<a href="https://faszinationchemie.de">FaszinationChemie.de</a> ist ein Portal der GDCh, das 2019 freigeschaltet wurde und sich an alle wendet, die sich f&uuml;r chemische Ph&auml;nomene interessieren &ndash; ob Laien oder Fachleute. Hier erhalten Beitr&auml;ge, die sich an die breite &Ouml;ffentlichkeit wenden, ebenso ihren Raum wie Artikel, die ein gewisses Ma&szlig; an chemischem Fachwissen voraussetzen.

Faszination Chemie

Im indischen Ozean auf der Insel Mauritus befindet sich der 8,5 Hektor gro&szlig;e Geopark Siebenfarbige Erde (Seven Coloured Earth), ein weltweit einzigartiges geologisches Naturph&auml;nomen, das man als Chemiker oder Geologe unbedingt gesehen haben muss, wenn man die weite Anreise (12 Stunden Flug) nicht scheut.
<h2>Entstanden durch vulkanische Aktivit&auml;t</h2>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/jXXdBSLPROJERw9dVD3g" alt="">
<figcaption>
Abb. 1. Eingang zum Geopark (Foto: M. Kudra)
</figcaption>
</figure>
Durch vulkanische Aktivit&auml;t wurden auf der Insel sieben verschiedene Erden miteinander vermischt. Aufgrund der langsamen Zersetzung des Vulkangesteins &uuml;ber Millionen von Jahren hinweg unter tropischen Verwitterungsbedingungen haben sich wasserl&ouml;sliche Bestandteile wie z. B. Kiesels&auml;uren ausgewaschen, die dann ein Bodensubstrat aus r&ouml;tlich/ schwarzem Eisenoxid Fe2O3 und Aluminiumhydroxid gebildet haben.
Dadurch entstanden Sandd&uuml;nen in den unterschiedlichsten Farben, wie Rot, Braun, Gelb, Gr&uuml;n, Blau und sogar Violett. Der Regen hat dann sein &Uuml;briges dazu getan und f&uuml;r unglaubliche Verwirbelungen und Muster der Sandd&uuml;nen gesorgt. Aber man muss wirklich abh&auml;ngig von der Tageszeit und Wetterlage (Sonne, Wolken oder Regen) gro&szlig;es Gl&uuml;ck haben, um die sieben Farben auch tats&auml;chlich sehen zu k&ouml;nnen, z.B. bei Sonnenauf- oder -untergang, wo die Farben besonders intensiv sein sollen.
Tats&auml;chlich erkennt man zumeist nur drei bis vier Farben (Titelbild und Abb. 2). Trotzdem ziehen die Farben den Betrachter unwillk&uuml;rlich in seinen Bann, wenn man von tollen Aussichtsplattformen das Naturph&auml;nomen auf einem Rundgang erforscht. Auf dem Rundweg kann man das Farbenspiel aus verschiedenen Perspektiven betrachten und bewundern, auch wenn ein Betreten der Gesteinsfl&auml;chen verboten ist.
Daf&uuml;r kann man eine Probe des Sandes in den Souvenirl&auml;den am Eingang des Gel&auml;ndes kaufen. Der Geopark Siebenfarbige Erde ist mittlerweile touristisch erschlossen und am Eingang muss man 150 Rupien pro Person, also rund 3,80 Euro bezahlen. Um die Artenvielfalt und den Wald auf der Insel Mauritius zu erhalten, l&auml;uft seit 2009 ein Programm der Mauritian Wildlife Foundation mit dem &bdquo;7 Coloured Earth&ldquo; Management.
<figure><img src="https://media.graphassets.com/okj16DawTVG9uAtjAG2X" alt="">
<figcaption>
Abb. 2: Die sieben Erden (Foto: M. Kudra)
</figcaption>
</figure>
<h2>Weitere Naturph&auml;nomene</h2>
Neben dem Geopark &bdquo;Siebenfarbige Erde&rdquo; kann man im 22 km entfernten Naturpark &bdquo;La Vall&egrave;e des Couleurs Nature Park&rdquo; ein &auml;hnliches Schauspiel bewundern. Dort kann man infolge von Vulkanausbr&uuml;chen und daraus resultierenden chemischen Reaktionen (Regen, Feuchtigkeit, Sauerstoff und Kohlendioxid) aus der Vulkanasche &uuml;ber Millionen von Jahren am Fu&szlig;e eines Vulkans sogar 23 Farben sehen. Die Existenz der 23 Farben wurde nach sorgf&auml;ltigen Studien von unabh&auml;ngigen Wissenschaftlern best&auml;tigt.
