Microplastic pollution in composts, digestates and soils : Developing detection methods to identify input pathways, local extent and fate of terrestrial microplastic pollution

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Möller, Julia N.:
Microplastic pollution in composts, digestates and soils : Developing detection methods to identify input pathways, local extent and fate of terrestrial microplastic pollution.
Bayreuth , 2023 . - 240 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Although plastics have only been invented in the first half of the 20th-century, they are possibly the most abundantly used materials in the history of human innovations. However, an estimated 60% of all plastics ever produced have been disposed of in landfills or the natural environment. Here, they may fragment into ever smaller pieces due to e.g. UV-radiation or mechanical abrasion. These microscopic plastic fragments are called microplastics. While microplastic contamination of aquatic ecosystems has been studied extensively, the focus has only recently shifted to terrestrial ecosystems, where data is still scarce and often not comparable. Due to a lack of appropriate analytical methods for complex solid matrices such as soils, the direct assessment of microplastic pollution is challenging. Therefore, hardly anything is known about the fate, degradation and fragmentation behavior in natural soils. Also, not all microplastic input pathways are recognized or fully understood. Therefore, I aimed to 1) develop a suitable method to identify and quantify microplastics in soils 2) use the developed methods to identify the contamination extent and fate of microplastics in agricultural and floodplain soils 3) observe the fate of plastics and microplastics in organic waste treatment plants, to assess the role of composts/digestates as input pathways for microplastics into arable soils. Following the order of these research aims, the first part of my dissertation covers the development of an appropriate method to quantify microplastics in soils. In a literature review considering advantages and limitations of various methods used for other environmental matrices, I evaluated potentially suitable sample preparation and analysis methods for a particle-quantitative analysis with reliable polymer identification in soils (Article 1). In a direct comparison of the effects of sample purification protocols on different types of plastics, my second study showed that protocols using high temperatures and strong acids or bases are detrimental to certain types of plastics. This may lead to distorted analytical results. Although some of the effects were already known, my study gave a systematic overview on which protocols may be detrimental to certain plastics, while also showing non-detrimental alternatives for sample purification: Fenton’s reagent, sequential oxidative-enzymatic-digestion and the treatment with a ZnCl2 brine (Article 2). Based on this knowledge I developed a method to purify soil samples for micro-FTIR spectroscopy. This is the first protocol that allows the particle-quantitative analysis of microplastics <500 μm of a relatively large sample without destroying conventional plastics (Article 3). In part two of this thesis, I applied the newly-developed methods to determine the abundance and fate of microplastics in specific soils. To study the fate of conventional and biodegradable plastics in soil, I analyzed spiked PE and PLA-PBAT-blend particles on an operating agricultural field after 0, 1, and 17 months. This experiment showed that both plastic types remained unaltered in the soil for nearly one and a half years. Therefore, even the biodegradable plastic seems to persist for some time in the soil environment (Article 4). My method was also used in a collaboration with the Institute of Geography, University of Cologne, on the soil of a Rhine River floodplain. In a first step towards understanding the complex dynamics of microplastic transport between environmental compartments, it showed that flooding events are a significant input pathway of microplastics into adjacent soils. Furthermore, the local topography and vegetation cover significantly influence the deposition and retention of microplastics in soils (Article 5). Part three focuses on organic fertilizers from biowaste treatment (BWT) plants as potential microplastic input pathways into soils. In collaboration with the Chair for Process Biotechnology, I was able to show for the very first time that composts/digestates derived from household organic waste contained significant amounts of microplastics. These fertilizers are commonly applied to agricultural fields (Article 6). In a follow-up study the comparative analysis of organic fertilizers from different plants gave insight on how processing equipment influences the on-site generation of microplastics. Here, I was able to detect microplastics <500 μm in liquid digestate for the first time. The results showed a surprisingly high proportion of microplastics with a PBAT signature, possibly caused by the use of compostable organic waste collection bags (Article 7). Theoretically, these bags should be 100% compostable. Unfortunately, the certification norms for compostability do not represent realistic conditions in municipal BWT plants and I demonstrated that small microplastic fragments of the biodegradable PLA, PBAT or a-PLA-PBAT-blend were present in liquid digestate. As composted fragments showed a tendency to a higher crystallinity and a shift towards a higher PBAT/PLA ratio than tested reference bags, it has become questionable if the bags are biodegradable, or simply fragment into very small microplastics (Article 8).

