OPTIMUS - Ramanspektroskopie an Mikroplastik, Mikroben und Spurenstoffen

Die Kontamination der weltweiten Wassersysteme mit Plastik, insbesondere Mikroplastik, ist seit der wegweisenden Studie von Browne et al. in 2011, die die Akkumulation von Mikroplastik an den Stränden aller sechs Kontinente aufzeigten, eines der dynamischsten Forschungsthemen in der Wasseranalytik.

Mikroplastik fasst dabei als Oberbegriff Partikel unterschiedlichster Formen, Größen und Materialien, von weichem Polyethylen bis sprödem Polyacryl, zusammen. Viele dieser Partikel sind mit Schadstoffen belastet, die entweder während des Fertigungsprozesses oder aber aus der Umwelt aufgenommen werden. Die meisten Kunststoffe bieten zudem ideale Aufwuchsflächen für Biofilme. All dies macht Mikroplastik im Gegensatz zu natürlich auftretenden Sedimenten zu einer Herausforderung für etablierte Nachweis- und Reinigungsverfahren, da nicht nur verschiedene Kunststoffe unterschieden werden müssen, sondern diese Unterscheidung auch in Gegenwart verschiedenster Kontaminanten und u. U. unter einem "biologischen Mantel" möglich sein muss.

Insbesondere die Kontamination von Trinkwasser und damit einhergehend von sämtlichen Lebensmitteln - vom Bier bis zum Brot, für alles wird Trinkwasser benötigt - ist daher im höchsten Maße beunruhigend, da ein verlässlicher Online-Nachweis zur Kontrolle von Trinkwasserströmen auf Mikroplastik derzeit nicht zur Verfügung steht. Die derzeitigen Verfahren zum Nachweis und zur Identifikation von Mikroplastik erlauben bisher nur Stichproben und sind zur ständigen Kontrolle des Wassers auf Mikroplastik eher ungeeignet. Die dem Mikroplastik anhaftenden ökotoxischen Spurenstoffe können aufgrund ihrer geringen Konzentrationen sogar nur durch aufwändige chemische Laboruntersuchungen nachgewiesen werden.

Hier setzt das insgesamt mit 1,26 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt OPTIMUS an. Die insgesamt neun Partner aus Industrie und Wissenschaft haben vor, ein innovatives Messsystem auf Basis von Ramanspektroskopie und holografischer Mikroskopie zu entwickeln, das erstmals eine ständige Kontrolle von Trinkwasserflüssen auf Mikroplastik ermöglichen soll.

Das Teilprojekt des HOT bearbeitet dabei zwei Kernaspekte des Vorhabens: zum einen realisieren wir den ramanspektroskopischen Nachweis von Mikroplastikpartikeln in fließendem Trinkwasser mit all seinen spektroskopisch relevanten Komponenten wie Kalk, Huminstoffen, Sedimenten, gesundheitlich unbedenklichen Bakterienzellen, Mikroalgen und dergleichen; zum anderen analysieren wir die Eigenschaften des in den Oberflächengewässern gefundenen, und damit auch im Trinkwasser letztendlich erwartbaren Mikroplastiks, hinsichtlich seiner Form, Struktur, chemischen Zusammensetzung (via Ramanspektrum) und wie sich diese auf die Detektierbarkeit auswirken.

Hierzu werden am HOT verschiedene Ramanspektroskopische Verfahren eingesetzt, so steht neben einem derzeit im Aufbau befindlichen fasergestützten Setup zur Ramanmessung in fließendem Wasser, auch das konfokale Ramanmikrokop zur Analyse der Mikroplastikpartikel und etwaiger diese besiedelnden Biofilme mittels Raman chemical imaging mit einer Auflösung besser als 1 µm in der Ebene zur Verfügung.