Wasser mit intelligentem Rost und Magneten reinigen
Neue Methode für Schadstoffe wie Rohöl, Glyphosat, Mikroplastik und
Hormone
Wird Rost ins Wasser geschüttet, wird es normalerweise schmutziger.
Forscher/-innen der FAU haben spezielle Eisenoxid-Nanopartikel entwickelt,
die es tatsächlich sauberer machen, sozusagen „intelligenter Rost“. Dieser
Rost kann je nach Beschichtung der Partikel viele Stoffe anziehen,
darunter Öl, Nano- und Mikroplastik sowie das Herbizid Glyphosat. Und weil
die Nanopartikel magnetisch sind, können sie mit einem Magneten ganz
einfach zusammen mit den Schadstoffen aus dem Wasser entfernt werden.
Jetzt berichtet das Forschungsteam, dass sie die Partikel so verändert
haben, dass sie Östrogenhormone einfangen, die potenziell schädlich für
Wasserlebewesen sind.
Ihre Ergebnisse haben die Forscher auf der Herbsttagung der American
Chemical Society (ACS) vorgestellt, die rund 12.000 Präsentationen zu
einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Themen bietet.
„Unser intelligenter Rost ist billig, ungiftig und recycelbar“, sagt Prof.
Dr. Marcus Halik, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften
(Polymerwerkstoffe). „Und wir haben den Einsatz bei allen Arten von
Verunreinigungen nachgewiesen und das Potenzial dieser Technik für eine
drastische Verbesserung der Wasseraufbereitung aufgezeigt.“
Nanopartikel fangen Schadstoffe ein
Seit vielen Jahren erforscht Haliks Forschungsteam umweltfreundliche
Möglichkeiten, Schadstoffe aus Wasser zu entfernen. Als Grundmaterial
dienen Eisenoxid-Nanopartikel in superparamagnetischer Form: Das heißt,
sie werden von Magneten angezogen, nicht aber voneinander, so dass die
Partikel nicht verklumpen.
Um sie „intelligent“ zu machen, entwickelte das Team eine Technik, um
Phosphonsäuremoleküle an die nanometergroßen Kügelchen zu binden. „Nachdem
wir eine Schicht der Moleküle auf die Eisenoxidkerne aufgetragen haben,
sehen sie aus wie Haare, die aus der Oberfläche dieser Partikel
herausragen“, sagt Halik. Indem die Wissenschaftler/-innen dann ändern,
was an der anderen Seite der Phosphonsäuren gebunden ist, können sie die
Eigenschaften der Nanopartikeloberflächen so anpassen, dass sie
verschiedene Arten von Schadstoffen stark adsorbieren.
Frühe Versionen des intelligenten Rosts fingen Rohöl aus Wasser aus dem
Mittelmeer und Glyphosat aus Teichwasser ein, das die Forscherinnen und
Forscher in der Nähe der Universität sammelten. Darüber hinaus zeigte das
Team, dass der smarte Rost Nano- und Mikroplastik entfernen kann, das
Labor- und Flusswasserproben zugesetzt wird.
Nach Rohöl, Glyphosat und Mikroplastik nun Hormone
Bisher konzentrierte sich die Gruppe auf Schadstoffe, die meist in großen
Mengen vorhanden sind. Lukas Müller, ein Doktorand, der auf der Tagung
seine neuen Arbeiten vorstellte, wollte wissen, ob er die Rost-
Nanopartikel so modifizieren könnte, dass sie Spurenverunreinigungen wie
Hormone anziehen.
Wenn einige unserer körpereigenen Hormone ausgeschieden werden, werden sie
ins Abwasser gespült und gelangen schließlich in die Gewässer. Natürliche
und synthetische Östrogene sind eine solche Gruppe von Hormonen, und die
Hauptquellen dieser Schadstoffe sind Abfälle von Menschen und Nutztieren.
Die Mengen an Östrogenen seien in der Umwelt sehr gering, so Müller, daher
seien sie nur schwer zu entfernen. Doch selbst diese Konzentrationen
beeinflussen nachweislich den Stoffwechsel und die Fortpflanzung einiger
Pflanzen und Tiere, obwohl die Auswirkungen niedriger Konzentrationen
dieser Verbindungen auf den Menschen über lange Zeiträume noch nicht
vollständig erforscht ist.
Östrogene haften an Rostpartikeln an
„Ich habe mit dem häufigsten Östrogen Östradiol begonnen und dann vier
weitere Derivate mit ähnlichen Molekülstrukturen untersucht“, sagt Müller.
Östrogenmoleküle haben einen sperrigen Steroidkörper und Teile mit leicht
negativen Ladungen. Um beide Eigenschaften zu nutzen, beschichtete er
Eisenoxid-Nanopartikel mit zwei Gruppen von Verbindungen: einer langen und
einer positiv geladenen. Die beiden Moleküle organisierten sich auf der
Oberfläche der Nanopartikel, und die Forschungsgruppe geht davon aus, dass
sie zusammen viele Milliarden winziger Taschen bilden, die das Östradiol
ansaugen und an Ort und Stelle festhalten.
Da diese Taschen für das bloße Auge unsichtbar sind, hat Müller High-Tech-
Instrumente verwendet, um die Existenz dieser Östrogen-einschließenden
Taschen zu überprüfen. Vorläufige Ergebnisse zeigen eine effiziente
Extraktion der Hormone aus Laborproben, aber die Forschenden müssen
zusätzliche Experimente abwarten, um die Taschenhypothese zu überprüfen.
„Wir versuchen anhand verschiedener Puzzleteile zu verstehen, wie sich die
Moleküle tatsächlich auf der Oberfläche der Nanopartikel anordnen“,
erklärt Müller.