Derartige Nauturschauspiele gibt es auch auch auf anderen Teilen der Welt zu entdecken, z.B. im Painted Desert &ndash; Arizona, USA und Vinicunca &ndash; Peru, S&uuml;damerika. W&auml;hrend sich im Westen der USA im US-Bundesstaat Arizona die W&uuml;ste im Nationalpark Petrified-Forest-Nationalpark rosafarben, hellgelb und lila f&auml;rbt, kann man im S&uuml;den des s&uuml;damerikanischen Landes Peru den &bdquo;Regenbogenberg&rdquo; bewundern.
<figure><img src="https://media.graphassets.com/GAYoAWkQ5miA9N4BnA6C" alt="">
<figcaption>
Abb. 3 Vinicunca (auch Regenbogen-Berg) im S&uuml;den Perus. (Foto: <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Diegoaldrinda" target="_blank" rel="noopener">Diego Aldrin Abanto Ricce</a>,&nbsp;<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monta%C3%B1aarcoirisperuabanto.jpg" target="_blank" rel="noopener">Monta&ntilde;aarcoirisperuabanto</a>,&nbsp;<a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode" target="_blank" rel="noopener">CC BY-SA 4.0</a>)
</figcaption>
</figure>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/mqDBR3GsRirF2bRzFXta" alt="">
<figcaption>
Abb. 4. Chamarel-Wasserfall (Foto: M. Kudra)
</figcaption>
</figure>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/aZCUTYySyFq9488Ure4A" alt="">
<figcaption>
Abb. 5. Aldabra Riesenschildkr&ouml;ten (Foto: M. Kudra)
</figcaption>
</figure>
Gleich in der N&auml;he des Geoparks in der N&auml;he der Ortschaft Chamarel im S&uuml;dwesten der Insel befindet sich ein weiteres Schauspiel, das man nicht verpassen sollte: der Chamarel-Wasserfall. Die Ortschaft ist benannt nach dem franz&ouml;sischen Offizier Charles Antoine de Chazal de Chamarel, der in diesem Teil der Insel gelebt hat. &Uuml;ber einen schmalen Pfad kann man den Fu&szlig; des Wasserfalls erreichen und von da aus bewundern, wie das Wasser &uuml;ber eine Felskante knapp 100 m in die Tiefe st&uuml;rzt. Nat&uuml;rlich gibt es auch hier einen Aussichtspunkt, von dem aus man gelegentlich Flughunde vorbeifliegen sieht.
Wer die Flughunde nicht sieht, kann sich an den Schildkr&ouml;ten erfreuen. Das charakteristische Merkmal der Aldabra-Riesenschildkr&ouml;ten ist ihr im Verh&auml;ltnis relativ kleiner Kopf, dessen Durchmesser den des Halses lediglich geringf&uuml;gig &uuml;bersteigt.
<h2>Mix der Kulturen</h2>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/f4A7imkRyMNigiS4rvfQ" alt="">
<figcaption>
Abb. 6: Flagge von Mauritius (<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Zscout370" target="_blank" rel="noopener">Zscout370</a>,&nbsp;<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flag_of_Mauritius.svg" target="_blank" rel="noopener">Flag of Mauritius</a>, Wikimedia Commons, gemeinfrei)
</figcaption>
</figure>
Auf der atemberaubenden Insel Mauritus trifft man auf einen Mix aus asiatischen, afrikanischen und europ&auml;ischen Einfl&uuml;ssen. Dazu kommen wei&szlig;e Sandstr&auml;nde und eine traumhafte Natur mit erstklassigen Wander-, Kletter- und Tauchgebieten. Nicht zu Unrecht ist Mauritius nicht nur das Land mit der h&ouml;chsten Einwohnerdichte Afrikas, sondern auch das reichste Land des Kontinents, gemessen am Pro-Kopf-Einkommen.
&Uuml;brigens hat jede der vier Farben auf der Flagge von Mauritius seine Bedeutung. Rot steht f&uuml;r die Unabh&auml;ngigkeit, Blau f&uuml;r den Indischen Ozean, der die Insel umgibt, Gelb f&uuml;r die gl&auml;nzende Zukunft des Landes und Gr&uuml;n f&uuml;r die Vegetation.
