Über Böden und Flüsse
Der breite Einsatz von Kunststoffen in der Landwirtschaft verschmutzt die Felder, Mikro- und Nanopartikel werden von verschiedenen Organismen aufgenommen. Aber wie groß ist das Problem wirklich? Welche Mengen landen in den Bergen, auf den Gletschern, in den Flüssen? Wie kann man das messen? Aktuelle Forschungsprojekte geben Einblick in die vielfältigen Problemstellungen, die das Thema Mikroplastik mit sich bringt.
Woher kommt das Mikro- und Nanoplastik in landwirtschaftlichen Böden, wie verhält es sich und welche Auswirkungen hat das auf das Ökosystem? Diesen Fragen widmet sich das EU Horizon-Projekt MINAGRIS, an dem die Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) beteiligt ist. Außerdem wurde eine „SoilPlastic App“ entwickelt durch die sich Hobby-Forschende, hauptsächlich Schulkinder, mit der Plastik-Verschmutzung der Böden auseinandersetzen konnten, mehr als 20.000 Fundorte markiert und wichtige Boden-Daten gesammelt haben.
Projekt MINAGRIS
Taru Sandén von der AGES über das Projekt:
Woran forschen Sie bzw. Ihr Team im Hinblick auf Mikroplastik?
Plastik gelangt durch verschiedene Quellen und Pfade in den Boden. Eine Hauptquelle ist das achtlose Wegwerfen von Müll („Littering“), besonders auf Grünstreifen und Feldern entlang von Straßen und Reifenabrieb. In der Landwirtschaft selbst werden Kunststoff-Produkte wie z.B. Folien und Netze verwendet, die zum Teil zerfallen oder vom Wind verweht werden können. Zudem finden sich Plastik-Rückstände häufig im Kompost oder in anderen Düngern, die auf Felder aufgebracht werden.
Studien zeigen, dass sich angesammelte Mikro- und Nanokunststoffe (MNP) Bodeneigenschaften und -funktionen, wie Wasserdynamik und Nährstoffkreislauf, verändern, was sich auf die Biodiversität im Boden und die Wirtschaftlichkeit landwirtschaftlicher Betriebe auswirkt. Andere Schadstoffe können diese Auswirkungen noch verstärken und komplexe ökologische Probleme verursachen. Das Projekt MINAGRIS untersucht die Auswirkungen von Plastik-Rückständen in landwirtschaftlichen Böden auf die Biodiversität, Pflanzenproduktivität und Ökosystemleistungen sowie deren Transport und Abbau. Ziel ist es, Instrumente und Empfehlungen für eine nachhaltige Nutzung von Kunststoffen in der Landwirtschaft zu entwickeln, um sichere und wirtschaftlich tragfähige Lebensmittelsysteme in Europa zu gewährleisten.
Wie läuft das Projekt ab?
MINAGRIS ermittelt unter Einbeziehung verschiedener Interessengruppen wie Landwirtinnen und Landwirten sowie Bürgerinnen und Bürgern, die jeweiligen Bedürfnisse, schärft Bewusstsein und entwickelt gemeinsam neue Strategien zur Verringerung der Plastikverschmutzung. MINAGRIS beprobt 11 landwirtschaftliche Betriebe in 6 biogeografischen Regionen Europas, davon zwei in Österreich, bei denen viele Kunststoff-Produkte in der Lebensmittel-Produktion verwendet werden. Die Landwirtinnen und Landwirte stellen ihr Fachwissen zur Verfügung und gewähren Zugang zu ihren Feldern für Probenahmen und Experimente. Weitere lokale, regionale und nationale Interessengruppen, darunter Beraterinnen und Berater, Wissenschafterinnen und Wissenschafter sowie politische Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger, sind ebenfalls am Projekt beteiligt. Die im Rahmen des Projekts entwickelte SoilPlastic-App ermöglicht es Bürgerinnen und Bürgern, Beobachtungen von sichtbarem Plastik auf Böden zu erfassen. Die App läuft auf der bekannten Spotteron-Plattform und ist für iOS, Android und als Web-Anwendung verfügbar. Auf diese Weise können Plastik-Beobachtungen überall und jederzeit auf mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets oder über den Browser in der webbasierten App eingegeben werden. Die gesammelten Daten umfassen Menge, Größe und Farbe des gefundenen Plastiks, die Landnutzung des Standorts und ein Foto der Beobachtung.
