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Plastik wird heutzutage weitgehend und exzessiv verwendet, sodass es zu einem fast unverzichtbaren Produkt in unserem Alltag geworden ist. Eine masslose und über die Jahre wachsende Produktion hat zu einem erheblichen Anstieg des Abfallaufkommens und damit zu einer starken Verschmutzung der Umwelt geführt. Tatsächlich sind wir derzeit mit noch nie dagewesenen Mengen an Kunststoffen konfrontiert, da es sich um langlebige Materialien handelt, die sich in unserer Umwelt anreichern. Kunststoffe sind widerstandsfähige Objekte, dennoch werden sie unter anderem durch Erosion und Photoabbau in kleine Fragmente zerlegt und bilden Partikel, die mit dem blossen Auge kaum sichtbar sind. Diese Kunststoffpartikel wurden bei einer Grösse zwischen 5 mm und 1 μm als Mikroplastik definiert. Die Grösse dieser Kunststoffpartikel kann also zwischen Millimeter und Mikrometer variieren. Mikroplastik kann in diesen Grössenordnungen direkt hergestellt werden, um als Rohstoff für die Herstellung von dekorativen Kunststoffteilen (Pailletten, Sequins, Kügelchen) oder als Schleif- oder Peelingmittel in Kosmetika verwendet zu werden.
Aufgrund ihrer Grösse kann Mikroplastik daher leicht natürliche Wassersysteme und unsere Wasserressourcen verunreinigen, da es durch Oberflächenabfluss, Abwasser, Industrieabwässer und sogar durch atmosphärische Ablagerungen leicht in diese gelangen kann. Mikroplastik erreicht Süsswasserökosysteme in verschiedenen Grössen, Formen und chemischen Zusammensetzungen und ist manchmal in hohen Konzentrationen in der Wassersäule zu finden. Einige wichtige Flüsse in Europa (wie der Rhein, die Seine, die Donau und die Rhône) wurden untersucht, um die Kontamination mit Mikroplastik zu bewerten [1-3]. Auch die Kontamination von Seen wurde in einigen Teilen der Welt bewertet, und es hat sich gezeigt, dass auch Umgebungen, die weit entfernt von anthropogenen Aktivitäten liegen, nicht frei von dieser Kontamination sind [4]. Da Mikroplastik in der Umwelt allgegenwärtig und für das blosse Auge unsichtbar ist, werden diese Partikel im Alltag oft unbeabsichtigt verschluckt oder eingeatmet. Das Vorhandensein von Mikroplastik im menschlichen Körper kann schädliche Auswirkungen auf das Gewebe und die Zellen haben. Darüber hinaus kann Mikroplastik Zusatzstoffe oder Monomere (die nicht chemisch an das Polymer selbst gebunden sind), Schwermetalle, hydrophobe organische Schadstoffe, perfluorierte Verbindungen, Medikamente usw. enthalten, die sich für Lebewesen als toxisch erweisen können [5]. Diese Begleitstoffe können aus der Matrix des Kunststoffpolymers ausgewaschen werden, wodurch sich die Art und Unsicherheit der Risiken, die mit diesen Kunststoffpartikeln verbunden sind, noch erhöht. Fasern stellen ebenfalls ein besonderes Risiko für die menschliche Gesundheit dar, da Textilfasern unabhängig von ihrer Beschaffenheit Zusatz- und Farbstoffe enthalten, die in einigen Fällen für die Tierwelt und die menschliche Gesundheit gefährlich sind. Somit gefährdet das Vorhandensein von Mikroplastik und Fasern die Funktion der aquatischen Systeme und damit die Qualität unserer Wasserressourcen, die für die Trinkwassergewinnung benötigt werden, und stellt ein wichtiges aktuelles Umweltproblem dar.
Die Kontamination von Wasserressourcen ist ein wichtiges Anliegen und Mikroplastik gibt Anlass zur Sorge über die Effizienz von Trinkwassersystemen. Die Konzentration von Mikroplastik in Oberflächenwasser, das zur Herstellung von Trinkwasser verwendet wird, kann von einigen wenigen Mikroplastik bis zu Tausenden von Mikroplastik (mit Abmessungen bis zu 1 μm) pro Liter reichen (siehe Tab. 1). Dennoch wurde beobachtet, dass eine einfache Trinkwasseraufbereitung (bestehend aus Koagulation-Flockung und Sandfiltration) eine Entfernungseffizienz von Mikroplastik (bis zu 10 μm) von etwa 70% erreicht. Im Vergleich dazu weisen Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit Koagulation-Flockung, Sedimentation, Sandfiltration und Kornaktivkohlefiltration höhere Abbauraten (Grössen bis 1 μm) auf (mindestens bei 72%) [6, 7]. Die Konzentration von Mikroplastik (Grössen bis 1 μm) im Trinkwasser bleibt jedoch hoch und schwankt zwischen 151 und 930 Mikroplastikpartikeln/l. Das Ziel der in diesem Artikel vorgestellten Studie ist es, die Effizienz der Entfernung von Mikroplastik und Fasern (grösser als 20 μm) in einer konventionellen (Typ Bieler Modell) Trinkwasseraufbereitungsanlage der Services Industriels de Genève (SIG) während der verschiedenen Jahreszeiten zu bewerten (Abb. 1).
