Den Hormonen im Trinkwasser auf der Spur

Karlsruhe (for) – Forscher des Karlsruher Instituts für Technik (KIT) haben ein chemisches Verfahren entwickelt, um Steroide mit Sonnenlicht aus dem Wasser zu eliminieren.

Roman Lyubimenko forscht am KIT zu Membrantechnologie und Mikrostrukturtechnologie. Foto: IAMT/KIT

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Roman Lyubimenko forscht am KIT zu Membrantechnologie und Mikrostrukturtechnologie. Foto: IAMT/KIT

Kaum ein anderes Lebensmittel unterliegt so strengen und regelmäßigen Kontrollen wie das deutsche Trinkwasser. Und dennoch spielt Wasserverschmutzung eine große Rolle. Vor allem Hormonrückstände lassen sich nur schwer oder gar nicht aus dem Wasser entfernen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben jetzt ein neues chemisches Verfahren zur Elimination von Hormonen entwickelt.

Hormone gelangen über den Urin ins Wasser

Egal ob Nahrung, Putzmittel oder Kosmetika – alles, was der Mensch im Alltag benutzt, landet früher oder später im Abwasser. Arzneimittel oder -abbauprodukte etwa gelangen nicht nur aufgrund falscher Entsorgung in die Gewässer, sondern in manchen Fällen auch über den Urin. Ein großes Problem dabei sind Hormone, die etwa über den Urin von Menschen ausgeschieden werden, die mit der „Antibabypille“ verhüten, erklärt Roman Lyubimenko, Forschender des Instituts for Advanced Membrane Technology (IAMT) und des Instituts für Mikrostrukturtechnologie (IMT) am KIT. Insbesondere Steroidhormone würden in den Antibabypillen in sehr hoher Konzentration verwendet und könnten im Körper nicht komplett abgebaut werden. „Über die Toilette gelangen sie dann in die Kläranlagen“, erklärt der Forscher.

Der zweite Weg, über den Hormone in das Trinkwasser gelangen, ist die Landwirtschaft, wie Lyubimenko hinzufügt. Insbesondere in Tierfarmen sei die Konzentration der Steroidhormone im Wasser sehr hoch, weil das Vieh aus wirtschaftlichen Gründen oft mit Hormonen behandelt wird – etwa um ein schnelleres Wachstum zu erzielen. „Und auch diese Hormone werden im Körper der Tiere nicht komplett metabolisiert, sondern teilweise ausgeschieden.“

Verweiblichung von Fröschen als Folge

Der große Anteil der Hormone würde in der Natur zwar abgebaut, sagt der Experte. Aber organische Schadstoffe – Arzneimittel, Pestizide und Hormone – kontaminieren das Trinkwasser bereits in einer Konzentration im Nanobereich so, dass erhebliche Risiken für Menschen, Tiere und Umwelt entstehen. Vor allem die Steroidhormone Estron, Estradiol, Progesteron und Testosteron könnten bei Menschen und Wildtieren den Hormonhaushalt beeinflussen und biologische Schäden verursachen, schreibt das KIT. „Das mit Hormonen verunreinigte Wasser führt etwa bei Fröschen oder Fischen zur Feminisierung“, nennt Lyubimenko ein Beispiel. „Und möglicherweise kann es sogar zur Unfruchtbarkeit beim Menschen führen.“ Das sei auch ein Grund, weshalb es in der Natur immer mehr weibliche Frösche gebe. „Es kann also gefährlich sein, wenn wir diese Stoffe frei in der Umwelt laufen lassen.“

„Mikroschadstoffe“ finden und entfernen

Deshalb musste ein Weg gefunden werden, diese geringen Mengen an „Mikroschadstoffen“ zu finden und gleichzeitig zu entfernen. Das Hauptproblem dabei: Steroidhormone sind im Wasser sehr schwer nachweisbar. So komme auf eine Trillion Wassermoleküle ein Hormonmolekül, also eine extrem niedrige Konzentration. Mit herkömmlichen Technologien der Wasseraufbereitung können Kläranlagen die Mikroschadstoffe weder finden noch beseitigen. Forschende des KIT arbeiten deswegen an neuen Methoden, mit deren Hilfe sie Mikroschadstoffe nicht nur aufspüren und messen, sondern auch entfernen können. Als erfolgversprechend erweist sich ein neues, photokatalytisches Verfahren.

