Untersuchung zu Datenanalyseverfahren
Mikroplastikanalytik auf dem Prüfstand
Das Fehlen von einheitlichen analytischen Standards verhindert derzeit die Vergleichbarkeit von Daten zu Mikroplastik in der Umwelt. Forscher und Forscherinnen der Universität Bayreuth und des Alfred-Wegener-Instituts – Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) haben erstmals zwei automatisierte Analyseverfahren für Mikroplastikdaten hinsichtlich der Ergebnisse verglichen.
Kunststoff-Partikel werden als Mikroplastik bezeichnet, wenn sie kleiner als fünf Millimeter sind. In den Anfängen der Forschung wurde Mikroplastik allein anhand rein visueller Kriterien identifiziert. Die Entscheidung darüber, ob es sich bei einem verdächtigen Partikel um Mikroplastik handelte, basierte zunächst also auf der individuellen Wahrnehmung der Forschenden. Gerade bei kleinen Mikroplastikpartikeln kann nur eine Identifizierung mittels chemischer Analysen belastbare Daten zu Mikroplastik liefern. Die Mikro-Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie – kurz: Mikro-FTIR-Spektroskopie – ist auf diesem Gebiet derzeit eines der verlässlichsten Messverfahren. Zur Untersuchung von Mikroplastikpartikeln, die kleiner als 0,5 Millimeter sind, müssen die Mikroplastikpartikel aus Umweltproben nach einer aufwändigen Aufreinigung mit z. B. enzymatisch-oxidativen Verfahren auf Filter aufgebracht werden und können dann mittels Mikro-FTIR-Imaging analysiert werden. Dabei kommen Focal-plane-array (FPA)-Detektoren zum Einsatz, die auf einer Teilfläche des Filters bei einer einzelnen Messung zeitgleich bis zu mehrere Tausend IR-Spektren mit einer hohen Auflösung aufnehmen. Wird der komplette Probenfilter durch viele FPA-Einzelmessungen nacheinander abgerastert, entsteht eine „chemische Landkarte“, das Chemical Image, des Filters, anhand dessen es möglich ist, Mikroplastik bis zu einer Größe von zehn Mikrometern eindeutig zu identifizieren. Bei der Messung der Probenfilter entstehen allerdings Datensätze mit bis zu mehreren Millionen FTIR-Spektren, so dass darin eine manuelle Auswertung auf Mikroplastik unmöglich ist. Für eine solche Analyse sind automatisierte Computerverfahren erforderlich.
Im Rahmen ihrer vergleichenden Studie haben Forschende an der Universität Bayreuth und Forschende am Standort Helgoland des AWI zwei Probensätze mit Hilfe zweier Auswertealgorithmen untersucht. Gemessen wurden Menge und Größe der Kunststoffpartikel sowie die Anteile verschiedener Polymere. Der eine Probensatz enthielt die Chemical-Imaging-Daten von zehn Wasserproben aus der Ober- und Mittelweser, der andere Probensatz die Daten von zehn Wasserproben, die aus der Unter-/Außenweser und dem Jadebusen stammten. "Wir haben uns bewusst dafür entschieden, unseren Vergleich der beiden Analyse-Tools mit Probensätzen aus der Umwelt durchzuführen, denn hier sind alle umweltrelevanten Typen, Formen und Größen von Polymeren anzutreffen. Zudem kommen die sehr kleinen Mikroplastik-Partikel in der Umwelt besonders häufig vor, und je kleiner die Partikel sind, desto höher ist ihr Gefährdungspotenzial. Umso wichtiger ist es, neueste Verfahren wie die Mikro-FTIR-Spektroskopie und die automatisierte Auswertung der FTIR-Datensätze zu evaluieren, die für Untersuchungen dieser Partikel geeignet sind", sagt Prof. Dr. Christian Laforsch, Sprecher des Sonderforschungsbereichs „Mikroplastik“ an der Universität Bayreuth und korrespondierender Co-Autor der in der Zeitschrift „Analytical and Bioanalytical Chemistry“ publizierten Studie.
Ergebnisse
Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in Bayreuth und auf Helgoland haben die parallel mit den beiden Analyse-Tools erzielten Ergebnisse verglichen. Größtenteils stimmen die Ergebnisse überein. Doch es gibt auch Abweichungen: Vor allem im Bereich von Partikeln, die kleiner als 50 Mikrometer sind, gibt es unterschiedliche Resultate, da hier die Algorithmen infolge einer schlechteren FTIR-Spektrenqualität auch Fehlentscheidungen treffen können.