Um die Effizienz der Entfernung von Mikroplastik in den verschiedenen Jahreszeiten zu untersuchen, wurde monatlich eine Probe aus dem Wasser des Genfersees und aus dem aufbereiteten Wasser der wichtigsten Trinkwasseraufbereitungsanlage in Genf (Trinkwasseraufbereitungsanlage Prieuré) entnommen. Im Durchschnitt wurden 50 Liter Rohwasser und 2000 Liter aufbereitetes Wasser durch Edelstahlsiebe (20 μm Maschenweite, ISO 3310-1) geleitet. Die auf den Sieben zurückgehaltenen Partikel wurden dann mit Reinstwasser (Milli-Q water, Millipore; spezifischer Widerstand grösser als 18 MΩ.cm, Gesamtkonzentration an organischer Substanz unter 2 ppb), die zuvor über Cellulosenitratfilter (0,45 μm, Ø = 47 mm, Sartorius stedium biotech) in Glasbecher mit einer Wasserstoffperoxidlösung (H2O2, 30% (w/w), REACTOLAB SA) gefiltert wurde, um eine 15%ige (w/w) Lösung zu erreichen. Die Lösungen wurden dann 7 Tage lang bei 50 °C in einem Trockenschrank aufbewahrt, um einen Aufschluss der organischen Substanz zu bewirken. Anschliessend wurden die Proben über 20 μm-Siebe gefiltert, um gelöste organische Stoffe zu entfernen, und auf Al2O3-Aluminiumoxid-Filter (Anodisc™, 0,2 μm, Ø = 47 mm, GE Healthcare Life Sciences Whatman™) übertragen, um chemische Identifikationsanalysen durchzuführen (Abb. 2). Für den Nachweis und die Messung von Mikroplastik bis 20 μm stützten wir uns auf die Mikroskopie gekoppelt mit Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (μFTIR); eine Methode, die weithin für den Nachweis und die Charakterisierung von Mikroplastik verwendet wird [8]. Aufgrund der Einschränkungen bei der Analyse mit Infrarotmikroskopie wurden alle Mikropartikel, die sich auf einem Viertel der Filteroberfläche abgesetzt hatten, sorgfältig und systematisch analysiert, ausser wenn sie als mineralische Mikropartikel oder Mikroorganismen identifiziert worden waren. Der Spektralbereich zwischen 1250 und 4000 cm-1 wurde aufgrund der Absorptionseigenschaften der Al2O3-Filter gewählt. Die spektrale Auflösung wurde auf 4 cm-1 festgelegt und es wurden 8 aufeinanderfolgende Scans pro Spektrum angewendet.
Mikroplastik mit einer Grösse von mehr als 20 μm wurde in allen Proben gefunden. Allerdings waren die Mikroplastikkonzentrationen im Rohwasser höher - um zwei Grössenordnungen - als im aufbereiteten Wasser, unabhängig davon, welchen Monat man im Laufe des Jahres betrachtete (Abb. 3A). Die Konzentration von Mikroplastik war im Verlauf des Jahres sowohl am Einlass als auch am Auslass der Trinkwasseraufbereitungsanlage relativ konstant. Das Mikroplastik wurde in vier Grössenklassen eingeteilt: 20 - 50 μm, 50 - 100 μm, 100 - 500 μm und grösser als 500 μm. Bei Grössen über 500 μm wurde kein Mikroplastik nachgewiesen (Abb. 3B). Im Rohwasser entsprach die durchschnittliche Mikroplastikkonzentration 627 ± 279 Mikroplastik/m3 (Abb. 3A). Im Durchschnitt wurden 61% des Mikroplastiks in der kleinsten Grössenklasse (20 - 50 μm) nachgewiesen, gefolgt von der Grössenklasse zwischen 50 und 100 μm (31%; Abb. 3B). Im Vergleich dazu enthielt das aufbereitete Wasser im Durchschnitt geringe Konzentrationen an Mikroplastik (11 ± 7 Mikroplastik/m3), was einer Abbaurate von 98% entspricht. Darüber hinaus wurden 68% des Mikroplastiks in der kleinsten Grössenklasse (20 - 50 μm) und 25% in der Grössenklasse zwischen 50 und 100 μm entdeckt (Abb. 3B). