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Mit Tetraedern zum Ziel

Werden zwei unterschiedliche Sorten von (Halb-)Metallatomen einer Haupt- und einer Nebengruppen (E, M) mit Nichtmetallatomen oder weiteren (Halb-)Metallatomen der Hauptgruppenelemente (E") zu komplexen Anionen des Typs [MxEyE'z]q— verknüpft, so entstehen multinäre Metallate oder Metallide. Die sy...

Anfang der 1990er Jahre wurde in Berliner Trinkwasserquellen ein Medikament zur Senkung erhöhter Blutfettwerte gefunden — die Clofibrinsäure. Seither berichteten zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen von der Verbreitung bedenklicher Substanzen in nahezu allen Oberflächengewässern Deutschlands, im Grundwasser und vereinzelt sogar im Trinkwasser. Dieser Befund gilt nicht nur für Deutschland, sondern auch für andere Länder rund um den Globus. Mehr als 100 Substanzen, welche die Tier- und Pflanzenwelt verändern oder schädigen können, wurden inzwischen nachgewiesen.1


<h2>Materialwissenschaft mit Poren</h2>
Wie lassen sich organische Spurenstoffe aus dem Abwasser möglichst vollständig entfernen? Ein Ansatz sind poröse Stoffe — Stoffe mit einem großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis.
Ein Beispiel für eine technisch hergestellte Materialklasse, die sich durch sehr große Oberflächen und geordnete Porensysteme auszeichnet, sind die strukturierten mesoporösen Kieselgele (Silicas).2 Mit ihnen begab sich die Forschung Anfang der 1990er Jahre auf neues Terrain: Sie unterschritt die bis dahin auf zirka 15 Ångström beschränkte Porenweite zeolithischer Molekularsiebe. Mesoporöse Kieselgele besitzen nicht nur sehr große Oberflächen, geordnete Porensysteme und scharfe Porenradienverteilungen, sondern haben auch Porendurchmesser von zirka zwei bis zehn Nanometer. Zudem weisen sie röntgenamorphe Porenwände auf. Zu den bekanntesten Vertretern dieser Materialklasse zählen die Silica-Festkörper MCM-41 (mit hexagonaler Anordnung der Mesoporen), MCM-48 (mit kubischer Anordnung) und MCM-50 (mit lamellarer Anordnung).
Die Eigenschaften von organischen und anorganischen Bausteinen innerhalb eines Materials zu vereinen, ist aus Sicht der Materialwissenschaftler äußerst reizvoll.3 So lassen sich die zahllosen Variationsmöglichkeiten der organischen Chemie mit den Vorteilen eines thermisch stabilen und robusten Substrats kombinieren, das selbst funktionell stark eingeschränkt ist. Prinzipiell entstehen aus dieser Symbiose Materialien oder Werkstoffe, die sich in ihren Eigenschaften zum Teil erheblich von denen ihrer einzelnen, isolierten Komponenten unterscheiden und neue Merkmale aufweisen.
Die Polarität der Porenoberfläche einzustellen oder funktionelle Gruppen zu schaffen, die als Dockingstationen für organische und anorganische Verbindungen dienen, erweitert das Einsatzspektrum dieser Materialien erheblich. Hier spielt die Modifizierung mit organischen Funktionen wie C-C-Mehrfachbindungen, Alkoholen, Thiolen, Sulfon- und Carbonsäuren oder Aminen eine herausragende Rolle. Organisch-chemische oder biochemische Umsetzungen lassen sich ortsgebunden an einer festen, stabilen, anorganischen Matrix durchführen. Durch die Modifizierung der Oberfläche sind die Grenzflächeneigenschaften an die Anwendung anpassbar, während die mechanischen Eigenschaften des Basispolymers erhalten bleiben.


