SFB 1357 TPB02: Verhalten und Transport von Mikroplastik in der strömungsarmen Wassersäule

SFB1357 B02

Ziel des Teilprojektes B02 ist es, die Wechselwirkungen zwischen physikalischen, biogeochemischen und biologischen Einflüssen auf Transport, Sedimentation und Verteilung von MP in stehenden Gewässern zu verstehen. Untersuchungen hierzu sind an wohldefinierten Modellsystemen in Kombination mit numerischen Simulationen geplant. Bisher gibt es kaum systematische Untersuchungen zu Transport und Sedimentation von MP in stehenden Gewässern. Der Schwerpunkt der wenigen vorhandenen Arbeiten lag hier bisher meist auf der reinen Quantifizierung der MP-Kontamination im Sediment oder an der Wasseroberfläche. Ein grundlegendes mechanistisches Verständnis der wichtigsten Transport- und Sedimentationsprozesse von MP ist jedoch zwingend notwendig, um ein Verständnis über die Migration und Verteilung, die Verweilzeit in der Wassersäule sowie das Sedimentationsverhalten zu erlangen, potenzielle Senken für MP zu erfassen und somit Orte erhöhter Exposition von Organismen mit MP zu identifizieren. Die Arbeiten in B02 sind in drei Arbeitspakete (APs) unterteilt, die sowohl Labor- und Freiland experimente in Modellsystemen sowie ‚virtuelle Experimente‘ mit physikalisch-basierten numerischen Modellierungen den MP-Transports umfassen. In AP1 soll in Labormodellsystemen das Sedimentationsverhalten von MP unter unterschiedlich kontrollierten Bedingungen in Sedimentationssäulen untersucht werden. Da Skalen und Prozesse einer stehenden Wassersäule im Labor nur sehr eingeschränkt abzubilden sind, stehen zusätzlich kontrollierte Freilandexperimente zur Verfügung. Hierzu werden MP-Expositions-Experimente in wohldefinierten Modell-Freilandsystemen, sogenannten Mesokosmen durchgeführt. Die Mesokosmen werden am Großen Brombachsee (Bayern) installiert, wo fluoreszierende Modell-MP-Partikel (PS, PP, Z01) sowohl an der Wasseroberfläche als auch innerhalb der drei Seenschichten Hypolimnion, Metalimnion und Epilimnion zugefügt werden. In der ersten Expositionsphase werden filtrierendes Zooplankton und andere größere Organismen ausgeschlossen, um die biologische Komplexität des Systems zu reduzieren. Während der Exposition werden regelmäßig biotische und abiotische Parameter in den Mesokosmen sowie die hydrodynamischen Bedingungen aufgezeichnet. Die MP-Konzentrationen werden durch in-situ Fluoreszenzmessungen (GGUN FL24) über das Tiefenprofil bestimmt und die Sedimentation mit Sedimentfallen gemessen. Die MP-Partikelgrößen- und Kunststofftypenzusammensetzung in den einzelnen Seenschichten und in den Sedimentfallen werden über diskrete Probenahmen untersucht. In weiterführenden Mesokosmen-Experimenten werden in Zusammenarbeit mit A01 der filtrierende Modellorganismus Daphnia sowie Büschelmückenlarven als Prädatoren zugesetzt, um die biologisch- getriebene Migration von MP in der Wassersäule (tagesperiodische Vertikalwanderung, Sedimentation von MP in Kotballen und in abgestorbenen Organismen) zu untersuchen. Im Freiland konditionierte MP-Partikel (Biofilm, Alterung, Aggregation) werden schichtspezifisch entnommen, charakterisiert und iterativ in die Sedimentationsexperimente ins Labor zurückgeführt, wo das Sedimentationsverhalten mittels Laser-Doppler-Anemometrie (B05) untersucht wird. Des Weiteren werden im AP2 MP aus den Mesokosmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten mikroskopisch charakterisiert (3D konfokale Lasermikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie). Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Identifikation mikrobieller Veränderungen an den Partikeloberflächen, insbesondere durch die Besiedlung von MP durch Mikroorganismen und der Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) sowie deren Wechselwirkungen mit anorganischen Ionen wie Fe2+/Fe3+, Ca2+, CO32-. Die physikochemischen Eigenschaften der MP-Oberfläche werden in Zusammenarbeit mit B01 untersucht (z.B. Zeta-Potential). Daraus wird abgeleitet, wie Biofilme den physikalischen Transport v.a. durch Änderung der Partikeldichte beeinflussen. In AP3 werden numerische Modelle genutzt, um das spezifische Verhalten und den Transport von MP in stehenden Gewässern auf unterschiedlichen Skalen und mit unterschiedlicher Komplexität mechanistisch zu beschreiben und zu quantifizieren. Dabei werden in enger Zusammenarbeit mit AP1 zunächst Modellszenarien in Anlehnung an die Mesokosmen entwickelt und es erfolgt die Auswahl eines numerischen Codes (Software), der die relevanten Transportprozesse und MP-Eigenschaften (in enger Abstimmung mit AP2) adäquat abbilden kann. Hier soll der Einfluss der limno-physikalischen Randbedingungen wie Wind, Wellenbewegung, Temperaturschichtung sowie Dichte des Wassers und des MP auf den MP-Transport systematisch untersucht werden. Dabei nimmt die Komplexität der Modelle ausgehend von ersten 1D oder 2D-Simulationen der Modell-Mesokosmen über idealisierte 3D-Seesystemen bis hin zu realen Seesystemen zu. Mit dieser Art von „virtuellen See-Experimenten“ ist es möglich ein skalenübergreifendes mechanistisches Verständnis über den MP-Transport in stehenden Gewässern zu erhalten. Diese Kombination aus modellhaften Labor-, und kontrollierten Mesokosmenstudien sowie hydrodynamischer Modellierung wird ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis des MP-Transports in stehenden Gewässern ermöglichen. Über die vertikale Auftretenswahrscheinlichkeit von MP in Zusammenhang mit den dort vorkommenden Organismen wird zudem eine fundamentale Basis zur Abschätzung von potenziellen Umweltrisiken von MP in lentischen Systemen geschaffen.