„Unsere Studie zeigt, dass weitere vergleichende Forschungsarbeiten notwendig sind, damit Mikroplastik-Partikel aller Größen mittels automatisierter Verfahren fehlerfrei identifiziert werden können. Bisher erzielte Ergebnisse zur Beurteilung der Kontamination der Umwelt durch Mikroplastik sind gerade im Hinblick auf kleinere Partikelgrößenklassen durchaus mit einer gewissen Skepsis zu betrachten. Darüber hinaus belegt unsere Studie, dass wir gute und belastbare Daten erhalten, wenn wir die mit den Analyse-Tools gewonnenen Daten abschließend einer kritischen Überprüfung unterziehen“, sagt Co-Autor Dr. Martin Löder von der Universität Bayreuth. „Bei allen derzeit angewandten Techniken und Verfahren bleibt jedoch letztlich unklar, wie gut die dabei erzielten Ergebnisse die tatsächlichen Mikroplastikbelastungen in der Umwelt widerspiegeln. Selbst wenn wir moderne, technisch avancierte Untersuchungsverfahren einsetzen, ist die Frage, wie viele und welche Mikroplastik-Partikel die Umwelt tatsächlich belasten, noch nicht abschließend zu beantworten. Gerade bei den ganz kleinen Partikeln sind wir hier noch ganz am Anfang, umso wichtiger sind weitere Forschungsanstrengungen“, betont Prof. Dr. Christian Laforsch.
Zur Kooperation
Die Universität Bayreuth und das AWI auf Helgoland arbeiten bereits einige Jahre erfolgreich im Bereich Mikroplastik zusammen. Beide Forschungspartner nutzen die gleichen Mikro-FTIR-Spektrometer für ihre Mikroplastikanalysen und waren beispielsweise am europäischen JPI-Oceans-Projekt „BASEMAN“ beteiligt, bei dem es um die Standardisierung und Harmonisierung von Mikroplastikanalysen ging. Zudem haben sie gemeinsam in dem vom BMBF geförderten Projekt „PLAWES“ die Mikroplastik-Kontaminationen im Ökosystem Weser-Wattenmeer untersucht.
Publikation
Sonya R. Moses, Lisa Roscher, Sebastian Primpke, Benedikt Hufnagl, Martin G. J. Löder, Gunnar Gerdts & Christian Laforsch: Comparison of two rapid automated analysis tools for large FTIR microplastic data sets. Analytical and Bioanalytical Chemistry (2023), DOI: https://dx.doi.org/10.1007/s00216-023-04630-w
Quelle: Universität Bayreuth
Nachgefragt
Dr. Martin Löder, Leiter der Forschungsgruppe Mikroplastik an der Universität Bayreuth, beantwortet Fragen zum Verfahren.
LABO: In der Originalpublikation ist erwähnt, dass die Datensätze mit dem Bayreuth Particle Finder analysiert wurden. Was hat es damit auf sich?
Dr. Martin Löder: In den Anfängen der Mikroplastik-Forschung haben wir die Daten des FTIR-Imaging anhand Kunststoff-charakteristischer Banden noch manuell analysiert. Abhängig von der Partikelmenge in der Probe konnte das schon mal über einen Tag dauern, was einen höheren Probendurchsatz schlichtweg verhinderte. Daher haben wir nach automatisierten Lösungen gesucht, und Professor Dr. Christian Laforsch hat eine Kooperation mit Herrn Professor Dr. Hans Lohninger von der TU Wien und seiner Softwarefirma EPINA gestartet, während letztendlich der Bayreuth Particle Finder entstanden ist. Diese Softwarelösung analysiert die FTIR-Imaging-Daten automatisiert auf 22 unterschiedliche Kunststoffe hin und arbeitet sehr gut. Wir unterziehen die Ergebnisse dennoch einer manuellen Endkontrolle, um letztendlich das höchste Maß an Verlässlichkeit in unseren Daten zu haben.
Wodurch zeichnet sich das Mikro-FTIR-Imaging-Verfahren aus?
Bei der Mikroplastikanalyse hat sich das Focal-plane-array (FPA)-Detektor-basierte Mikro-Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Imaging als hocheffiziente Methode für die schnelle Messung von Probenfiltern erwiesen. Durch die gleichzeitige Aufnahme von Tausenden von Spektren innerhalb einer einzigen Messung ermöglicht diese Technik die chemische Bildgebung (Chemical Imaging), was sie zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Mikroplastik-Analyse kompletter Probenfilter macht. Die einzelnen Detektorpixel des FPA-Detektors nehmen bei der Messung gleichzeitig IR-Spektren auf einer Teilfläche des Probenfilters auf – das ist ähnlich wie bei einem Fotochip in einer Digitalkamera, nur dass dort natürlich Farbinformationen aufgezeichnet werden. Beim Chemical Imaging wird der Filter mit dem FPA-Detektor nacheinander abgerastert, so entstehen letztendlich nicht nur Informationen über den Polymertyp, sondern auch über die Anzahl, Form und Größenverteilung der Mikroplastik-Partikel in der gesamten Probe.
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