Abstract in weiterer Sprache

Obwohl Kunststoffe erst in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erfunden wurden, sind sie wahrscheinlich die am häufigsten verwendete Materialgruppe in der Geschichte menschlicher Innovationen. Doch schätzungsweise 60% aller jemals hergestellten Kunststoffe wurden auf Mülldeponien oder in der Umwelt entsorgt, wo sie zu immer kleineren Teilchen zerfallen - z. B. durch UV-Strahlung oder mechanischen Abrieb. Diese mikroskopisch kleinen Kunststofffragmente werden als Mikroplastik bezeichnet. Während die Belastung aquatischer Ökosysteme durch Mikroplastik bereits ausgiebig untersucht wurde, hat sich erst seit kurzem der Schwerpunkt auf terrestrische Ökosysteme verlagert. In diesem Bereich gibt es noch immer nur wenige Daten, die oft untereinander nicht vergleichbar sind. Da es für komplexe feste Matrices wie Böden kaum geeignete Mikroplastikanalysemethoden gibt, bleibt die direkte Erfassung der Mikroplastikkontamination von Böden eine Herausforderung. Außerdem sind nicht alle Eintragspfade von Mikroplastik in Böden bekannt. Daher war es mein Ziel: 1) eine geeignete Methode zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik in Böden zu entwickeln, 2) diese Methode zu nutzen um das Ausmaß der Verschmutzung und den Verbleib von Mikroplastik in Ackerböden und Auenböden zu untersuchen, 3) den Verbleib von Kunststoffen und Mikroplastik in Bioabfallbehandlungsanlagen zu prüfen, um die Rolle von Komposten/Gärprodukten als Eintragspfad für Mikroplastik in Ackerböden besser beurteilen zu können. Der Ordnung meiner Ziele folgend, befasst sich der erste Teil dieser Dissertation mit der Entwicklung einer geeigneten Methode zur Partikel-basierten Quantifizierung von Mikroplastik in Böden mit zuverlässiger Polymeridentifikation. In einem Literaturvergleich der Vor- und Nachteile verschiedener Methoden, die zur Analyse anderer Umweltmatrices eingesetzt werden, stellte ich fest, dass für eine partikelquantitative Analyse von kleinem Mikroplastik (<500 μm) nur die Mikro-Raman oder Mikro-FTIR-Spektroskopie in Frage kommen. Voraussetzung dafür ist eine geeignete Probenaufbereitung (Artikel 1). In einer Untersuchung der Effekte von Probenaufbereitungsprotokollen auf verschiedene Arten von Kunststofffolien zeigte meine zweite Studie, dass Protokolle, die hohe Temperaturen und starke Säuren oder starke Basen verwenden, die Zersetzung bestimmter Kunststoffarten verursachen. Dies kann zu verzerrten analytischen Ergebnissen führen. Obwohl einige der Auswirkungen bereits bekannt waren, gab diese Studie erstmals einen systematischen Überblick darüber, welche Protokolle nicht geeignet sind und bot gleichzeitig Alternativen für die Probenaufbereitung, wie z. B. das Fenton-Reagenz, der sequentielle oxidativ-enzymatische Verdau oder die Behandlung mit einer ZnCl2-Lösung (Artikel 2). In Anbetracht dieser Erkenntnisse entwickelte ich eine Methode zur Aufbereitung von Bodenproben für die Mikro-FTIR-Spektroskopie. Dies ist das erste Protokoll, das eine partikelquantitative Analyse von Mikroplastik <500 μm aus einer relativ großen Probe ermöglicht, ohne herkömmliche Kunststoffe zu zerstören (Artikel 3). Im zweiten Teil dieser Arbeit habe ich die neu entwickelten Methoden angewandt, um das Vorkommen und den Verbleib von Mikroplastik in Böden zu untersuchen. Um das Verhalten von konventionellen und biologisch abbaubaren Kunststoffen in Ackerböden zu untersuchen, analysierte ich auf einem konventionell bearbeiteten Acker eingebrachte PE- und PLA-PBAT Partikel nach 0, 1 und 17 Monaten. Dieses Experiment zeigte, dass beide Kunststofftypen fast eineinhalb Jahre lang unverändert im Boden verblieben. Dies demonstrierte, dass sogar der biologisch abbaubare Kunststoff im Ackerboden über längere Zeiträume nicht abgebaut wird (Artikel 4). Die zweite Bodenuntersuchung wurde in Zusammenarbeit mit dem Geographischen Institut der Universität zu Köln in einer Rheinaue bei Köln durchgeführt. Hier zeigte sich, dass Überschwemmungsereignisse ein wichtiger Eintragspfad für Mikroplastik in angrenzende Böden sind. Darüber hinaus haben die Topographie und Vegetationsdecke einen erheblichen Einfluss auf die Deposition und Retention von Mikroplastik in Böden. Dies ist ein erster Schritt zum Verständnis der komplexen Transportwege zwischen Umweltkompartimenten (Artikel 5). Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit organischen Düngemitteln aus Bioabfallbehandlungsanlagen als potenzielle Eintragspfade für Mikroplastik in Böden. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Bioprozesstechnik gelang es mir erstmals zu zeigen, dass eine erhebliche Menge an Mikroplastik in Komposten/Gärresten enthalten ist, wenn diese aus organischen Haushaltsabfällen generiert werden. Solche organischen Düngemittel werden dann direkt auf landwirtschaftliche Felder ausgebracht (Artikel 6). In einer Folgestudie habe ich eine vergleichende Analyse von Komposten und flüssigen Gärresten durchgeführt, die Aufschluss darüber gibt, wie die Anlagentechnik die Entstehung von Mikroplastik beeinflusst. Im Rahmen dieser Studie gelang es mir erstmals, Mikroplastik <500 μm in flüssigen Gärresten nachzuweisen, wobei ein überraschend hoher Anteil an Mikroplastikpartikeln aus PBAT bestand. Dies wurde möglicherweise durch die Verwendung kompostierbarer Bioabfallsammelbeutel verursacht (Artikel 7). Theoretisch sollten diese Beutel zu 100% kompostierbar sein. Leider entsprechen die Zertifizierungsnormen für Kompostierbarkeit nicht den realen Bedingungen in kommunalen Bioabfallbehandlungsanlagen. In der neuesten Studie konnte ich kleine Mikroplastikfragmente aus biologisch abbaubarem PLA, PBAT oder PLA-PBATBlends in flüssigem Gärrest aus Bioabfallbehandlungsanlagen nachweisen. Da kompostierte Fragmente zusätzlich eine Tendenz zu einer höheren Kristallinität und eine Verschiebung hin zu einem höheren PBAT-PLA-Verhältnis als bei den getesteten Referenzbeuteln aufwiesen, ist es fraglich, ob die Beutel tatsächlich biologisch abbaubar sind oder ob sie einfach dazu neigen, in sehr kleine Mikroplastikpartikel zu zerfallen (Artikel 8).