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Konzentration von Mikroplastik im Rohwasser und im aufbereiteten Wasser mit abnehmender Grösse signifikant ansteigt. Die Bilder in Abbildung 4 zeigen, dass die Form des Mikroplastiks eher unregelmässig ist und dass es hauptsächlich in Form von Fragmenten (sekundäres Mikroplastik) gefunden wird. Mikroplastik in Form von Flocken, Sequins oder Kügelchen wurde in dieser Studie nicht beobachtet. Auch zahlreiche Fasern (natürliche, halbsynthetische und synthetische) wurden in allen Proben beobachtet. Die Gesamtfaserkonzentration sank jedoch nach der Trinkwasseraufbereitung (Abb. 5A) von einem Durchschnittswert von 1813 ± 1161 Fasern/m3 Rohwasser auf einen Wert von 128 ± 84 Fasern/m3 im aufbereiteten Wasser, was einer Abbaurate von 93 % entspricht. Die Ergebnisse zeigen (Abb. 5B), dass sowohl im Rohwasser als auch im behandelten Wasser die Fasern in der Grössenklasse 100 - 500 μm vorherrschend waren. Darüber hinaus wurden die Fasern in allen Grössenklassen beobachtet. Im Gegensatz zu Mikroplastik haben die Fasern längliche Formen und einen Durchmesser von einigen Mikrometern, was ihre Dominanz in grösseren Grössen erklären könnte.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin (Abb. 6), dass die Effizienz der hier untersuchten konventionellen Trinkwasseraufbereitung zur Entfernung von Mikroplastik bei mindestens 95 % und bei Fasern (natürliche, synthetische und halbsynthetische) bei mindestens 87 % liegt. Die durchschnittliche Entfernungsrate für Mikroplastik beträgt 98 % (± 1 %), während die durchschnittliche Entfernungsrate für Fasern 93 % (± 3 %) beträgt. Die in unserer Studie nachgewiesenen Mikroplastikkonzentrationen sind im Vergleich zu anderen Studien in Trinkwasseraufbereitungsanlagen, die mit Oberflächenwasser versorgt werden, niedrig (Tab. 1). Dieser Unterschied kann jedoch auch darauf zurückzuführen sein, dass die Analysemethodik für Mikroplastik noch nicht standardisiert ist und dass einige Studien das Vorhandensein von Mikroplastik bis zu einer Grösse von 1 μm mithilfe der Mikro-Raman-Spektroskopie bestimmten, während wir unsere Analysen mithilfe der FTIR-Infrarotmikroskopie bis zu Grössen von 20 μm durchführten. Daher können wir in diesem Fall höhere Konzentrationen erwarten, wenn Grössen unterhalb von 20 μm untersucht werden. Studien in der Tschechischen Republik [6] oder in China [7] belegen diesen Aspekt deutlich. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass einige Studien sich darauf beschränken, deutlich kleinere Probenvolumina (1 bis 2 Liter) als unsere Proben (50 bis 2000 Liter) zu untersuchen. Dennoch stimmen unsere Ergebnisse in Bezug auf die Wirksamkeit der Behandlung zur Entfernung von Mikroplastik mit anderen Studien überein, die eine konventionelle Trinkwasseraufbereitung wie in Spanien [9], Frankreich [3] und der Schweiz [10] untersuchten. Darüber hinaus zeigen alle Studien, dass die Anzahl von Mikroplastik mit abnehmender Grösse der untersuchten Gewässer zunimmt.
Tab. 1 Vergleichende Tabelle zur Wirksamkeit der Entfernung von Mikroplastik mit anderen Studien.
Materialien wie Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylalkohol (PVA), Copolymer aus Ethylen und Vinylacetat (EVA), Polyvinylchlorid (PVC) und andere Materialien wurden durch Infrarotspektroskopie identifiziert. PE ist sowohl im Rohwasser als auch im aufbereiteten Wasser das am häufigsten vorkommende Material. Auch wenn die Konzentration von Mikroplastik nach der Behandlung deutlich abnimmt, bleibt die Gesamtverteilung und Heterogenität des Mikroplastiks im Rohwasser der des behandelten Wassers sehr ähnlich (Abb. 7). Es ist nicht überraschend, diese chemischen Zusammensetzungen zu finden, da diese Materialien häufig im Alltag (Verpackungen, Flaschen, Rohre usw.) und in verschiedenen Industriezweigen (Bauwesen, Textilien und Verpackungen) verwendet werden. Darüber hinaus werden einige dieser Kunststoffe direkt in der Trinkwasseraufbereitungsanlage verwendet (Dichtungen, Saugkörbe usw.). Daher ist eine mögliche Verunreinigung des Wassers durch diese Kunststoffe aufgrund eines möglichen Abriebs dieser Kunststoffe nicht völlig ausgeschlossen, insbesondere und beispielsweise beim Rückspülen der Filter mit Luft und Wasser für den Fall, dass die Saugkörbe aus polymeren Materialien (PE usw.) bestehen.