<h2>Die Zukunft des sauberen Wassers?</h2>
“Trinkwasser ist Wasser für den menschlichen Bedarf. Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel, es kann nicht ersetzt werden.” So lautet der Eingangs- und Leitsatz der DIN 2000 “Trinkwasserverordnung”.
Die Trinkwasserverordnung stellt einige Ansprüche an die Beschaffenheit und Qualität des Wassers. Dazu gehört, dass es frei von Krankheitserregern, geschmacklich neutral und kühl, farb- und geruchlos, nicht gesundheitsschädigend sein soll und einen bestimmten Gehalt an gelösten mineralischen Stoffen aufweisen muss. Trotz dieser in der Trinkwasserverordnung beschriebenen Ansprüche kann es im (Trink-)Wasserkreislauf stets zur Eintragung von schädlichen Substanzen kommen. Humanpharmazeutika gelangen in der Regel über Ausscheidungen oder durch die unsachgemäße Entsorgung über die Toilette ins Abwassersystem.
Bei der Entwicklung von Arzneimitteln wird großer Wert auf eine lange Haltbarkeit gelegt. Dies stellt sicher, dass das Medikament nicht bereits abgebaut ist, bevor es seine Wirkung entfalten soll. Beispielsweise sind viele Pharmazeutika so konstruiert, dass sie die Magensäure unbeschadet passieren und erst im Darm ihren Wirkstoff freigeben. Als Folge davon wird ein Großteil des Medikaments sogar unverändert wieder ausgeschieden.
Bei Diclofenac zum Beispiel verlassen 70 Prozent der eingenommenen Substanz den Körper unverändert. Zirka 90 Tonnen des Wirkstoffs werden im Jahr in Deutschland verbraucht; schätzungsweise 63 Tonnen Diclofenac gelangen also über den Urin in den Wasserkreislauf.
Kläranlagen sind zum größten Teil nicht in der Lage, Wirkstoffe im Abwasser herauszufiltern. Trinkwasseraufbereitungsanlagen stehen vor dem gleichen Problem. Zusätzliche Reinigung, etwa durch Nanofiltration, Ozonierung oder durch Aktivkohle, kann zwar die Medikamente aus dem Wasser entfernen, führt aber ihrerseits zu problematischen Abfällen oder Abfallprodukten oder ist sehr teuer.
Während für anorganische Verbindungen bisher Reinigungs- und Immobilisationsverfahren erforscht und genutzt werden, fehlen diese überwiegend bei organischen Stressoren. Die meisten anorganischen Verbindungen sind hoch mobil und durch Redoxreaktionen in unschädliche Verbindungen überführbar. Die Eliminationsrate durch Abbau und Sorption ist bei organischen Verbindungen wie Arzneistoffen sehr unterschiedlich, speziell im Abwasser bei der mechanisch-biologischen Abwasserbehandlung.4 Bestimmte Arzneimittel werden zurzeit nicht oder nur teilweise zurückgehalten (Tabelle, S. 762).
Arzneistoffe können direkt an organische Gehalte des Klärschlamms gebunden oder im Porenwasser des Klärschlamms gelöst auf landwirtschaftliche Flächen gelangen. Genaue Stoffbilanzen, zu welchen Anteilen die in deutschen Kläranlagen nicht abgebauten Arzneistoffe im gereinigten Abwasser verbleiben oder in den Klärschlamm übergehen, liegen nur vereinzelt vor.5 Allerdings gibt es Untersuchungen, welche die Adsorption zum Beispiel von Sulfonamiden, Antibiotika und Antimykotika an Klärschlamm zeigen.6 Viele andere pharmazeutische Wirkstoffe adsorbierten nur sehr schwach an Klärschlamm. Untersuchungen deuten darauf hin, dass in der direkten Nähe zu Klärwerksabläufen, wo punktuell hohe Konzentrationen in die Umwelt gelangen, die Folgen für Wasserorganismen negativ sind.7 Prominentes Beispiel dafür ist der Wirkstoff 17-α-Ethinyl-Estradiol, ein synthetisches Hormon, das in der Umwelt in Konzentrationen im unteren Nanogramm-Bereich gefunden wird.8