Welche Erkenntnisse gibt es (bisher)?
Die Ergebnisse der visuellen Kunststoff-Analyse (Kunststoffpartikel > 2 mm) zeigen, dass 38 Prozent der untersuchten Felder in Österreich Kunststoff im Boden enthalten. Hinsichtlich der Verwendung von Agrar-Kunststoff wurde festgestellt, dass 52 Prozent der untersuchten Felder in den drei Jahren vor der Probenahme irgendeine Form von Agrar-Kunststoff verwendet haben. Am häufigsten wurden Mulch- und andere Folien verwendet. Im Jahr 2023 hat die AGES mit der SoilPlastic App am Citizen Science-Award teilgenommen und mit Hilfe der interaktiven Beteiligung von Bürgerinnen und Bürgern insgesamt 22.000 Plastik-Einträge gesammelt. Der Großteil der Einträge stammt von Schülerinnen und Schülern aus ganz Österreich. Die gesammelten Daten bieten Einblicke in die Verteilung von Plastik-„Littering“ in urbanen Regionen. Plastik- und Getränke-Verpackungen dominieren die Landschaft.
Was bedeutet das für die Zukunft?
Mikroplastik ist überall – von Ozean-Gräben über den Mount Everest bis zu Böden. MINAGRIS und das Schwesterprojekt PAPILLONS betonen daher sektorübergreifende Zusammenarbeit für nachhaltige Lösungen. (Mikro-)Plastik-Verschmutzung erfordert ganzheitliches Denken und Kooperation zwischen Politik, Industrie und Landwirtschaft. Landwirtinnen und Landwirte spielen hier eine zentrale Rolle, da ihre Betriebe und die allgemeine Ernährungssicherheit betroffen sind. Dringende Maßnahmen sind erforderlich, die schrittweise auf verschiedenen Ebenen erfolgen können, wie ein Pfandsystem, bewusste Kreislaufsysteme (Reduzieren, Wiederverwenden, Recyclen) und der ausgewogene Einsatz von Kunststoffen in der Landwirtschaft. Ein Gleichgewicht zwischen Vor- und Nachteilen des Kunststoffeinsatzes muss gefunden werden, um das Pflanzenwachstum durch den Einsatz von Plastik-Produkten zu unterstützen und diese nach der Nutzung wieder zu entfernen.
Ansprechperson:
Taru Sandén (bodengesundheit@ages.at) von der AGES
Vom Gletscher bis zur Donau
Plastikabfälle in den Weltmeeren sind seit vielen Jahren Thema. Ein wichtiger Transportweg sind bekanntlich Flusssysteme. Das Projekt AlPlast zielt erstmals darauf ab, das Vorkommen von Kunststoffen in den österreichischen Alpen zu quantifizieren – von den Gletschern am Gipfel über steile Gebirgsrinnen bis hin zur Donau.
Marcel Liedermann und Georg Gübitz von der Boku stellen das Projekt vor:
Wie läuft das Projekt ab?
Mit innovativen Methoden werden die Partikeltypen und -konzentrationen auch in unterschiedlichen Tiefen der Gewässer erfasst, da Mikroplastik nicht nur oberflächennah anzutreffen ist. Schneeschichtproben liefern Hinweise auf eine saisonale Belastung, mögliche Transportwege und mikrobielle Abbauprozesse. Citizen Science soll die Datenerhebung erweitern.
Woran forschen Sie bzw. Ihr Team im Hinblick auf Mikroplastik?
