Band 90:
Peneva, Stoyana Tsvetanova (2025): Bewertung von Mikroplastik in Böden und Komposten
Zusammenfassung Band 90
Peneva, Stoyana Tsvetanova (2025): Bewertung von Mikroplastik in Böden und Komposten
Das Vorhandensein von Mikroplastik (MiPs) in Böden, insbesondere durch die Ausbringung von Kompost, wird zunehmend als erhebliches Umweltproblem erkannt. Doch standardisierte Extraktionsprotokolle und Nachweismethoden für Mikroplastik in Böden und Kompost fehlen, was studienübergreifende Vergleiche erschwert und unser Verständnis zum Ausmaß der Mikroplastikverschmutzung in der Umwelt einschränkt. Darüber hinaus ist nur wenig über die Dynamik von Kunststoffen in Kompostierungsanlagen bekannt, was unsere Optionen zur Verringerung der Kunststoffbelastung von Kompost begrenzt. Ziel meiner Dissertation war es, diese Lücken schließen. Hierzu evaluierte ich die vorhandenen Methoden zur Extraktion und zum Nachweis von MiP in verschiedenen Bodentypen und Kompost und bestimmte die Effizienz der Kunststoffentfernung bei der industriellen Kompostierung. Meine Arbeit habe ich deshalb um drei primäre Forschungsfragen herum strukturiert: i) Welche potenziellen Ergebnisse werden erzielt, wenn verschiedene Extraktionsprotokolle und -techniken auf identische Mikroplastikkontaminationen und Bodentypen angewandt werden, ii) kann ich mit Hilfe etablierter und umfassender Mikroplastikextraktionsprotokolle MiPs aus organisch-reichen Torfböden effektiv extrahieren, und iii) wie wirksam sind die verschiedenen Stufen der industriellen Kompostierung bei der Entfernung von Kunststoffverunreinigungen und der Verhinderung der Bildung von MiPs aus im ursprünglichen Bioabfall vorhandenem Kunststoff?
Zur Beantwortung dieser Forschungsfragen führte ich i) ein kontrolliertes Experiment durch, bei dem ich Böden unterschiedlicher Textur (sandig, lehmig, tonig) mit acht unterschiedlichen Kunststoffen versetzte, darunter konventionelle wie biologisch abbaubare Polymere in jeweils zwei Größenbereichen. Da insbesondere organische Materialien wie Torfböden eine Herausforderung für die MiP-Analyse darstellen, testete ich ii) ein alternatives Extraktionsprotokoll, welches explizit für organisch reichhaltige Böden entwickelt wurde. Im letzten Teil meiner Forschungsarbeit iii) untersuchte ich die Kunststoffdynamik in einer industriellen Kompostierungsanlage und verfolgte den Kunststoffgehalt und die Größenverteilung der Partikel im Bioabfall vom Eingangspunkt bis zu allen Stufen des Kompostierungsprozesses.
Der Vergleich von vier Analyseprotokollen zeigte, dass die Größe der MiP und die Bodentextur die Wiederfindungsraten erheblich beeinflussen, wobei tonhaltige Böden, die auch den höchsten Gehalt an organischer Substanz aufwiesen, die größten Herausforderungen darstellten. Extraktionen, welche für die Digital- und Fluoreszenzmikroskopie optimiert waren, ergaben hohe Wiederfindungsraten (>90 %) für große MiPs (500-1000 µm), während die Ergebnisse für kleinere Partikel (20-250 µm) je nach Analyseprotokoll variierten. Die Soxhlet-Extraktion in Kombination mit der 1H-NMR-Spektroskopie war für biologisch abbaubare MiPs in allen Böden am effektivsten (92-100 % Wiederfindung). Die Wiederfindungsraten des alternativen, auf Torf zugeschnittenen Extraktionsprotokolls lagen zwischen 0,1 und 21 %, und selbst nach Optimierung wurden weniger als 50% der Kunststoffe erfolgreich extrahiert. Bei der Analyse der Dynamik von Kunststoffen während der industriellen Kompostierung stellte ich fest, dass bis zu 136 Kunststoffteile pro Tonne Bioabfall (> 20 mm) über die Bioabfallsammlung in die Kompostierungsanlage gelangen. Dies zeigt, dass die Verringerung des Kunststoffeintrags über Bioabfälle der Schlüssel zur Minimierung der MiP-Kontamination des Komposts ist. Während Mikroplastik vor der Kompostierung entfernt werden konnte, sammelten sich kleinere Kunststoffteile in den letzten Phasen an, was zu einer Kunststoffbelastung von 833 ± 542 Stück pro kg-1 Kompost führte. Darüber hinaus konnte ich feststellen, dass das in der Kompostierungsanlage zur Bewässerung verwendete Wasser einen weiteren Weg für MiP im Kompost darstellt.