<h2>Chemische Abwasserreinigung</h2>
Auf Basis einer einfachen Kondensationsreaktion stellt unsere Arbeitsgruppe molekulare organisierte Formkörper her, die selbst in überwiegend wässrigen Umgebungen organische Spurenstoffe kovalent binden. Generell eignen sich diese organisch-anorganischen Hybridkieselgele aufgrund ihrer Porosität und großen Oberfläche als Filter und sind darüber hinaus thermisch stabil und robust. Die Eigenschaften der organischen und anorganischen Bestandteile lassen sich zudem kombinieren. So ergeben sich Materialien, deren Eigenschaften sich erheblich von den Eigenschaften der Einzelkomponenten unterscheiden. Über die funktionellen Gruppen bei den organischen Substituenten der Alkyltriethoxysilane lassen sich zusätzliche Andockstellen für organische Verbindungen schaffen.
Den größten Einfluss auf die Eigenschaften haben die experimentellen Bedingungen: Schon geringe Variationen der Verhältnisse der Edukte zueinander, des pH-Werts oder der eingesetzten Menge an Wasser und der Konzentration des Sol-Gel-Prozess-Initiators wirken sich stark auf die Struktur des Produkts aus. Hinzu kommen Faktoren wie Druck, Temperatur oder Ultraschallbehandlung, die ebenfalls die spezifische Oberfläche, Größe und Verteilung der Poren bewirken. Diese synthesespezifischen Details sind jedoch für den Einsatz in der Kläranlage als kovalenter Andockpartner für Pharmazeutika irrelevant, da das Hybridkieselgel nicht als Flockungsmittel eingesetzt wird, sondern als Reaktionspartner. Hier zählt nur das Aufnahmevermögen an organischem Stressor, die Reaktionsfähigkeit im wässrigen Medium und die Eliminierung der (öko-)toxischen Eigenschaften, der sich im Wasser befindlichen Pharmazeutika. Das Hauptaugenmerk liegt in der Unschädlichkeitsreaktion der organischen Stressoren. Nebenreaktionen wie die Chelatisierung von anorganischen Mineralien oder die Reaktion weiterer sich im Wasser befindlicher Stoffe neben den Pharmazeutika sind erwünscht und beeinträchtigen die Reaktionsweise gegenüber den Probanden nicht.
Derzeit laufen die ersten Pilottests in größeren Skalierungen, bei denen unter anderem Einzelsubstanzen wie auch Medikamentencocktails mit den Hybridkieselgelen in Kontakt gebracht werden. Eine Herausforderung bleibt: Die im Labor erfolgreichen Versuche mit Einzelsubstanzen nun auf Medikamentencocktails zu übertragen.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Anorganisch-organische Hybridkieselgele eignen sich für die Abwasseraufbereitung.
Ziel ist, dass Hybridkieselgele nicht nur Einzelsubstanzen sondern auch Medikamentencocktails aus dem Trinkwasser filtern.


Katrin Schuhen ist Juniorprofessorin an der Universität Koblenz-Landau und leitet dort seit Mai 2012 die Arbeitsgruppe für “Organische und Ökologische Chemie”. Zuvor arbeitete sie als Laborleiterin bei Lyondellbasell in Frankfurt und Aesculap in Tuttlingen. Promoviert wurde sie im Jahr 2007 an der Universität Heidelberg zum Thema Synthese und Anwendung von Olefinpolymerisationskatalysatoren und Trägermaterialien. Ihre Arbeitsgruppe befasst sich unter anderem mit der Synthese und Charakterisierung von strukturierten anorganisch-organischen Hybridmaterialien und deren Anwendung in der Abwassersanierung als Absorber für organische Stressoren. Ihr hier vorgestelltes Projekt wurde im letzten Jahr für den “Zukunftspreis Pfalz” nominiert. <a href="mailto:schuhen@uni-landau.de">schuhen@uni-landau.de</a>



