Verbundlabor „Umweltverhalten von Polymeren in Wasser-Boden-Vegetationskompartimenten“
Die allgegenwärtige Verschmutzung der Umwelt mit Plastikmüll und die damit einhergehenden potenziellen Risiken für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit haben in jüngster Zeit immer stärker die Aufmerksamkeit der Wissenschaft und auch der Öffentlichkeit auf sich gezogen. Dabei stehen nicht nur die sichtbaren makroskopischen Kunststoffteile im Fokus der Forschungsaktivitäten, sondern auch die kleinen Partikel in Form von Mikroplastik und Nanoplastik. Fortschritte bei den analytischen Methoden ermöglichen ein immer tieferes Verständnis der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse, denen Plastikmüll und Plastikpartikel in der Umwelt unterworfen sind. Eine Bewertung der Auswirkungen des Eintrags infolge spezifischer stofflicher und morphologischer Eigenschaften der Partikel auf natürliche Prozesse in Böden, Gewässern, Vegetation sowie auf die menschliche Gesundheit erfordert jedoch weiterführende Untersuchungen. Den Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAW) kommt dabei eine wichtige Funktion bei der Bewältigung der Plastikkrise zu. Die HTWD ist eingebunden in ein Netzwerk von Unternehmen, Forschungs- und Bildungseinrichtungen, Verbänden und Interessenvertretungen und kann daher relevante Transferaufgaben übernehmen. Im Bereich Mikroplastik wurde an der HTWD eine routinefähige Methode zum Nachweis von Mikroplastik in Boden-, Sediment- und Schlammproben entwickelt und in den Bereichen der Trinkwasseraufbereitung durch Uferfiltration und der Untersuchung von Böden angewandt. Das Verbundlabor stellt eine wichtige Grundlage für zukünftige Forschungsaktivitäten dar.
Fakultätsübergreifendes Kompetenzzentrum
Im Zentrum der Arbeiten im Verbundlabor steht ein besseres Verständnis des Verhaltens von Mikroplastik in Flussauenökosystem. Diese Ökosysteme sind besonders interessant, da hier ein Zusammenwirken von aquatischer, terrestrischer Umwelt und einer Vielzahl von vegetativen Beständen zu beobachten ist. Es werden Transferprozesse von Mikroplastik aus dem Flusssystem in die Aue und umgekehrt untersucht mit einem besonderen Fokus darauf, wie der Vegetationsbestand zu einem Rückhalt von Mikroplastik führt und welche Auswirkungen Mikroplastik auf die Auenvegetation hat.
Das Verbundlabor wird von der DFG im Rahmen der Großgeräteförderung an HAW gefördert und vereint vorhandene Kompetenzen und Einrichtungen mit neuen Großgeräten, die die Untersuchung des Umweltverhaltens von Polymerwerkstoffen durch hochmoderne und leistungsfähige Methoden ermöglicht. Es werden Know-how und Kapazitäten von Laboratorien aus den Fakultäten Landbau/Umwelt/Chemie, Bauingenieurwesen, Elektrotechnik und Maschinenbau gebündelt, um eine interdisziplinäre Forschung sicherzustellen. Das Verbundlabor soll die Zusammenarbeit der verschiedenen Fachbereiche innerhalb der Hochschule stärken, als auch die Attraktivität der HTWD als Kooperationspartner für Verbundprojekte auf nationaler und internationaler Ebene steigern.