Plastik in der Umwelt stellt eine wachsende Gefahr dar – vor allem wegen der unklaren Langzeitfolgen. Während die Forschung lange auf Meere fokussiert war, fehlen Erkenntnisse zum Mikroplastik in alpinen Fließgewässern. Das Projekt AlPlast unter Leitung von Marcel Liedermann (BOKU Wien) untersucht erstmals das Vorkommen von Mikroplastik von Gletschern bis zur Donau.
Welche Erkenntnisse gibt es (bisher)?
„Im Projekt wurde eine innovative (isokinetische) Pumpe entwickelt, die es nun ermöglicht, repräsentativ auch die kleinsten Anteile des Mikroplastiks zu beproben. Die Kombination von Pump- und Netzproben bietet nun ein internationales Beispiel für eine Standardbeprobung des Mikroplastiktransportes. Die Ergebnisse aus den Transportwerten sollen am Ende des Projektes auch mit den Daten aus den Messungen vor 10 Jahren verglichen werden, um die Entwicklung darstellen zu können“, so Marcel Liedermann vom Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung. „Die gute Nachricht: In den gezogenen Proben wurden über genetische Methoden Mikroorganismen identifiziert, die Mikroplastik abbauen können“, so Georg Gübitz vom Institut für Umweltbiotechnologie.
Was bedeutet das für die Zukunft?
Ziel ist auch eine GIS-basierte Karte der Plastikbelastung in den Alpen, um Handlungsempfehlungen für Gewässerschutz und nachhaltige Nutzung abzuleiten.
Ansprechpersonen:
Marcel Liedermann (marcel.liedermann@boku.ac.at) und Georg Gübitz (guebitz@boku.ac.at) von der Universität für Bodenkultur (Boku)
"Die Nadel im Heuhaufen"
Ebenfalls die Plastikverschmutzung in Flüssen ins Visier nimmt das Projekt Aquatic Plastic. Ein Aspekt ist dabei die Entwicklung standardisierter Protokolle für die Probenahme, Probenvorbereitung und Analyse. Eine Herausforderung liegt unter anderem darin, Mikroplastikpartikel aus den mitgefangenen organischen und anorganischen Schweb- und Schwimmstoffen zu isolieren.
Gudrun Obersteiner von der Boku stellt das Projekt vor:
Woran forschen Sie bzw. Ihr Team im Hinblick auf Mikroplastik?
Studien zeigen, dass ein erheblicher Teil der Plastikverschmutzung in den Meeren, etwa 80 Prozent, aus Flüssen stammt. Kunststoffe, die einst als nicht abbaubar galten, zerfallen unter Sonneneinstrahlung und Temperaturschwankungen tatsächlich in Mikroplastikpartikel. Diese Erkenntnis hat dazu geführt, dass der Bekämpfung der Plastikverschmutzung in Flüssen verstärkt Aufmerksamkeit geschenkt wird. Der aktualisierte Donau-Flussgebietsplan 2021 der Internationalen Kommission zum Schutz der Donau (ICPDR) betont die Dringlichkeit, Plastikverschmutzung als oberste Priorität anzugehen. Aktuell gibt es aber immer noch nur punktuelle Messungen und die Ergebnisse sind nicht vergleichbar, da mit unterschiedlichen Methoden gearbeitet wurde.
Ein Ziel des im Rahmen vom Interreg Program Danube Region geförderten Projektes Aquatic Plastic ist es, die Messmethoden für Mikroplastik weiter zu standardisieren, aber auch wo möglich zu vereinfachen, um künftig eine regelmäßige MIP-Überwachung zu ermöglichen. Nur so können das tatsächliche Ausmaß der Verschmutzung, aber auch die Effekte von Maßnahmen evaluiert werden.
Wie läuft das Projekt ab?
