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

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?
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.