Das Verbundlabor
Die Laboratorien für technische Chemie der Polymere verfügen über die apparative Ausstattung für die Herstellung, Verarbeitung, Analytik und Charakterisierung von Polymeren. Im Hinblick auf die Mikroplastikforschung ist das Labor für die Zwecke der Probenaufbereitung und der anschließenden Mikroplastikanalyse mit allen notwendigen Geräten ausgestattet. Allem voran wurde 2024 aus DFG-Mitteln eine TED-GC-MS der Fa. Gerstel beschafft. Dieses Gerät ermöglicht den Nachweis von Mikroplastikpartikeln in Umweltproben bis in den Bereich weniger Mikrogramm bis Nanogramm. Für umfangreiche Messkampagnen stehen in Labore zwei DSC der Fa. Netzsch zu Verfügung, welche ebenfalls für die Mikroplastikanalyse genutzt werden können. Dazu wird ein an der HTWD entwickeltes Verfahren angewandt. Als partikelzählende Methode verfügt das Labor über das IR-Mikroskop Nicolet iN10. Zur Herstellung von MP-Referenzmaterialien stehen einer Kryomühle und das an der Hochschule entwickelte Verfahren mittels Mikroextrusion zur Verfügung. Die für das Verfahren notwendigen Filamente können direkt an einer Extrusionsanlage hergestellt werden.
Im Wasserbaulabor werden Transportprozesse von Mikroplastikpartikeln in Fließrinnen unterschiedlicher Dimensionen untersucht. Das Auftreiben und Absinken im Wasser und das Eindringen von Partikeln mit und ohne Biofilmbewuchs in die Gewässersohle werden modelltechnisch erfasst. Der Mikroplastiktransport im Grundwasserleiter wird mittels Säulenversuchen und in einem Sickerwasserströmungsmodell untersucht. Versuche zur Entfernung von Mikroplastik bei der Wasseraufbereitung mittels Flockung, Flotation und Filtration laufen an einem Reihenrührwerk, einer Druckentspannungsflotationsanlage und Filtersäulen. Zum Nachweis von Nanoplastik in Wasserproben mit Hilfe der Flowcytometrie finden Messungen mit dem aus DFG-Mitteln beschafften Cytoflex der Fa. Beckman Coulter statt. Es soll eine Methode entwickelt werden zur polymerspezifischen Detektion durch Reaktion mit Fluoreszenzfarbstoffen. Zur Anreicherung von Nano- und Mikroplastik aus großen Wasservolumina soll eine Durchflusszentrifuge Avanti JXN-26 der Fa. Beckman eingesetzt werden, die ebenfalls 2024 mit DFG-Mitteln beschafft werden konnte. Zur Ermittlung von Störstoffen bei der Analytik von Mikroplastik und von Wechselwirkungen mit anderen Wasserinhaltsstoffen werden die Gesamtkohlenstoffkonzentrationen (TOC, DOC) mit einem TOC Analyzer Multi N/C 3100 der Fa. Analytic Jena und die Anionenkonzentrationen mit einem Ionenchromatographen Integrion der Fa. Dionex bestimmt. Die Bestimmung von Kationen erfolgt in Kooperation mit Prof. Feller, Anorganische Chemie, mittels ICP-OES.
In der Bodenkunde steht eine Bewertung der organischen Bodensubstanz (OBS) im Vordergrund. Ziel der Beteiligung am aktuellen Vorhaben ist eine sichere Unterscheidung und einfache, zuverlässige Bestimmbarkeit von Plastikrückständen ungeachtet der Tatsache, dass die Vielfalt an natürlichen Polymeren und deren Transformationsprozesse eine Unterscheidung von Plastik und OBS erschwert. Ansatzpunkte für eine Lösung bieten Erfahrungen zur Untersuchung natürlicher, vom Menschen wenig oder nicht beeinflusster Böden. Im Bodenkundelabor können Messungen der Bodenatmung (CO2-Abgabe) für den Nachweis von Plastikabbau und von Veränderungen in der Nährstofffreisetzung und des Kohlenstoffumsatzes durch Plastikeinträge mittels Respicond X durchgeführt werden. Zusätzlich steht eine C/N-Elementaranalytik zur Bestimmung von Bodeneigenschaften, insbesondere C- und N-Gehalten einschließlich Veränderungen durch Plastik zur Verfügung. Mittels einer pF-Apparatur können plastikinduzierte Veränderungen der bodenphysikalischen Kenngrößen (Wasserhaltefähigkeit, Totwassergehalt, Porosität etc.) gemessen werden. Mittels einer Thermowaage sind ein Nachweis von Plastik in Bodenproben und eine Erfassung von Veränderungen in Regelmechanismen des Stoffumsatzes in Kombination mit Messungen der Bodenatmung (Respicond) möglich.