<h2>Gefahren des Klimawandels</h2>
Auf den ersten Blick scheint die Insel im indischen Ozean vom Klimawandel unber&uuml;hrt. Da sich aber der Anstieg des Meeresspiegels beschleunigt und die Erw&auml;rmung des Meerwassers und der Luft &uuml;ber dem Durchschnitt liegt, trifft Mauritius die Klimakrise st&auml;rker als der Durchschnitt der Welt.
Das f&uuml;hrt zu einer zunehmenden Anzahl von z.T. verherrenden Tropenst&uuml;rmen &ndash; sogenannten Zyklonen &ndash; mit Folgesch&auml;den wie Riffsterben, Stranderosion, Versalzung von K&uuml;stengebieten und Verlust von Lebensr&auml;umen nicht nur f&uuml;r Korallen. Dadurch k&ouml;nnte nach Prognosen die landwirtschaftliche Produktion bis 2050 um 30 Prozent abnehmen, was die Ern&auml;hrungssicherheit infrage stellen k&ouml;nnte.
Zwar hat die Regierung der unabh&auml;ngigen Republik in den vergangenen Jahren einiges unternommen, um auf Umweltkatastrophen vorbereitet zu sein. So wurde das Fr&uuml;hwarnsystem f&uuml;r Zyklone verbessert und ein Doppler-Radar f&uuml;r genauere Wettervorhersagen installiert. Obwohl der Staat betont, die notwendigen Mittel f&uuml;r Klimaschutz und -anpassung selbst aufzubringen, fehlen auf Bezirksebene oft die finanziellen Mittel f&uuml;r Anpassungsma&szlig;nahmen, wie der aktuelle Sachstandsbericht des Weltklimarats Mauritius bescheinigt.
Von den ganz gro&szlig;en Katastophen ist Mauritius bisher verschont geblieben, aber im ca. 1000 km entfernten Inselstaat Madagaskar sieht das schon deutlich anders aus. Erst vor einem Jahr verw&uuml;stete Zyklon &bdquo;Freddy" die Insel und im M&auml;rz diesen Jahres &ndash; nur wenige Wochen nach der R&uuml;ckkehr des Autors &ndash; zog der Zyklon &bdquo;Gamane" mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 210 Kilometern pro Stunde &uuml;ber die Insel. Er setzte ganze Orte unter Wasser und forderte Menschenleben. Ausgerechnet Madagaskar mu&szlig; man sagen, wo die Mehrheit der 30 Millionen Einwohner ohnehin schon unter Armut und Hunger leidet, wovon sich auch der Autor &uuml;berzeugen konnte.
<hr class="ce-div">
Autor: Dr. Matthias Kudra Wilhelm-Ostwald-Institut f&uuml;r Physikalische und Theoretische Chemie Universit&auml;t Leipzig <a href="https://kudra-at-uni-leipzig.de" target="_blank" rel="noopener">kudra-at-uni-leipzig.de</a>
Dieser Beitrag erschien zuerst in Heft 2 der "Mitteilungen der Fachgruppe Umweltchemie und &Ouml;kotoxikologie&ldquo;. Die <a href="https://www.gdch.de/netzwerk-strukturen/fachstrukturen/umweltchemie-oekotoxikologie.html" target="_blank" rel="noopener">GDCh-Fachgruppe Umweltchemie &amp; &Ouml;kotoxikologie</a> wurde im November 1990 gegr&uuml;ndet, hat rund 850 Mitglieder und besch&auml;ftigt sich mit den Wechselwirkungen zwischen Chemikalien und der Umwelt (Umweltchemie).&nbsp;
<h2>Links</h2>
<a href="https://www.insel-mauritius.de/siebenfarbige-erde" target="_blank" rel="noopener">https://www.insel-mauritius.de/siebenfarbige-erde</a> <a href="https://www.klimareporter.de/international/die-klimakrise-bedroht-unsere-hart-erkaempfte-entwicklung" target="_blank" rel="noopener">ttps://www.klimareporter.de/international/die-klimakrise-bedroht-unsere-hart-erkaempfte-entwicklung</a> <a href="https://internationalepolitik.de/de/kleine-insel-grosser-gefahr" target="_blank" rel="noopener">https://internationalepolitik.de/de/kleine-insel-grosser-gefahr</a>

Sommerspecial: Die siebenfarbige Erde auf Mauritius

