Uptake and release of organic pollutants in suspended particles (microplastics)
Final Report Abstract
Mikroplastikpartikel sind allgegenwärtig in der Umwelt und, obwohl in der Öffentlichkeit und in der Wissenschaft intensive Diskussionen dazu geführt werden, steht eine Bewertung ihres Potenzials, hydrophobe organische Schadstoffe in Flüssen und Ozeanen zu transportieren, weiterhin aus. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, auf Grundlage experimenteller Daten, ein detailliertes mechanistisches Modell zur angemessenen Beschreibung dieses partikel-gebundenen Schadstofftransorts zu entwickeln. Die notwendigen Daten lieferten Experimente zu Sorptions- Interaktionen zwischen verschiedenen Typen von Mikroplastikpartikeln und weit verbreiteten Abwasser-Schadstoffen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurde ein mechanistisches Modell entwickelt, das neben Materialcharakteristika und physikalisch-chemischen Eigenschaften der Schadstoffe auch verschiedene Arten der Sorption berücksichtigt. Die Aufnahme von Substanzen und Partikeln beruht dabei parallel auf der Diffusion in einer wässrigen Grenzschicht und auf der Diffusion in der partikulären Phase selbst. Welcher dieser beiden Prozesse die Aufnahme dominiert, hängt von der Stärke der Sorption, der Partikelgröße, den Diffusionskoeffizienten und der Zeit ab. Für den Fall der linearen Sorption, wie bei Polyethylen beobachtet, wurde ein semi-analytisches Modell entwickelt. Für Polystyrol und Polyamid wurde hingegen eine nicht-lineare Sorption festgestellt, die ein numerisches Modell zur Beschreibung des gekoppelten Stoffübergangs erfordert. Beide Modellvarianten wurden erfolgreich validiert und resultierten in sinnvollen Abschätzungen der relevanten Parameter. Zur Erhöhung der Umweltrelevanz wurden weitere Experimente durchgeführt. Zum einen wurde bei variablen pH-Bedingungen gezeigt, dass die Aufnahme der Schadstoffe im Wesentlichen durch ihre Hydrophobie bestimmt wird und dass ungeladene Spezies dabei am stärksten zur Sorption beitragen. Außerdem konnte verdeutlicht werden, dass die Verteilung und die Abgabe der Schadstoffe durch Mikroplastik signifikant durch die Anwesenheit gelösten organischen Materials beeinflusst wird. Durch die Kombination aus Laborarbeit und Modellierung wurde bewiesen, dass die Materialeigenschaften des Plastiks die größte Bedeutung für die Kinetik haben. Weiterhin und im Gegensatz zur allgemeinen Annahme, hat sich erwiesen, dass im geschlossenen System bei starker Sorption eine schnelle Abgabe und bei geringen Verteilungskoeffizienten, eine langsame Desorption stattfindet. Dadurch offenbart sich ein fundamentaler Unterschied zu Feldverhältnissen, da dort die Kinetik bei starker Sorption verlangsamt wird. Damit wurde deutlich, dass nur durch ein geeignetes Modell, das gekoppelte Stoffübertragung und die jeweils spezifischen Randbedingungen berücksichtigt, eine Übertragung experimentell beobachteter Zeitskalen auf Umweltbedingungen möglich ist. Die Verwendung hydrodynamischer Beziehungen in Verbindung mit einer detaillierten Analyse der Sorptions-Wechselwirkungen machte es weiterhin möglich, das Vektorpotenzial des Mikroplastiks zu bewerten und abzuschätzen, welche Parameter dafür bedeutend sind. Da die theoretischen Erwägungen und Modelle auch auf andere Arten suspendierter Partikel zutreffen, sind wohl-definierte Plastikteilchen letztlich ein probates Mittel zur ausführlichen Untersuchung von Sorption und geeignet, natürlich vorkommende Partikel in Experimenten zu repräsentieren.
Publications
- (2017): Shift in mass transfer of wastewater contaminants from microplastics in the presence of dissolved substances. Environmental Science & Technology, 51(21), 12254-12263
Seidensticker, Sven; Zarfl, Christiane; Cirpka, Olaf Arie; Fellenserg, Greta; Grathwohl, Peter
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.est.7b02664) - (2018): A combined experimental and modeling study to evaluate pH-dependent sorption of polar and non-polar compounds to polyethylene and polystyrene microplastics. Environmental Sciences Europe, 30, 30
Seidensticker, Sven; Lamprecht, Jonas; Grathwohl, Peter; Zarfl, Christiane
(See online at https://doi.org/10.1186/s12302-018-0155-z) - (2019): Microplastic-Contaminant interactions: influence of non-linearity and coupled mass transfer. Environmental Toxicology & Chemistry, 38(8), 1635-1644
Seidensticker, Sven; Zarfl, Christiane; Cirpka, Olaf Arie; Grathwohl, Peter
(See online at https://doi.org/10.1002/etc.4447)