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In dieser Studie wurde die Kontamination mit Mikroplastik und Fasern am Eingang der Trinkwasseraufbereitung sowie die Effizienz der Abscheidung untersucht. Grosse Volumina wurden mit Hilfe von Edelstahlsieben beprobt und die zurückgehaltenen Partikel mit Hilfe der Infrarotmikroskopie analysiert. Die durchschnittliche Konzentration von Mikroplastik (Grösse bis 20 μm) im Rohwasser wurde gleich 627 ± 279 Mikroplastik/m3 und gleich 11 ± 7 Mikroplastik/m3 im aufbereiteten Wasser gefunden. Diese Werte deuten darauf hin, dass die Kontamination des Rohwassers mit Mikroplastik nach einer konventionellen Trinkwasseraufbereitung hochsignifikant reduziert ist. Die Faserkonzentration sank von 1813 ± 1161 Fasern/m3 im Rohwasser auf 128 ± 84 Fasern/m3 im aufbereiteten Wasser. Hinsichtlich der Wirksamkeit der Trinkwasseraufbereitung auf die Mikroplastikkontamination zeigte diese Studie, dass die konventionelle Aufbereitung eine wirksame Barriere für die Entfernung von Mikroplastik (98 %) in Form von Fragmenten und Fasern (93 %) darstellt. Es ist anzumerken, dass keine signifikante Korrelation (positiv oder negativ) zwischen den Messwerten der physikalisch-chemischen Parameter im Rohwasser (Temperatur, Trübung, pH-Wert, UV-Absorption bei 254 nm, organischer Gesamtkohlenstoff, Schwebstoffe) und dem behandelten Wasser zur gleichen Zeit wie die Probenahmen und den erhaltenen Konzentrationen an Mikroplastik und Fasern sowie der Wirksamkeit der Entfernung festgestellt wurde. Ebenso wurden keine signifikanten Veränderungen im Zeitverlauf beobachtet. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse zur Mikroplastikkontamination (bis zu 20 μm) in konventionellen Trinkwasseraufbereitungsanlagen (Typ Bieler Modell) zeigen sich beruhigend mit einer hohen Entfernungseffizienz. Ramirez et al. (2022) zeigten ebenfalls, dass das Trinkwassersystem desselben Aufbereitungsweges Nanoplastik (Stärke-Polystyrol) effektiv (99 %) entfernte [11]. Diese Ergebnisse zeigen, dass Mikro- und Nanoplastik in der Regel durch konventionelle Trinkwasseraufbereitungsanlagen gut zurückgehalten werden. Dennoch ist es wichtig, ein regelmässiges Mess- und Kontrollsystem einzurichten und diese Studien auf andere, einfachere oder andere Trinkwasseraufbereitungsmethoden (Ultrafiltration etc.) auszuweiten. Auch wenn die Entfernung von Mikroplastik aus dem Rohwasser bei konventionellen Verfahren unter Kontrolle zu sein scheint, muss eine nachträgliche Kontamination durch das Verteilungsnetz noch untersucht werden. Tatsächlich könnten sowohl das Verteilungsnetz als auch Installationen innerhalb von Häusern wichtige Kontaminationsquellen sein. Der Abrieb von Kunststoffrohren (PE, PVC, Polyurethanbeschichtung) ist nicht ausgeschlossen und könnte einen grossen Einfluss auf einen hohen Mikroplastik-Anteil und damit auf die Qualität des Wassers aus dem Wasserhahn der Verbraucher haben. Abgesehen von den ermutigenden Ergebnissen dieser Studie bleibt festzuhalten, dass jeder von dieser Problematik betroffen ist und es sinnvoll wäre, das Problem bereits an der Quelle selbst anzugehen. Die Wiederverwendung von bereits produzierten Kunststoffen sowie eine ordnungsgemässe Entsorgung, die eine Verbreitung in der Umwelt verhindert, sollten zumindest die Auswirkungen auf die Umwelt begrenzen und die Arbeit der Trinkwasserversorger erleichtern.
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[1] Faure, F.; De Alencastro, F. (2016): Mikroplastik: Situation in Oberflächengewässern in der Schweiz. Aqua & Gas. 4/2016: 72-77
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[11] Ramirez Arenas, L. et al. (2022): Fate and removal efficiency of polystyrene nanoplastics in a pilot drinking water treatment plant. Sci. Total Environ. 813: 152623. https://doi.org/10.1016/j. scitotenv.2021.152623
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