Die Ergebnisse unterstreichen die Komplexität des MiP-Nachweises in verschiedenen Matrices und betonen den Bedarf an standardisierten Methoden, die insbesondere für organische Böden und Kompost weiter optimiert werden müssen. Darüber hinaus kann die industrielle Kompostierung, bei der zwar größere Kunststoffteile entfernt werden, zur Entstehung und Anhäufung von MiP beitragen. Strengere Kontrollmaßnahmen für Kunststoffe in Kompostieranlagen, insbesondere zur Vermeidung aber der Einträge an den Bioabfallsammelstationen erscheinen damit zur Reduktion der mit Mikroplastik assoziierten Umweltprobleme unerlässlich.
Summary Band 90
Peneva, Stoyana Tsvetanova (2025): Microplastics assessment in soil and compost
The presence of microplastics (MiPs) in soils, especially through compost application, is being increasingly recognized of significant environmental concern. However, the lack of standardized extraction protocols and detection methods for MiPs in soils and compost still complicates cross-study comparisons and limits our understanding of the extent of MiP pollution. Further, the dynamics of plastics entering composting facilities, and hence also knowledge to reduce plastic loads of compost, are limited. In my thesis, I aimed to bridge these gaps by evaluating existing methodologies for extraction and detection of MiPs in both different soil types and compost, and by assessing the efficiency of plastic removal during industrial composting. Hence, I structured my thesis around three primary research questions: i) what are the potential outcomes when various extraction protocols and techniques are applied to identical MiP and soil types, ii) by following established and comprehensive MiP extraction protocols, can I effectively extract MiPs from organic rich peat soils, and iii) how effective are the different stages of industrial composting in removing plastic contaminants and preventing the formation of MiPs from any plastic present in the initial biowaste?
To answer these research questions, i) I conducted a controlled experiment where I spiked soils of varying texture (sandy, loamy, clayey) with eight different plastic types, including both conventional and biodegradable polymers in two size ranges. As especially organic materials like peat soils are challenging for MiP analysis, I tested ii) an alternative extraction protocol designed for organic-rich soils. In the final part of my research, iii) I elucidated the plastic dynamic within an industrial composting facility, tracking the plastic content in biowaste from the entry point through all stages of the composting process.
The comparison of four analytical protocols revealed that MiP size and soil texture significantly influenced the recovery rates, with clayey soils that also exhibited the highest organic matter content, presenting the greatest analytical challenges. Digital and Fluorescence microscopy protocols yielded high recoveries (>90%) for spiked large MiPs items (500-1000 µm), while for smaller particles (20-250 µm), the results varied between different analytical protocols. Soxhlet extraction combined with 1H-NMR spectroscopy was most effective (92-100% recovery) for assessing biodegradable MiPs in soils. The recovery rates, from an alternative extraction protocol, tailored for peat, were 0.1 to 21% only, and even after optimization less than 50% of the plastics were successfully extracted. When analysing the dynamics of plastics during industrial composting, I found that up to 136 items of plastics ton-1 biowaste (> 20 mm) can enter the composting facility via biowaste collection, highlighting that reducing plastic input via biowaste is key for minimizing MiP contamination of compost. While microplastic items could be removed before composting, smaller plastic items accumulated towards the final stages, leading to a plastic load of 833 ± 542 items kg-1 compost. Additionally, I could identify the water used for irrigation in the composting facility as additional entry pathway for MiP into the compost.
The findings underscore the complexity of MiP detection in various matrices and highlight the need to standardized the methods of analysis, especially further optimization is needed for organic-rich soils and compost. Industrial composting, while removing larger plastic items, may still contribute to the generation and accumulation of MiPs, necessitating stricter plastic control measures at biowaste collection and compost facilities, and stricter regulation to control plastic contamination at the source, to mitigate the environmental impact of plastics in agricultural soils.