Autor: Anika Peucker

Medikamentenrückstände in unserem Wasser: Lassen sie sich beseitigen?

31. März 2017

Fit und agil bis ins hohe Alter. Wir alle träumen davon. Doch je älter die Menschen werden, desto wahrscheinlicher steigt ihr Bedarf an Arzneimitteln. Aber nicht nur das Alter auch die Zunahme psychischer und psychosomatischer Erkrankungen oder die Einnahme von Hormonen lassen den Bedarf an Pharmapräparaten steigen. Und nehmen wir unseren Lebensstil: Der Einsatz von Antibiotika in der Massentierhaltung zur Fleischmast tut das Seine.

Im Körper nicht verstoffwechselte, meist langzeitstabile Arzneimittelrückstände gelangen so über Ausscheidung und Abwasser in Oberflächenwässer, Grundwasser, manchmal sogar ins Trinkwasser. Wissenschaftler gehen derzeit noch davon aus, dass die Mengen, die überwiegend im Nanogramm-bereich liegen, für den menschlichen Organismus unbedenklich sind. Doch sicher wissen wir es nicht. Noch fehlen Studien. Bei Pflanzen und Tieren hingegen berichten Forscher schon seit einiger Zeit von Veränderungen und Schäden durch Mikroschadstoffe, gemeint sind Spuren von Pharmaka, kosmetischen Inhaltsstoffen und Pestiziden. Somit haben wir heute bereits ein hausgemachtes Problem. Nur welche Konsequenzen ziehen wir daraus?  

 

Die Pflicht jedes Einzelnen

Sicherlich müssen bei jedem Glied der Prozesskette nachhaltige Veränderungen erfolgen. Pharmaunternehmen, Ärzte, die industrielle Landwirtschaft, Kläranlagenbetreiber, aber auch jeder einzelne von uns sind gleichermaßen gefordert. Verbesserte Nachweisverfahren, die sachgerechte Entsorgung abgelaufener Arzneimittel – die Toilette ist es nicht – leisten neben dem Kauf kleiner Packungsgrößen und dem zielgerichteten Medikamentenkonsum einen wesentlichen Beitrag Spurenstoffe in Abwässern zu reduzieren.

 

Der aufwändige Nachweis anthropogener Spurenstoffe

Fehlende Belege, inwieweit und in welcher Konzentration Mikroschadstoffe gefährlich für den Menschen sind, liegen nicht zuletzt daran, dass sich die Spurenstoffe nur sehr aufwändig nachweisen lassen. Die noch geringen Mengen und zulässigen niedrigen Grenzwerte verlangen außerdem sehr empfindliche Sensoren. So führen Kontrolleure bisher lediglich Stichproben durch.

Das soll sich künftig ändern. Wir arbeiten gerade an einer Vor-Ort-Analytik, die direkt bei der Wasseraufbereitung die Schadstoffkonzentration misst. Ein erster Prototyp, eine robuste optische, miniaturisierte Sensorplattform, existiert bereits. Sie basiert auf einer innovativen Weiterentwicklung der Oberflächenplasmon-Resonanz-Spektroskopie. An der nanostrukturierten metallischen Sensoroberfläche binden die Spurenstoffe, wodurch die Wasser-aufbereitung zielgenau, das heißt abhängig von den vorhandenen Stoffen, gesteuert werden kann. Dadurch wird der Reinigungsprozess sicherer, effizienter und kostengünstiger. Den Prototyp entwickeln unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt gerade weiter.

Sensoreinheit zur Detektion von Schad- und Spurenstoffe im Wasser.
© Fraunhofer IKTS
Sensoreinheit zur Detektion von Schad- und Spurenstoffe im Wasser.
Poröse-keramische Trägerrohre unterschiedlicher Geometrien.
© Fraunhofer IKTS
Poröse-keramische Trägerrohre unterschiedlicher Geometrien.
Illuminierter keramischer Schaum für Photokatalyse.
© Fraunhofer IKTS
Illuminierter keramischer Schaum für Photokatalyse.

Keramische Filter für sauberes Wasser

In der Abwasseraufbereitung werden seit jeher verschiedene Filterverfahren eingesetzt. Das Problem ist: Viele Spurenstoffe können mit gängigen Filtern und trotz eingesetzter Chemie meist nur unzureichend eliminiert werden. Wir suchten deshalb nach einer chemikalienfreien Lösung dieses Problems und fanden sie in zwei verschiedenen Filtermethoden – in Form der Membranadsorption sowie der photokatalytischen Aufbereitung, einem AOP-Verfahren (Advanced Oxidation Process).

Bei der Membranadsoption werden Keramikmembrane mit Aktivkohle infiltriert und die Adsorbermembran anders als sonst bei der Wasseraufbereitung thermisch regeneriert. Möglich macht dies ein speziell entwickeltes Filtersystem. Es besteht u.a. aus zwei ca. 25 cm langen Aktivkohle infiltrierten Keramikmembranen sowie einem Dampferzeuger. Das Abwasser wird über eine Membran gefiltert. Ist sie vollständig mit Mikroschadstoffen beladen, wird das Schmutzwasser über die zweite Membran geschleust. Während die Wasseraufbereitung über diese zweite weiter läuft, reinigt heißer Dampf die erste verschmutzte Membran. Der Heißdampf löst die Spurenstoffe aus der Aktivkohle. Sie werden flüssig, aufgefangen und kontrolliert entsorgt. Übrig bleibt eine wiederverwertbare, quasi neue Adsorbermembran und sauberes, von Spurenstoffen freies Wasser.

Das System kann jedoch noch mehr. Es kann Nutzwasser zusätzlich desinfizieren. Escherichia coli-Bakterien, ein Darmbakterium, oder andere organische Verunreinigungen haben dann, wie unsere Versuche belegen, keine Überlebenschance.

Schadstoffe binden und simultan desinfizieren, kann ebenso die entwickelte photokatalytische Methode. Dabei werden offenporige Keramikschäume mit einem Katalysator aus Titanoxid (TiO2) beschichtet. Man taucht die zelluläre Keramik in die TiO2-Suspension. Das Tauchen benetzt die Keramik allseitig. In Verbindung mit UV-Licht machen die so beschichteten Schäume die persistenten Mikroschadstoffe etwa von Diclofenac, einem Schmerz- und Entzündungshemmer, unschädlich. Vergleicht man die weiterentwickelte Methode mit anderen AOP-Verfahren, baut sie bei niedrigem Energieeintrag die Problemschadstoffe vollständig ab.

REM-Aufnahme einer keramischen Nanofiltrationsmembran.
© Fraunhofer IKTS
REM-Aufnahme einer keramischen Nanofiltrationsmembran.
Funktionalisierte zelluläre Keramik zur Abwasserbehandlung.
© Fraunhofer IKTS
Funktionalisierte zelluläre Keramik zur Abwasserbehandlung.
Zelluläre Keramik unter UV-CBestrahlung im Versuchsreaktor.
© Fraunhofer IKTS
Zelluläre Keramik unter UV-CBestrahlung im Versuchsreaktor.

Wasser unbeschwerter genießen  

Optische, miniaturisierte Sensorik und keramische Wasseraufbereitungssysteme bieten das Potenzial bei kontinuierlicher Forschung, den Mikroschad-stoffen in unserem Wasser Herr zu werden. Eingesetzt in Kläranlagen, in Abwassersystemen von Klinken aber auch als letzte Behandlungsstufe im Trinkwasserwerk oder als Kleinanlage direkt beim Endverbraucher lassen sie uns unser Wasser künftig unbeschwerter genießen.

 

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