Das Labor für chemische Analysen ist an den Bereich Umweltmonitoring und Landschaftsentwicklung angegliedert. Es bietet Kapazitäten für die Aufbereitung und die chemische Analyse von Pflanzenmaterial und Bodenproben. Hier können umfangreiche Mengen von Umweltproben getrocknet, gemahlen und dann weiter hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften untersucht werden. Für die Charakterisierung von Proben bezüglich ihres Nährstoffprofils und den Nachweis von toxischen Schwermetallen stehen eine leistungsfähige Aufschlussmikrowelle und ein ICP-OES zur Verfügung. Die genaue chemische Charakterisierung von Pflanzenmaterial wie Wurzeln, Spross, Blätter, Samen und Früchte sowie Streu im Verhältnis zu den Bodeneigenschaften erlaubt Rückschlüsse auf die genauen Mechanismen, wie sich Mikroplastik in Ökosystemen verhält, welche Verlagerungen stattfinden und auf die Frage, inwieweit Mikroplastik durch Organismen aufgenommen wird und dort Stoffwechselprozesse verändert.
Das Elektrostatik-Labor ist speziell auf die Untersuchung und Trennung von Mikroplastik-Sediment-Partikelgemischen ausgerichtet. Dafür kommen sowohl kommerzielle als auch selbst entwickelte Separationssysteme zum Einsatz, wie z.B. ein Korona-Walzen-Separator der Firma Hamos und ein Bandseparatorsystem mit elektrostatischer Auf- und Abladeeinheit (Eigenentwicklung), die für die spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Proben optimiert sind. Zur Regulierung der Probenfeuchte, als entscheidender Parameter für den Trennerfolg, können Proben in einem Vakuumtrockenschrank schonend getrocknet werden oder in einem Klimaschrank zur Feuchteregulierung von Memmert konditioniert werden. Somit werden Effizient und Reproduzierbarkeit des Trennprozesses gewährleistet. Die Laborluft über ein Filtersystem gereinigt, um eine möglichst kontaminationsfreie Arbeitsumgebung zu schaffen. Zur Bewertung des Trennerfolgs steht ein UV-Inspektionskabinett (Eigenentwicklung) zur Verfügung, mit dem fluoreszierendes Mikroplastik unter UV-Licht sichtbar gemacht und digital erfasst werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das Konfokal- und Interferenzmikroskop DCM8 von Leica hochauflösende Untersuchungen der abgetrennten Partikel und gibt detaillierte Einblicke in die Trennqualität.
Die Arbeitsgruppe „Additive Fertigung“ befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von Mikroplastikpartikeln im industriellen Maßstab. Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten sind die Auslegung, Konstruktion, Fertigung und Erprobung von Technologieträgern für die Generierung von Mikroplastikpartikeln. Dabei werden Fragestellungen der Herstellgenauigkeit und der Automatisierung von additiven Prozessen aufgegriffen und bearbeitet. Für FuE-Aufgaben stehen diverse additive Fertigungssysteme und Softwareprodukte zur Verfügung, die von kompetenten Mitarbeitern betreut werden. Das Labor für additive Fertigung verfügt über eine große Anzahl von Rapid Technologien, wie Laserstrahlsintern, Fused Layer Modeling (FLM) und Polymerdruckverfahren. Im Rapid Labor werden Mikroplastikstandards und Referenzmaterialien herstellt und die bestehende Technologie der Mikroextrusion weiterentwickelt. Es stehen mehrere 3D-Drucker zur Verfügung sowie speziell für die Herstellung der Referenzmaterialien angepasste Aufbauten. Zum derzeitigen Entwicklungsstand können Partikel aus den Kunststoffen PCL, PLA, LDPE und PA6 mit Abmessungen kleiner als einem Millimeter herstellt werden.