Im Rahmen von Pilotanalysen in Österreich, der Slowakei, Ungarn, Slowenien, Montenegro, Serbien und Bulgarien werden Messungen von Mikroplastik in Wasser, Sedimenten und Biota durchgeführt. Ziel dieser Zusammenarbeit ist die Erstellung umsetzbarer standardisierter Protokolle für die Probenahme, Probenvorbereitung und Analyse, die in einem leicht zugänglichen Handbuch zusammengefasst werden sollen. Um weniger erfahrenen Partnern eine Orientierungshilfe zu geben, werden Text- und Bildanleitungen erstellt. In einem gemeinsamen Workshop wurden alle relevanten Schritte der MIP-Überwachung behandelt, damit die Partner die erforderlichen Verfahren bis zur chemischen Analyse selbstständig durchführen können.
Welche Erkenntnisse gibt es (bisher)?
Leider gibt es keine Möglichkeit, „nur“ Mikroplastik aus Gewässern zu entnehmen und zu analysieren, und die größte Herausforderung liegt einerseits darin, Mikroplastikpartikel aus den mitgefangenen organischen und anorganischen Schweb- und Schwimmstoffen zu isolieren. Dies ist umso schwieriger, als man versucht, eine möglichst repräsentative Probe im jeweiligen Flussquerschnitt zu nehmen. Dazu sind sehr kosten- und zeitintensive Schritte sowohl für die Probennahme als auch für die weitere Behandlung der Probe (oxidative Prozesse, enzymatische Prozesse, physikalische Prozesse) notwendig, die immer das Risiko bergen, dass Mikroplastikpartikel verloren gehen oder weitere Plastikverschmutzungen eingetragen werden.
Was bedeutet das für die Zukunft?
Die immensen finanziellen und zeitlichen Ressourcen, die in die Erforschung von komplexen Verschmutzungen gesteckt werden, wären besser in Vermeidungsmaßnahmen im ersten Schritt aufgehoben. Während eine Plastikflasche mit geringem Aufwand ordnungsgemäß entsorgt werden kann und mit vertretbarem Aufwand eingesammelt werden kann, ist die Rückführung in einen nutzbaren Zustand, wenn sie in eine Vielzahl winziger Teilchen verteilt ist, praktisch unmöglich. Da sich Plastik quasi nicht vollständig abbaut, sondern immer nur in kleinere Teile zerfällt und immer mehr Gefährdungspotentiale von Mikro- und Nanoplastik bekannt werden, muss der logische Schluss die Vermeidung sein.
Ansprechperson:
Gudrun Obersteiner (gudrun.obersteiner@boku.ac.at) von der Universität für Bodenkultur (Boku)
Umweltproben direkt vor Ort analysieren
Mit der Verbesserung von Messungen hat auch das Projekt MikAlp zu tun. Konkret soll gezeigt werden, dass Mikroplastik-Analytik nicht mehr auf spezialisierte Großlabore beschränkt sein muss, sondern auch mobil möglich ist. Gleichzeitig will man auch die Industrie dabei unterstützen, nachhaltigere Produktionsprozesse zu entwickeln, etwa durch die frühzeitige Erkennung von Mikroplastikemissionen.
Details zum Projekt liefert Christian W. Huck von der Uni Innsbruck:
Woran forschen Sie bzw. Ihr Team im Hinblick auf Mikroplastik?
Im Rahmen des Interreg-Projekts MikAlp und über die Spin-off-Firma MiQLab forschen wir an der Entwicklung schneller, präziser und reproduzierbarer Analyseverfahren für Mikroplastik in Umweltproben. Unser Fokus liegt auf der Anwendung und Weiterentwicklung von Nahinfrarot- (NIR) und Raman-Spektroskopie kombiniert mit KI-gestützter Datenauswertung. Erstmals setzen wir dabei selbst entwickelte interne Standards ein, die es ermöglichen, Mikroplastik in unterschiedlichen Umweltmatrices nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ zuverlässig zu bestimmen. Dies stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber bisherigen Methoden dar, die häufig unzureichend standardisiert sind. Durch den Einsatz mobiler Geräte soll es langfristig möglich sein, Umweltproben direkt vor Ort zu analysieren und so belastbare Daten für Monitoring-Programme und politische Entscheidungsprozesse bereitzustellen.