Sauberes Trinkwasser gilt als UN-Menschenrecht. Doch es ist ein rares Gut. Denn Süßwasser macht nur etwa 2,5 Prozent der weltweiten Wasserressourcen aus. Und nur ein Teil davon ist wiederum zugänglich und so sauber, dass es trinkbar ist. Durch den Klimawandel wird für immer mehr Menschen der Zugang zu Trinkwasser noch schwieriger, als er in vielen Regionen der Welt sowieso schon ist.Daher wird schon länger an Methoden gearbeitet, um das in Massen verfügbare Meerwasser zu entsalzen. Die Haupttechniken sind die Verdunstung und die Umkehrosmose, bei der das Salzwasser unter hohem Druck durch Membranen gedrückt wird, die das Salz zurückhalten. Das entscheidende Problem bei beiden Techniken: Sie sind teuer und energieaufwendig.<h2>Internationale Kooperation bei innovativem Projekt</h2><figure><img src="https://media.graphassets.com/W3fsX5ITpiIfkFB6NXvt" alt=""><figcaption>Abb. 1: Logo des Projekts Hydrodesal</figcaption></figure>Dass es auch nachhaltiger und kostengünstiger geht, zeigt das internationale Forschungsprojekt HydroDeSal. Das neue Verfahren ermöglicht nicht nur eine innovative Meerwasserentsalzung am Persischen Golf, es steht auch für eine gelungene Zusammenarbeit einst verfeindeter Länder.Denn bei diesem Projekt arbeiten Partner aus Deutschland, dem Iran und dem Irak zusammen, um Meerwasser aus dem Persischen Golf Hydrogelen zu entsalzen und damit Siedlungen an dessen Küste mit Trinkwasser zu versorgen.<h2>Projektziel: Meerwasser in Trinkwasser umwandeln</h2><figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1600&amp;md5=9e77154318d970628c01fb854c1a97a4265f3742&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1600\u0026md5=9e77154318d970628c01fb854c1a97a4265f3742\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=800,height=450,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/y3h9oL7SCSxjbomyJLbi" alt=""></a><figcaption>Prof. Sebastian Seiffert (Foto: Hydrodesal)</figcaption></figure>„Hydrodesal ist ein vielversprechendes Verfahren für eine dezentrale Wasserversorgung in trockenen Regionen. Unser Ziel ist es, mit temperatursensitiven Hydrogelen Meerwasser des Persischen Golfs in Trinkwasser umzuwandeln, um damit energieunabhängig, einfach getrieben durch den Tag-Nacht-Wechsel, kleine Siedlungen in der Region mit Wasser zu versorgen", erklärt Sebastian Seiffert, Professor für Physikalische Chemie der Polymere an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz.Gemeinsam mit einem Forscherteam aus iranischen, irakischen und deutschen Wissenschaftlern hat er in den vergangenen drei Jahren das Verfahren optimiert – mit Expertise von Chemieingenieuren, Polymer- und Membranwissenschaftlern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Kooperationsprojekt bis Juni 2024 mit 600.000 Euro.Im Video erklären die Forschenden das Prinzip der Meerwasserentsalzung mit Hilfe des von ihnen entwickelten Verfahrens.<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube-nocookie.com/embed/d9KdfnNRlV4?si=QN9nVs1EgLFxzKH0" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen=""></iframe><h2>Energieautark dank Tag- und Nachtwechsel</h2>Entscheidend für das Verfahren sind die Hydrogele. Diese speziellen Gele bestehen aus Polymeren, die auf Temperaturänderungen reagieren. Die Polymere saugen sich mit Salzwasser voll – ähnlich wie dies Superabsorber in Babywindeln tun – und dehnen sich aus.„Durch elektrische Ladungen in den Partikeln wird das Salz dabei zurückgehalten. Die Partikel nehmen also Wasser auf und stoßen Salz ab. Wenn sie sich wieder zusammenziehen, entweicht das Wasser – salzfrei. Die Partikel machen das aber nicht freiwillig; sie müssen zur Wasserfreisetzung „gezwungen“ werden. Und das kostet Energie. Aber genau diese wird autark durch den Tag-Nacht-Temperaturunterschied erzeugt. Natürlich und kostenlos“, beschreibt Sebastian Seiffert vereinfacht das innovative Verfahren.„Wir nutzen Polymerpartikel, die bei einer niedrigen Nachttemperatur aufquellen und bei Tag und höheren Temperaturen wieder das Wasser abgeben.