Weitere Infrastruktur
Neben den genannten Laboratorien kann über das Verbundlabor auch weitere Infrastruktur der Hochschule genutzt werden. Darunter das Gewächshaus und die Versuchs- und Demonstrationsfelder am Standort Pillnitz sowie das Raserelektronenmikroskop an der Fakultät Maschinenbau.
Projektübersicht
In der Nachwuchsforschergruppe SEMUWA - Sichere Entfernung von Mikroplastik bei der Uferfiltration und Trinkwasseraufbereitung in Sachsen - erwerben junge Forschende Qualifikationen in verschiedenen Fachbereichen der Mikroplastikforschung. In Sachsen werden rund 27% des Trinkwassers durch Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung gewonnen. Ziel des SEMUWA-Vorhabens ist die Untersuchung des Verhaltens von Mikroplastik bei der Wassergewinnung durch Uferfiltration an Flüssen in Sachsen und bei der weitergehenden Wasseraufbereitung in den Wasserwerken. Es wird der Rückhalt von Mikroplastik in der Flusssohle, im Grundwasserleiter und in Filtermaterialien und Filterrückspülschlämmen untersucht. Dafür werden die Methoden der Elektro-, Dichte- und Ölseparation weiterentwickelt und die an der HTWD entwickelte Methode zum Nachweis von Mikroplastik mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) optimiert. Für die Methodenvalidierung werden neuartige, fluoreszierende und abbaubare Mikroplastikstandards genutzt, die mittels Mikroextrusion hergestellt werden.
Im Rahmen des Projekts Mikroplastik-Standards soll ein Verfahren zur Herstellung von Standards und Referenzmaterialien für die Mikroplastikanalytik im industriellen Maßstab validiert werden. In vorangegangenen Forschungsarbeiten wurde ein Funktionsnachweis des zu validierenden Verfahrens erbracht. Das Prinzip des Verfahrens ist es, Mikroplastikpartikel (d<1000 μm) durch additive Fertigung herzustellen. In den Laboren der HTWD wurden bereits erfolgreich mehrere Tausend Mikroplastikpartikel aus den Kunststoffen Polymilchsäure (PLA), Polycaprolacton (PCL), Polyethylen (LDPE) und Polyamid (PA6) hergestellt. Es können gleichmäßig große (monodisperse) Partikel anzahlgenau produziert werden.
Das Projekt HERO bündelt wissenschaftliche Kompetenzen aus Deutschland, Ungarn und Rumänien im Bereich des Kunststoffabfallrecyclings und der Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen aus recyceltem Kunststoffabfall. HERO fördert die transnationale Zusammenarbeit zwischen Deutschland, Ungarn und Rumänien sowie den Innovationsprozess hinsichtlich energie- und kosteneffizienter Recyclingprozesse für gemischte Polyolefinabfälle und Altreifen. Somit wird ein Beitrag zur Reduzierung von Kunststoffabfällen und einer verbesserten Ressourcenproduktivität in der EU geleistet und gleichzeitig zur Etablierung einer Kreislaufwirtschaft beitragen.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung der werkstofflichen und bioelektronischen Grundlagen für Design und Herstellung sowie die Qualifikation der Funktion eines bioabbaubaren Dünnschicht-Sensorsystems zur gleichzeitigen Detektion von Dehnung, Feuchte und Temperatur für die Anwendung im Holzbau. In BioSens werden herkömmliche Elektronikkomponenten durch organisch-elektronische Pendants substituiert. Durch einen 3-dimensionalen Schichtaufbau des Sensormaterials können Dehnung (R), Feuchte (r. H.) und Temperaturveränderungen (T) so erfasst werden, dass Querabhängigkeiten der drei Größen mittels geeigneter Algorithmen herausgerechnet und damit einhergehende Fehlinterpretationen der Ergebnisse effektiv verhindert werden. Weiterhin werden durch eine flächige Ausführung der Sensorschichten Messwerte nicht punktuell, sondern integral über die Sensorfläche ermittelt, womit kleinräumigen, für ein Gesamtbauteil nicht repräsentativen Schwankungen begegnet werden kann.