Bei dieser Methode nutzen Wissenschaftler großporige Polymermembranen. „Mann kann sich eine solche Membran als eine Art modifizierten Sieb vorstellen“, erklärt Lyubimenko. Dieser Sieb – also die Membran – wird mit einem palladiumhaltigen, lichtempfindlichen Molekül namens Porphyrin beschichtet, das sichtbare Strahlen absorbieren kann. „Durch diese Beschichtung können Membranen Sonnenlicht für den chemischen Abbau von Schadstoffen nutzen“, fügt der Forscher an.

Im Detail funktioniert das folgendermaßen: Die Bestrahlung mit simuliertem Sonnenlicht setzt einen chemischen Prozess in Gang, bei dem sogenannter Singulett-Sauerstoff, eine hochreaktive Sauerstoff-Spezies, entsteht. Der Singulett-Sauerstoff „attackiert“ gezielt die Hormon-Moleküle und wandelt sie in potenziell sichere Oxidationsprodukte um. Diese sind weniger schädlich. „Entscheidend ist, dass wir die Oberfläche jeder einzelnen Pore mit dem Photosensibilisatormolekül beschichten und so die Angriffsfläche vergrößern“, erläutert Lyubimenko.

Der chemische Abbau von Steroidhormonen und die Filtration anderer Mikroverunreinigungen könnten dabei in einem Modul realisiert werden, schreibt das KIT in einem Bericht. „Das macht dieses Verfahren zu etwas Besonderem“, ist Lyubimenko überzeugt.

Prozess soll weiter optimiert werden

Es ermögliche die Filtration von 60 bis 600 Litern Wasser pro Quadratmeter Membran in einer Stunde. Die Konzentration von Estradiol, dem biologisch aktivsten Steroidhormon, können die Wissenschaftler dabei um 98 Prozent von 100 auf zwei Nanogramm pro Liter reduzieren. „Damit kommen wir dem EU-Zielwert von einem Nanogramm pro Liter schon sehr nahe“, betont Lyubimenko gegenüber dem BT. Das Ziel des Forschungsteams ist es jetzt, den photokatalytischen Prozess weiter zu optimieren und in einen größeren Maßstab zu übertragen. „Der Preis für das organische Porphyrin-Molekül, das wir für die Beschichtung benutzen, ist relativ hoch, aber wir suchen derzeit nach günstigeren und erneuerbaren Alternativen“, kündigt Lyubimenko an.

Der Wissenschaftler ist überzeugt, dass in Zukunft einige vorhandene Technologien zur Wasseraufbereitung entweder verbessert oder sogar ersetzt werden. „Dass unser photokatalytisches Verfahren schon in einem Jahr zum Einsatz kommt, ist zwar unwahrscheinlich, weil es sich dabei um eine ganz neue Technologie handelt. Aber in etwa zehn Jahren könnte ich mir durchaus vorstellen, dass diese Technologie in manchen Kläranlagen Anwendung findet“, blickt Lyubimenko in die Zukunft.

Photokatalytische Membranen kann man sich als eine Art Sieb vorstellen, das Hormone aus dem Trinkwasser filtert und eliminiert. Foto:IMT/IAMT/KIT

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Photokatalytische Membranen kann man sich als eine Art Sieb vorstellen, das Hormone aus dem Trinkwasser filtert und eliminiert. Foto:IMT/IAMT/KIT

Ihr Autor

BT-Redakteurin Janina Fortenbacher

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Erstellt:
25. September 2021, 06:00 Uhr
Lesedauer:
ca. 3min 32sec

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