“ Der Tag-Nachtwechsel ist der natürliche Antrieb für diese Methode. Das Verfahren benötigt also eines nicht: Eine Steckdose.„Das funktioniert natürlich so nur in kleineren Anlagen, und ist daher keine Konkurrenz zu den großen Reverse-Osmose-Anlagen, sondern vielmehr eine Ergänzung in Regionen, wo sich diese Großanlagen technisch einfach nicht lohnen, oder für wirtschaftlich schwache Regionen“, sagt Sebastian Seiffert.<figure><img src="https://media.graphassets.com/YsLdPgMGTMu1vmSJe5Lk" alt=""><figcaption>Abb. 3: Der Seehafen Siraf am Persischen Golf wäre eine typische Einsatzregion für die geplante Entsalzungsmethode, damit sich Siedlungen energieautonom mit Trinkwasser versorgen können. (Foto: Amir Jangizehi)</figcaption></figure><h2>Aus Grundlagenforschung wird konkrete Anwendung</h2>Zwei wesentliche Entwicklungsschritte waren beim Forschungsprojekt zum Erreichen der Projektziele geplant: In der ersten Projektphase sollten optimierte Hydrogele und neuartige Membranen entwickelt werden. Dies ist dem Projektteam gelungen.Das Augenmerk bei der Optimierung der Hydrogele lag dabei auf drei Parametern: Im Hinblick auf den Einsatz von thermoresponsiven Hydrogelen im Entsalzungsprozess sind der Gleichgewichtsquellungsgrad, die Salzrückweisung und die Effizienz bei der Wasserrückgewinnung drei zentrale Merkmale, welche die Gesamtleistungsfähigkeit des Prozesses bestimmen. Ein Hydrogel allein, auch wenn es eine eigene Membran hat, funktioniert dabei nicht.Der Weg zur richtigen Mischung gestaltete sich schwierig. „Es sind viele gegenläufige Parameter im System zu beachten, um am Ende dann den richtigen Kompromiss zu finden. Der Schlüssel ist das Drehen am nanoskopischen Aufbau der Materialien“, erläutert Chemiker Seiffert. „Hierbei geht es darum, die funktionsgebenden Strukturelemente im Gel, also dessen Ladungen zur Salzrückhaltung einerseits und dessen umgebungssensitive Segmente zur Einstellung der Temperatur-Schaltbarkeit andererseits, räumlich auf Skalen von Nanometern voneinander zu trennen. So arbeiten sie entkoppelt, und eine Parameter-Optimierung wird wesentlich weniger komplex. Vor zehn Jahren interessierte mich so etwas nur aus rein akademischer Sicht. Jetzt arbeiten wir auf einen konkreten Nutzen hin“, sagt Seiffert.<h2>Projektweiterführung noch offen</h2>In der zweiten Projektphase sollte ein Labordemonstrator einer Entsalzungsanlage auf Basis der entwickelten Komponenten realisiert und durch einen Projektpartner im Einsatz vor Ort getestet werden. Dieses Projektziel konnte noch nicht vollständig erreicht werden.Das hat aber einen nachvollziehbaren Grund. „Nach den bisherigen drei Jahren Projektlaufzeit fehlen uns durch den schleppenden, coronabedingten Vorlauf weit über ein Jahr intensive Forschungsarbeit. Dennoch haben wir schon viel erreicht. Wir haben jetzt eine Vorversion eines etwa Kühlschrankgroßen Labordemonstrators einer Entsalzungsanlage. Wir haben mannigfaltige Hydrogele und Membranen entwickelt.Wir bräuchten aber noch mehr Zeit und Forschungsgelder, um das System weiter zu optimieren und auszuentwickeln, dann können wir mit dem Scale-up beginnen. Dazu wäre ein mittelständisches Unternehmen ein idealer Partner für uns; und entsprechende Fördermittel, die einen Großteil der Kosten für solch eine Folgeprojektphase abdecken würden, könnten dafür auch relativ schnell und einfach beantragt werden“, wünscht sich Projektleiter Seiffert.Er hofft, dass auch nach Abschluss des Projekts die Zusammenarbeit zwischen den Partnern aus Deutschland und der Region fortgesetzt wird, um neue Kooperationen auf dem Gebiet der Wasserentsalzung zu etablieren. Überhaupt ist es die außergewöhnliche Zusammensetzung der Forschungsgruppe, die dieses Projekt zu etwas Besonderem macht.