Wie läuft das Projekt ab?
MikAlp ist als transdisziplinäres Kooperationsprojekt organisiert, bei dem Forschung, Wirtschaft und öffentliche Stellen zusammenarbeiten. Zunächst erfolgt die Sammlung repräsentativer Proben entlang alpiner und urbaner Regionen – Wasser, Boden, Luft und biologische Proben werden gezielt untersucht. Im Labor analysieren wir diese Proben mittels NIR- und Raman-Spektroskopie, ergänzt durch multivariate Datenanalysen und Machine-Learning-Modelle. Ein zentrales Element ist der Einsatz von internen Standards, die für Kalibrierung und Qualitätskontrolle verwendet werden. Parallel entwickeln wir portable Messsysteme, mit denen künftig direkt vor Ort Messungen durchgeführt werden können. Die Ergebnisse werden mit etablierten Referenzmethoden (z. B. Pyrolyse-GC/MS) verglichen und validiert, um eine breite Anwendbarkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Welche Erkenntnisse gibt es (bisher)?
Unsere bisherigen Untersuchungen zeigen, dass Mikroplastik selbst in entlegenen alpinen Regionen regelmäßig nachweisbar ist. Besonders häufig finden sich textile Fasern und Reifenabrieb, aber auch Fragmente aus Verpackungskunststoffen. Die Kombination aus NIR- und Raman-Spektroskopie mit internen Standards ermöglicht eine klare Identifikation der Polymerarten sowie eine verlässliche Größen- und Mengenbestimmung. Erstmals konnten wir zudem zeigen, dass durch den Einsatz von internen Standards und KI-unterstützter Auswertung die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse signifikant verbessert wird. Die Analysedauer konnte im Vergleich zu herkömmlichen Laborverfahren deutlich reduziert werden, ohne Einbußen bei der Datenqualität. Die Ergebnisse liefern eine belastbare Grundlage für Umwelt-Monitoring und Risikobewertungen.
Was bedeutet das für die Zukunft?
Unsere Forschung zeigt, dass hochpräzise Mikroplastik-Analytik nicht mehr auf spezialisierte Großlabore beschränkt sein muss. Mit den entwickelten Methoden und Geräten wird es künftig möglich sein, flächendeckende Monitoring-Programme effizienter und kostengünstiger durchzuführen. Insbesondere die Verwendung von internen Standards stellt sicher, dass Messergebnisse international vergleichbar und langfristig belastbar sind – eine wichtige Voraussetzung für gesetzliche Regelungen und Maßnahmen wie ein globales Plastikabkommen. Gleichzeitig wollen wir mit MikAlp und MiQLab auch die Industrie dabei unterstützen, nachhaltigere Produktionsprozesse zu entwickeln, etwa durch frühzeitige Erkennung von Mikroplastikemissionen. Ziel ist es, die Brücke zwischen Grundlagenforschung, praktischer Anwendung und politischer Entscheidungsfindung zu schlagen.
Ansprechperson:
Christian W. Huck (Christian.W.Huck@uibk.ac.at) von der Universität Innsbruck
Waschmaschinen-Abwasser
Damit Mikroplastik erst gar nicht von Textilien in das heimische Abwasser kommt, haben Experten des MCI einen Prototypen für eine kontinuierliche Filtration direkt in der Waschmaschine entwickelt. In ersten Versuchen konnten 41 Prozent der zugeführten Partikel abgetrennt werden. Es gebe aber noch Optimierungspotenzial.
Thomas Senfter vom MCI stellt das Projekt vor:
Woran forschen Sie bzw. Ihr Team im Hinblick auf Mikroplastik?
