.

Methode an vorbereiteten Bodenproben überprüft

Um die Methode zu testen, stellte Tötzke eine Reihe von Bodenproben aus Sand, organischen Bestandteilen wie Torf oder Holzkohle sowie künstlichen Mikroplastikpartikeln her. In einer weiteren Messreihe untersuchte er, wie schnellwachsende Lupinen mit ihren Wurzeln die Bodenproben durchdringen und ob Wurzeln dabei auf das Mikroplastik sichtbar reagieren.

In den Neutronentomographien sind die Mikroplastik-Partikel, aber zum Teil auch die organischen Bestandteile zu erkennen. Die Röntgentomographie hingegen offenbart die Anordnung der Sandkörner, während die organischen und Plastik-Partikel nur als diffuse Leerstellen sichtbar sind. Übereinander gelegt ergibt sich so ein vollständiges Bild der Bodenprobe. Daraus lassen sich Größe und Form der Mikroplastikpartikel, aber auch die Veränderung der Bodenstruktur durch das eingelagerte Mikroplastik abschätzen.

„Diese Methode ist natürlich aufwendig, aber sie ermöglicht es erstmals zu untersuchen, wo sich Mikroplastik einlagert und wie sich dadurch der Boden verändert“, erläutert Tötzke. So analysierte er auch den sandigen Boden aus einem Acker bei Beelitz, einem typischen Spargelanbaugebiet in Brandenburg, in die er Stücke von Mulchfolie mischte. Auch in der Praxis gelingt es meist nicht, die Mulchfolien nach der Ernte rückstandslos vom Acker zu entfernen. Verbleibende Folienreste werden dann beim Umpflügen in tiefere Bodenschichten eingetragen „Es ist uns gelungen zu zeigen, dass Fragmente solcher Plastikfolien den Wasserfluss im Boden verändern können. Mikroplastikfasern erzeugten hingegen kleine Risse in der Bodenmatrix“, sagt Tötzke. Bislang lässt sich nicht vorhersagen, wie sich dies auf die hydraulischen Eigenschaften des Bodens auswirkt, zum Beispiel auf die Fähigkeit, Wasser zu speichern. „Da mit dem fortschreitenden Klimawandel Dürren und Starkregen wahrscheinlicher werden, ist es dringend notwendig, diese Fragen zu beantworten. Das müssen wir nun systematisch untersuchen“, sagt Tötzke.

Originalveröffentlichung

Christian Tötzke, Boyana Kozhuharova, Nikolay Kardjilov, Nicolas Lenoir, Ingo Manke, Sascha E. Oswald; "Non-invasive 3D analysis of microplastic particles in sandy soil — Exploring feasible options and capabilities"; Science of The Total Environment, Volume 907

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