<h2>Forschung über Grenzen hinweg</h2><figure><img src="https://media.graphassets.com/ykgoALwR3y7FrN2kiMvw" alt=""></figure><figure><img src="https://media.graphassets.com/uEjzUOtZRceYbEAxfJu7" alt=""></figure><figure><img src="https://media.graphassets.com/6roIvATiRw6tFranW0cg" alt=""><figcaption>Abb. 4: Von oben nach unten: Flaggen von Deutschland, Iran und Irak (alle Wikimedia Commons, gemeinfrei)</figcaption></figure>Die Idee für das neue Entsalzungsverfahren geht bis ins Jahr 2018 zurück. Dr. Amir Jangizehi, ein Postdoc aus dem Iran, beschäftigte sich mit supramolekularen Polymernetzwerken, spannenden Materialien mit spannenden internen Dynamiken, sensible, umgebungssensitive Systeme, deren Gleichgewichte sehr temperarturabhängig sind.„Irgendwann kam der Gedanke, dass diese Systeme für die Wasserentsalzung interessant sein könnten. Könnte man geladene Hydrogele verbinden mit einer supramolekularen Umgebungssensitivität, einem umschaltbaren Netzwerk, das auf Temperaturunterschiede reagiert?“, erinnert sich Sebastian Seiffert. „Durch die Verbindung unseres iranischen Forschers bekamen wir dann schnell Kontakt zu zwei iranischen und einer irakischen Forschergruppe, mit denen wir das Thema schließlich international aufziehen konnten.“Seiffert, der sich auch als Mitglied der „Scientists for Future Mainz“ aktiv für den Klimaschutz einsetzt, betont vor allem das Zusammenarbeiten zwischen deutschen, iranischen und irakischen Wissenschaftlern. „Webmeetings waren während der jüngst wiederholt unruhigen Zeiten im Iran zwar bisweilen schwierig, da oft das Internet ausfiel. Persönliche Treffen in Mainz und persönliche Kontakte durch den beteiligten Postdoc vor Ort haben das Projekt dann aber richtig beflügelt und wie ein Katalysator gewirkt.Die Zusammenarbeit erfolgt trotz bestehender oder vergangener politischer Konflikte ganz hervorragend. Das spielt keine Rolle in der wissenschaftlichen Zusammenarbeit. Das ist einfach erfrischend zu sehen. Es ist mir eine besondere Ehre, hier partnerschaftlich mit Kollegen aus Ländern zusammenzuarbeiten die zu Zeiten meiner Kindheit noch im Krieg miteinander waren“, beschreibt Sebastian Seiffert den Forschungsalltag im Projekt.<h2>Erklärvideo sorgt für besondere Anfragen</h2>Um mehr Aufmerksamkeit für das Projekt zu erzeugen, hat die Forschungsgruppe ein <a href="https://www.youtube.com/watch?v=d9KdfnNRlV4" target="_blank">Video </a>(siehe weiter oben in diesem Beitrag) produziert, das mit vielen Animationen das Verfahren gut und verständlich erklärt. „Die Animationen und der Profisprecher waren am teuersten“ schmunzelt Seiffert. In der deutschen Version ist daher die Synchronstimme von „Dr. House“ zu hören. Das Video wurde Ende Mai von der Uni Mainz auf <a href="https://x.com/uni_mainz/status/1796446103438561414" target="_blank">X (ehemals Twitter) gepostet</a> und hat innerhalb weniger Tage über 50.000 Views bekommen.Mit einem erstaunlichen Nebeneffekt, betont Prof. Seiffert: „Denn es haben sich daraufhin mehrere Agenturen gemeldet, die das Projekt etwa für Luxushotelketten in Dubai oder für Einsätze im militärischen Bereich spannend fanden. Das wiederum ist aber nicht die Hauptmotivation unserer Innovation.“<h2>Umweltfreundlicher Ersatz für Tanklastwagen</h2>Die kompakte und autarke Entsalzungsanlage soll vor allem in entlegenen Gebieten und kleineren Siedlungen zum Einsatz kommen. Am Persischen Golf gibt es tausende solcher Siedlungen, die Frischwasser benötigen. Diese werden z.B. noch durch aufwendige und umweltschädigende Tanklastsysteme versorgt. Sebastian Seiffert ist überzeugt: „Unser Verfahren kann und wird einen regionalen Beitrag zur Lösung des globalen Problems der Wasserknappheit leisten, unter dem die Bevölkerung in den Ländern des Nahen und Mittleren Ostens – auch bedingt durch den Klimawandel – besonders leidet.