<ul>
<li>
1 

 
R. Länge, 
T. H. Hutchinson, 
C. P. Croudace, 
F. Siegmund, 
H. Schweinfurth, 
P. Hampe, 
G. H. Panter, 
J. P. Sumpters, 
<source>Env. Tox. Chem. 
(2001), 
20, 
1216–<lpage>1227.</lpage>
</li>
<li>
2 

 
C. T. Kresge, 
M. E. Leonowicz, 
W. J. Roth, 
J. C. Vartuli, 
J. S. Beck, 
<source>Nature 
(1992), 
359, 
710–<lpage>712.</lpage>
</li>
<li>
3 

 
J. J. Moreau, 
B. P. Pichon, 
M. Wong Chi Man, 
C. Bied, 
H. Pritzkow, 
J.-l. Bantignies, 
P. Dieudonné, 
J.-L. Sauvajol, 
<source>Angew. Chem. 
(2004), 
116, 
205.
</li>
<li>
4 

Universität Stuttgart, Institut f. Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, Abschlussbericht 2003, Pharmaka und Hormone in der aquatischen Umwelt, Förderkennzeichen UVM ONr 53—00.01.
</li>
<li>
5 

 
T. A. Ternes, 
<article-title>Arzneimittelrückstände in deutschen Abwässern und Gewässern</article-title>. In: 
<source>Wasser, Abwasser Praxis, 
(2000), 
1, 
12–<lpage>18.</lpage>
</li>
<li>
6 

 
</li>
<li>
6a 

 
 A. Göbel, 
A. Thomsen, 
C. S. McArdell, 
A. Joss, 
W. Giger, 
<source>Env. Sci. Technol. 
(2005), 
39, 
3981–<lpage>3989</lpage>;
</li>
<li>
6b 

 
 A. Göbel, 
A. Thomsen, 
C. S. McArdell, 
A. C. McAdrell, 
A. C. Alder, 
W. Giger, 
N. Theiss, 
D. Löffler, 
T. A. Ternes, 
<source>J. Chromatography A 
(2005), 
1085, 
179–<lpage>189</lpage>;

</li>
<li>
6c 

P. Ivashechkin, Literaturauswertung zum Vorkommen gefährlicher Stoffe im Abwasser und in Gewässern. In: Institut für Siedlungswasserwirtschaft (Hrsg), Aachen. 2005;.
</li>
<li>
6d 

 
R. H. Lindberg, 
P. Wennberg, 
M. I. Johnson, 
M. Tysklind, 
B. A. V. Andersson, 
<source>Environ. Sci. Technol. 
(2005), 
39, 
3421–<lpage>3429.</lpage>
</li>
<li>
7 

 
</li>
<li>
7a 

 
M. Isidori, 
M. Lavorgna, 
A. Nardelli, 
L. Pascarella, 
A. Parrella, 
<source>Sci. Total Environ. 
(2005), 
346, 
87–<lpage>98</lpage>;
</li>
<li>
7b 

 
K. Kümmerer, 
<source>Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 
(2001), 
Volume 13, 
Issue <issue>5</issue>, 
pp 269–<lpage>276</lpage>;
</li>
<li>
7c 

 
 T. E. Tooby, 
P. A. Hursey, 
J. S. Alabaster, 
<source>Chemistry and Industry 
(1975), 
6, 
523–<lpage>526</lpage>;
</li>
<li>
7d 

 
M. Cleuvers, 
<source>Ecotoxicol. Environ. Safety 
(2004), 
59, 
309–<lpage>315.</lpage>
</li>
<li>
8 

 
<source>Pharmaceuticals in the Environment, Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">U. Schulte-Oehlmann, M. Oetken, J. Bachmann, J. Oehlmann</person-group>, <publisher-name>Springer</publisher-name>, (2004) 233–<lpage>247.</lpage>

</li>
</ul>

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