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16.07.08 Bakterien helfen, Nanopartikel in Lösung zu halten
Nanopartikel im Abwasser
Unfreiwillige bakterielle Helfer
In einer klassischen Kläranlage sollten Nanopartikel eigentlich im Schlamm gebunden werden und im Abwasser kein grösseres Problem darstellen. Dem ist jedoch nicht so, wie eine neue Studie über das keramische Modellmaterial Ceriumdioxid zeigt. Eine erstaunliche Menge konnte eine Experimentierkläranlage verlassen und könnte so eventuell in Gewässer gelangen.
Peter Rüegg (ETHZ)
Abb. 1: Eine Kläranlage besteht aus einer physikalischen
Vorklärung (A), der biologischen Klärung durch Bakterien (B) und einer
chemischen Klärung (C). In dieser Studie wurde in einer skalierbaren Pilotanlage
(6 Liter) das Verhalten der Nanopartikel in der biologischen Klärung untersucht.
Oben rechts: EM-Abbildung von Ceriumoxid-Nanopartikeln (weisse Punkte) im
Klärschlamm. Relativ kleine Agglomerate binden an Bakterien.
Quelle: ETHZ
Zum Schleifen von Computerbauteilen und Linsen in Handy-Kameras oder den Lasern von CD-Spielern braucht die Industrie in grossen Mengen Ceriumdioxid (CeO2). Weltweit werden Tausende von Tonnen von diesem Stoff eingesetzt. Doch was passiert, wenn dieser oder andere Nano-Stoffe in die Umwelt, insbesondere ins Abwasser und damit in die Kläranlagen gelangen? Ist das Problem erledigt, weil die Nanopartikel weitgehend agglomerieren, also verklumpen?
Teilchen überleben ungebunden
Keineswegs, sagt eine neue Studie aus der Forschungsgruppe von Wendelin Stark, Assistenzprofessor am Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften, die eben in der führenden Fachzeitschrift "Environmental Science and Technology" erschienen ist. Die meisten Ceriumdioxid-Teilchen binden sich tatsächlich an die Oberfläche der Bakterien des Klärschlamms und können so aus dem Wasser entfernt werden. Allerdings können massiv mehr Partikel als angenommen durch die biologische Trennstufe durchtreten. "Wir gingen intuitiv davon aus, dass die Ceriumoxid-Partikel praktisch zu 100 Prozent im Klärschlamm stecken bleiben würden. Schliesslich sollten die Partikel verklumpen und zu Boden sinken", sagt Stark. Bei Start des Projektes hätten sie daher gedacht, dass alle Partikel einfach ausgefällt werden könnten.
Mit zahlreichen Experimenten in einer Testkläranlage fanden die Wissenschaftler jedoch heraus, dass bis zu sechs Gewichtsprozente der Teilchen in den Ausfluss der Kläranlage gelangten. Da die Experimente bei relativ hohen Nanopartikel-Konzentrationen (100 ppm) durchgeführt wurden, vermuten die Forscher, dass bei tieferen Konzentrationen die Agglomeration, also das Verklumpen, eher noch mehr gehindert wird. Oxid-Nanopartikel, die ins Abwasser gelangen, dürften deshalb nicht als unproblematisch betrachtet werden. Denn welche Wege die Teilchen nach der Kläranlage einschlagen, ist bisher kaum erforscht.
Bakterien helfen Nanoteilchen
Die Forscher der ETH Zürich, der Fachhochschule Wädenswil sowie der Firma BMG Engineering AG starteten darauf eine Serie von Experimenten um herauszufinden, wie die oxidischen Nanoteilchen die Kläranlage fast ungehindert passieren. Auch hier erlebten die Forscher eine Überraschung. „Die Teilchen verklumpen nicht wie angenommen restlos, sondern dispersieren erstaunlich gut“, betont Stark. Für diese Dispersion sind die Bakterien, die im Belebtschlamm leben, unfreiwillig mitverantwortlich. Sie scheiden seifenartige Stoffe aus, damit sie selbst untereinander keine Klumpen bilden. Diese Antiklumpmittel und andere Komponenten des Abwassers stabilisieren jedoch auch die Nanopartikel. Ein Teil des Materials wird daher nur ungenügend agglomeriert und kann die Kläranlage praktisch unverändert verlassen.
Für Wendelin Stark ist diese Forschungsarbeit ein Glücksfall, der für alle Beteiligten einen grossen Gewinn gebracht hat. Entstanden ist die Arbeit auf Initiative von Mitautor Robert Bereiter, Mitarbeiter an der FH Wädenswil und René Gälli von BMG Engineering. In der firmeneigenen Testkläranlage konnten die Forscher die Versuche unter realen Bedingungen und nach Normen der OECD durchführen. Der Klärschlamm für die Versuche stammte aus dem Belebtschlammbecken der Anlage Werdhölzli, der grössten Kläranlage Zürichs.
Mit dem Klärschlamm entsorgt
Elisabeth Müller und Roger Wepf vom Elektronenmikroskopiezentrum (EMEZ) der ETH Zürich erstellten vom Klärschlamm mit Nanopartikeln Elektronenmikroskopie-Bilder, welche eindrücklich zeigen, dass die Nanopartikel an der Oberfläche der Bakterien angehäuft werden. Ein Grossteil der Nanoteilchen bleibt damit im Klärschlamm zurück. Dieser wird in der Schweiz verbrannt, in anderen Ländern wird er jedoch noch immer als Dünger verwendet.
Ceriumdioxid ist für solche Studien eine beliebte Modellverbindung und wird auch in rasch steigenden Mengen industriell genutzt. Titaniumoxid, ein Weisspigment und Inhaltsstoff vieler Sonnencrèmes, verhält sich ähnlich wie Ceriumdioxid und wird bereits in riesigen Mengen verwendet. Beide Substanzen werden unter den experimentellen Bedingungen wie in einer Kläranlage ähnlich stabilisiert. Andere, lösliche Nanopartikel wie etwa Eisenoxid, werden deutlich weniger stabilisiert. Sie lassen sich deshalb auch leichter aus der Umwelt entfernen. "Wir stehen aber noch am Start der ökologischen Nano-Sicherheitsforschung", sagt Wendelin Stark, "weitere Untersuchungen müssen folgen."
Quelle:
Removal of Oxide Nanoparticles in a Model Wastewater Treatment Plant: Influence of Agglomeration and Surfactants on Clearing Efficiency
L. K. Limbach, et. al., Environ. Sci. Technol. 2008. DOI: 10.1021/es800091f
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Bakterien helfen, Nanopartikel in Lösung zu
halten
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2008jul/nanopartikel.shtm)
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