Seit 2012 erforscht das Team rund um Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen einen neuen Ansatz zur Entfernung von anthropogenen Stressoren aus dem Wasser. Neben dem Entfernen von Medikamenten und Medikamentenrückständen (sog. reaktiven organisch-chemischen Stressoren) beschäftigen sich die Wissenschaftler seit 2015 auch intensiv mit der Eliminierung von sogenannten inerten organisch-chemischen Stressoren. Hierbei handelt es sich um Verbindungen, die aufgrund langer Abbauzeiten sehr lange im Ökosystem verweilen und dieses schädigen. Vertreter dieser Gruppe sind Kunststoffpartikel, die auch unter dem Begriff Nano-oder Mikroplastik bekannt sind.
„Polymere und deren Produkte regieren die Welt“
Die Produktionsmengen in der Kunststoffindustrie sind von 1,5 Millionen Tonnen Polymere im Jahr 1950 auf 322 Millionen Tonnen im Jahr 2015 stetig angestiegen an und der Trend geht immer weiter aufwärts. Der Großteil des Kunststoffes wurde im Jahr 2015 zu Verpackungen verarbeitet – in Deutschland sind es 35 Prozent der Gesamtproduktion. Doch auch in der Bauindustrie wird, mit einem Anteil von 24 Prozent, viel „Plastik“ benötigt. Der restliche Polymerbedarf verteilt sich auf Elektronik, Möbel, Haushaltswaren, Landwirtschaft, die Medizin und vieles mehr. Im Jahr 2012 fielen Europaweit 25,2 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle an – davon wurden 9,6 deponiert und 15,6 Millionen Tonnen zurückgewonnen. Circa 42 Prozent dieser rückgewonnenen Abfälle wurden recycelt und circa 57 Prozent zur Energierückgewinnung verbrannt. Aber dies ist nur der direkt sichtbare „Plastik-Müll“, der im Recyclingprozess bedacht wird. Was ist mit den unreaktiven (inerten) organisch-chemischen Verbindungen und deren Abbauprodukten, wenn diese in das Ökosystem gelangen?
Nano- und Mikroplastik sind ein globales Problem
Als primäres Mikroplastik bezeichnet man Plastikpartikel, die bereits bei ihrer Freisetzung in die Umwelt kleiner als 5 mm sind. Werden diese weiter abgebaut, so können Nanopartikel entstehen. Der Name Nano bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt, wobei dies einem Milliardstel Meter (10-9 m) entspricht.
Ein Teil der primären Mikroplastik-Fracht stammt von Produkten der Kosmetikindustrie wie z.B. Zahncreme oder Peeling. Ein weiterer Teil gelangt durch den haushaltsüblichen Waschprozess ins Wasser. Beim Waschen werden durch die mechanische Beanspruchung der Wäsche Fasern und Partikel freigesetzt, die ins Abwasser gelangen. In der Kläranlage angekommen, wird das Abwasser standardisiert in drei Stufen gereinigt. Für viele Stoffe bedeutet dies Endstation, für organisch-chemische Verbindungen (Medikamente und deren Abbauprodukte) oder auch Nano-und Mikroplastik findet eine Reduktion nur bedingt oder teilweise auch gar nicht statt.
Die Folge ist, dass pro Tag Kläranlagen zwischen 10 und 60 Gramm Mikrofasern in die Gewässer entlassen. Weil die Tiere (u.a. Fische) nicht zwischen Futter und Kunststoff unterscheiden können, gelangen über die Nahrungskette diese kleinen Partikel zu einem späteren Zeitpunkt bei uns auf dem Tisch. Es besteht Zeit zu Handeln.
Wie lassen sich diese Einträge in die Umwelt reduzieren?
Das erste effiziente Verfahren zur Entfernung von Nano- und Mikroplastik aus Abwässern wurde von der AG Organische und Ökologische Chemie der Universität Koblenz-Landau in einem Pilotversuch in der Kläranlage der EW Landau nun erfolgreich getestet. Wie bereits für die Entfernung der reaktiven organischen Stressoren bedient sich das Team Wasser 3.0 rund um Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen anorganisch-organischen Hybridkieselgelen.
Zusammen mit der Firma abcr GmbH in Karlsruhe und der Zahnen Technik GmbH in Arzfeld arbeitet das Forscher- und Entwicklerteam aus Synthesechemikern, Umweltwissenschaftlern und Abwassertechnikern an adaptierbaren Systemen, die in einer Wasser-induzierten Reaktion Schadstoffe binden und aufgrund des resultierenden Partikelwachstums die Gesamtheit unerwünschter Partikel einfach abtrennbar machen. Und dies mit Erfolg, wie die ersten Versuche im großtechnischen Maßstab zeigen.
Wie wirkt Wasser 3.0 und was leistet es?
Das Hybridmaterial lässt sich funktionalisieren und mit bestimmten Fähigkeiten ausstatten.
Hinter StressFix steht eine innovative Fixierungsmethode, die unter anderem nach der 3. Reinigungsstufe von Kläranlagen zum Einsatz kommt, um variable Stressoren und deren Abbauprodukte sicher aus dem Wasser zu entfernen.
Die Methode und deren Weiterentwicklung StressFix2 beruhen auf einem ausgefeilten und passgenauen Hybridkieselgeldesign. Dieses auch als Funktionsdesign bezeichnete Konzept ermöglicht die Eliminierung einer Vielzahl unerwünschter Stoffe aus dem Abwasser – seien es Rückstände von Pharmazeutika (u.a. Antibiotika, Hormone), Pestizide, Schwermetalle (u.a. Cadmium, Quecksilber) oder Mikroplastik – und dies unabhängig von der Art und der Menge. Hybridkieselgele können auf Basis ihrer porösen Oberfläche große Spurenstoffmengen aufnehmen, chemisch umwandeln und fest fixieren – unabhängig von unterschiedlichen pH-Wert-Einflüssen.
Die dabei entstehenden Verbindungen lassen sich über Recyclingkonzepte weiterverwerten – die Ökobilanz ist positiv und es entstehen keine neuen toxischen Substanzen.