Neben Kosmetika und Reinigungsprodukten spielt der Waschprozess von synthetischen Textilien in Bezug auf Mikroplastik im häuslichen Abwasser die bedeutendste Rolle. Durch den Waschprozess lösen sich die in synthetischer Kleidung verarbeiteten Kunststofffasern und gelangen über das Abwasser zur Kläranlage. Dort sind feinste Fasern nur schwer abtrennbar. Um die Freisetzung von Mikroplastik zu verhindern, wurde ein Ansatz gewählt, der die Abtrennung der Fasern direkt an der Quelle (Waschmaschine) ermöglicht. Hierfür wurde ein Prototyp eines kontinuierlichen, regenerativen Filtrationssystems entwickelt, das in eine Waschmaschine direkt integriert werden kann und selektiv Mikroplastik aus dem Abwasser abtrennt. Gegenüber existierenden Waschmaschinen-Mikroplastikfiltern zeichnet sich der Prototyp dadurch aus, dass der Filter die Schwerkraft nutzt, kontinuierlich betrieben wird und somit kein periodischer Austausch des Filtermediums notwendig ist.
Wie läuft das Projekt ab?
Wir als kleine Hochschule sehen unsere Schlagkraft darin, dass wir im Rahmen von Abschlussarbeiten von jungen, talentierten Studierenden schnell und zielgerichtet Prototypen umsetzen können. Konkret bedeutet das, dass bei diesem Projekt keine Förderanträge geschrieben wurden, sondern ein direkter Weg von der Idee zur (schnellen) ersten Umsetzungsstufe gewählt wurde. Dieses Vorgehen ist im Kontext von „brandheißen Themen“ ein unmittelbarer Erfolgsfaktor dafür, eine Idee in einer möglichst frühen Phase auf ihre Wirksamkeit und Umsetzbarkeit bewerten zu können. Bei derartigen Initiativprojekten werden wir unkompliziert von nahestehenden Partnern (z.B. Bündnis Mikroplastikfrei) unterstützt.
Welche Erkenntnisse gibt es (bisher)?
Im Rahmen des Projektes konnte gezeigt werden, dass ein schwerkraftgetriebener, kontinuierlicher Betrieb des Filtrationssystems möglich ist. In den ersten Versuchen konnten 41 Prozent der zugeführten Mikroplastikpartikel abgetrennt werden. Es handelt sich hier um einen ersten Proof-of-Concept und es ist anzunehmen, dass dieser Wert durch Optimierungen am System (beispielsweise alternative Filtermedien, Ausdehnung der Filterfläche) noch deutlich gesteigert werden kann.
Wie es für Entwicklungen in Laborumgebung üblich ist, bedarf es großer Anstrengungen, um vielversprechende Konzepte letztlich in Produkte umzuwandeln. Hier ist das Spannungsfeld zwischen dem Platzbedarf in der Waschmaschine, der Betriebssicherheit, der Grund-Funktionalität der Waschmaschine und das Streben nach Mikroplastikabtrennung als Add-On durchaus eine Herausforderung.
Was bedeutet das für die Zukunft?
Dass Waschmaschinenabwasser im Kontext der Mikroplastikproblematik eine entscheidende Rolle spielt, ist erwiesen. Ob sich langfristig die existierenden Lösungen (z.B. Zusatzfilter für das Waschmaschinenabwasser oder in Waschmaschinen integrierte diskontinuierliche Filtersysteme) oder unser kontinuierliches, schwerkraftgetriebenes System am Markt durchsetzen wird, ist zukünftig im Zusammenspiel von Waschmaschinenherstellern, Filterherstellern und Forschungseinrichtungen zu bewerten. Ein erster Grundstein ist mit dem vorliegenden Prototyp gelegt.
Ansprechpersonen:
Dr. Thomas Senfter (Thomas.Senfter@mci.edu) und Simon Leitner vom MCI – Die Unternehmerische Hochschule