Im Rahmen des Projektes BioMat soll die Entwicklung eines biobasiertes Grundwerkstoffes und dessen Verarbeitungsprozess durch die Partner HTW Dresden, Bergi-Plast, Otto Injection Molding und das Fraunhofer IWU vorangetrieben werden. So sind die Replikationsmöglichkeiten des biobasierten Werkstoffes zu entwickeln, die abformtechnischen Voraussetzungen untersucht werden und die werkzeugbauspezifischen Besonderheiten für den Einsatz dieser Materialen grundlegend betrachtet werden. Ein weiterer Untersuchungsansatz bezieht sich auf Applikation von Funktionsstrukturen (z.B. Dickschichtpasten) zur späteren sensorischen Signalerfassung sowie auf die Vermeidung zu großer Angussvolumina im Verhältnis zur eigentlichen Bauteilgröße. Weiterhin wird die Entwicklung eines Schnelltests zur Detektion einen Hepatitis D Infektion fokusiert. Für die zu erforschenden und entwickelnden biologischen Reagenzien der POCT werden Roboscreen und Fraunhofer IZI eng zusammenarbeiten und ihre Expertise bei der Erforschung und dem Design von immun-relevanten, Antigenen bzw. Strukturen zur effektiven Auslösung einer Immunantwort kombinieren.
Gegenstand des Forschungsvorhabens BioSub ist die Entwicklung innovativer Teststreifen zur Laktat-Leistungsdiagnostik. Dabei sind im Projektrahmen zwei Hauptziele umzusetzen: 1. Die Substitution von erdölbasierten Polymeren durch biobasierte und zugleich bioabbaubare Kunststoffe und 2. die Entwicklung einer neuen Generation von Teststreifen zur nicht-invasiven Messung des Laktatgehaltes im menschlichen Schweiß. Im Zuge der Substitution soll das sich zukünftig weiter verstärkende Müllproblem von Point-of-Care-Sensoren im Home-Monitoring proaktiv bekämpft werden. Die neuartigen Testsensoren bilden die Grundlage für weitere sensorische Anwendungen in diversen Bereichen, z. B. der Sportanalyse und dem Therapiebereich.
Das Projekt ist gekennzeichnet durch die Kombination und Bündelung unterschiedlichen technischen Know-hows und die Zusammenführung zu neuen innovativen Produkten. So gilt es, Fragen der Materialentwicklung, Fertigungstechnik, Sensortechnologie und Aufbau- und Verbindungstechnik durch die beteiligten Projektpartner zu untersuchen und so die Basis für weitere Entwicklungen im Feld der Bio-Kunststoffe und Sensorik zu schaffen.
Kontakt
Prof. Dr. rer. nat. habil. Arne Rüdiger Cierjacks
Chemische Analysen und Landschaftsentwicklung
- P1 022 / S 430A
- +49 351 462 3640
Prof. Dr.-Ing. Marc-Peter Schmidt
Geräteentwicklung elektrischer Systeme
- Z 435
- +49 351 462 2504
| Name |
Telefon (0351 462 - ) | Raum | Aufgabenbereich | |
|---|---|---|---|---|
| Efimova, Anastasia (Dr. rer. nat.) | 3757 | N 326 | ||
| Kurzweg, Lucas (M.Sc.) | 2451 | A 301 | Mikroplastik in der Umwelt | |
| Musche, Fabian (Dipl.-Ing. (FH)) | 2687 | U 239 | Wasserwesen | |
| Preuße, Stefan (Dipl.-Ing. (FH)) | 2654 | Z 325 | Bereich Produktionstechnik | |
| Schubert, Andrea (Dipl.-Ing. (FH)) | 3233 | P2 113 | Laboringenieurin Pillnitz | |
| Schumann, Rico (Dipl.-Ing. (FH)) | 3067 | Z 403B | ||
| Seidel, Pauline (M. Sc.) | 2835 | A 301 |