“<img src="https://media.graphassets.com/6GeV946ZTbW7eDvZrt9T" alt=""><h3>Dr. Jörg Wetterau</h3>Labor für Kommunikation, Linsengericht<a href="javascript:linkTo_UnCryptMailto('ocknvq,jvvr,11yyy0ncdqt\/hwgt\/mqoowpkmcvkqp0fg1');"> http://www.labor-fuer-kommunikation.de/ </a><h2>Quellen und weitere Informationen</h2>Projekt HydroDeSal: <a href="http://www.hydrodesal.net" target="_blank">www.hydrodesal.net</a>Team Hydrodesal: <a href="https://www.hydrodesal.uni-mainz.de/team/" target="_blank">Team | HydroDeSal (uni-mainz.de)</a>Pressemitteilung der Universität Mainz: <a href="https://presse.uni-mainz.de/mainzer-forscher-an-mit-bundesmitteln-gefoerdertem-projekt-zur-meerwasserentsalzung-am-persischen-golf-beteiligt/" target="_blank">https://presse.uni-mainz.de/mainzer-forscher-an-mit-bundesmitteln-gefoerdertem-projekt-zur-meerwasserentsalzung-am-persischen-golf-beteiligt/</a>Kontakt: Prof. Dr. Sebastian Seiffert Johannes Gutenberg-Universität Mainz Department of Chemistry Building No. 2121 3rd Floor / Room 03 110 Duesbergweg 10–14 D-55128 Mainz +49 (0) 6131 39 23887 sebastian.seiffert[a]<a href="https://uni-mainz.de" target="_blank">uni-mainz.de</a> <a href="https://www.polymer-phys.chemie.uni-mainz.de/prof-dr-s-seiffert/" target="_blank">www.polymer-phys.chemie.uni-mainz.de/prof-dr-s-seiffert/</a>

Meerwasserentsalzung: Trinkwasser für Menschen am Persischen Golf

Kupfer: glänzend, bunt und lebenswichtig

Der Weltklimarat IPCC hat sich in seinem sehr umfangreichen Sechsten Sachstandsbericht 2021/2022 mit dem Ausmaß und den Folgen der weiteren globalen Erwärmung bis Ende dieses Jahrhunderts verbunden mit notwendigen Maßnahmen befasst [1]. Aber nicht nur durch die globale Erwärmung, sondern auch in anderen Bereichen unseres Planeten werden durch Tätigkeiten des Menschen ökologische Belastungsgrenzen offenbar, die zunehmend zum bestimmenden Faktor für das Ökosystem der gesamten Erde werden. Dies verdeutlichen zum einen ein umfassender Bericht über Planetare Grenzen und zum anderen der jährliche Erdüberlastungstag.<h2>Planetare Grenzen</h2>Zum ersten Mal hat ein internationales Forscherteam in einer umfassenden Studie neun Planetare Belastungsgrenzen quantifiziert, deren Überschreitung die Stabilität des Erdökosystems und damit das Vorankommen der Menschheit gefährdet [2]. Werden die Belastungsgrenzen überschritten, pendeln sich Prozesse und Kreisläufe in ein neues Gleichgewicht ein, was zu unumkehrbaren Veränderungen und Schäden mit schwerwiegenden Folgen für Mensch und Umwelt führen kann. Durch die Grenzen wird ein sicherer Handlungsspielraum festgelegt. In Teilen wurde die Einhaltung planetarer Grenzen bisher von der internationalen Klimapolitik übernommen.Abbildung 1 veranschaulicht, in welchen von neun für die Erde wichtigen Bereichen bisher die Planetaren Grenzen aktuell weitgehend ausgeschöpft oder überschritten sind. Ist nur der innere grüne Bereich betroffen, so sind die Planetaren Grenzen noch nicht erreicht, Dies ist bei dem Ozonloch, der Partikelverschmutzung in der Atmosphäre und der Ozeanversauerung der Fall. Aber bei sechs der neun Bereiche sind die planetaren Grenzen überschritten. Die Länge der Säulen verdeutlicht in welchem Ausmaß dies der Fall ist.<figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1584&amp;md5=b0e4e66ae0c850130a45ed914463d7aeb4f436d2&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1584\u0026md5=b0e4e66ae0c850130a45ed914463d7aeb4f436d2\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=618,height=600,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/jq4U7l4nSaqpgsL81DuC" alt=""></a><figcaption>Abb. 1: Ökologische Belastungsgrenzen (Abb. aus Chemie in unserer Zeit)</figcaption></figure>Beim Klimawandel liegt die planetare Belastungsgrenze in der Atmosphäre mit CO2 bei einem Wert von 350 ppm und einen Strahlungsantrieb von +1 Watt pro Quadratmeter. Real ist der CO2-Gehalt der Atmosphäre jedoch schon bei 415 ppm und der Energieeintrag ins Erdsystem bei 2,91 Watt pro Quadratmeter - also müssen vorgesehene Maßnahmen zur Reduktion konsequent umgesetzt werden.Die Funktionsfähigkeit der Biosphäre ist die zweite Säule der Stabilität unseres Planeten. Aber zu viel Biomasse wird entnommen, zu viele Lebensräume werden zerstört, zu viele Flächen werden entwaldet und vieles mehr. Zur Bestimmung des Biodiversitätsverlustes wurde die Aussterberate E/MSY (ausgestorbene Arten – Ende einer evolutionären Stammlinie – je Million Arten im Jahr) genommen. Die akzeptierte globale Grenze ist ein Wert von 10 E/MSY. Tatsächlich liegt die Aussterberate aber aktuell bei 100–1000 E/MSY, was auf ein Massenaussterben hindeutet.Außerdem haben in der Biosphäre die für die Funktion der Lebenswelt nötigen Mengen zur Funktion von Ökosystemen stark abgenommen. Bei der Landnutzungsänderung wird die waldbedeckte Fläche als Referenz genommen. Hier geht man von einer vorindustriellen globalen Waldfläche von rund 75 % aus. Der Bedeckungsgrad ist bereits auf 62 % gesunken, und der jährliche Verlust an Waldfläche liegt bei &gt;0,13 %.Beim Süßwasser hat der Mensch die planetare Grenze sowohl durch Eingriffe in Gewässer (Grünes Wasser) als auch durch Störungen der Wasserverfügbarkeit für Pflanzen beispielsweise durch Grundwasserentnahmen (Blaues Wasser) überschritten. Es wird vorausgesagt, dass für die Nahrungsmittelproduktion der Verbrauch von blauem Wasser für Bewässerungen mit schwerwiegenden Folgen der Vegetation bis 2050 um 400–800 km3/Jahr überkritisch steigen wird.Deutliche Überschreitungen der Belastungsgrenzen gibt es bei den Stoffkreisläufen, wo Phosphor und Stickstoff besonders untersucht wurden, die unter anderem als Dünger bedeutend sind. Den Analysen zufolge werden aktuell rund 22,6 Mio.t Phosphor als Phosphat (PO43–) pro Jahr über die Flüsse in Seen und Ozeane gespült und gehen damit verloren. Die Grenze liegt bei rund 11 Mio.t pro Jahr. Phosphor führt zur Eutrophierung in Flüssen und Seen. In Ozeanen kann durch den Phosphoreintrag eine Sauerstoffverarmung (Ozeanisches anoxisches Ereignis) verbunden mit einem Massenaussterben von Meereslebewesen auftreten. Stickstoff als Nitrat (NO3–) sammelt sich in Gewässern und Böden und kann durch bakterielle Nitrifikation zu Nitrit (NO2–) umgewandelt werden, das für zahlreiche Organismen giftig ist. Lachgas (N2O) trägt zum Beispiel aus intensiv betriebener Landwirtschaft als eines der stärksten klimawirksamen Gase direkt zum Treibhauseffekt bei. Bei der ökologischen Landwirtschaft entsteht rund 40 % weniger Lachgas. Jährlich werden 190 Mio.t Nitrat freigesetzt. Die Grenze der Belastbarkeit für den irdischen Stickstoffkreislauf liegt dagegen nur bei 62 Mio.t pro Jahr.Überschritten ist die Grenze auch im Bereich des Einbringens neuartiger Stoffe in die Umwelt, also dem Eintrag vom Menschen erzeugter chemischer Verbindungen. Kriterien sind, dass bereits geringere Mengen einen nicht umkehrbaren Störeffekt auf Erdsystemprozesse haben können. Vorschläge für Grenzwerte können nur qualitativ angegeben werden, da es bisher keine Messungen von Chemikalienbelastungen auf globaler Ebene gibt. Beispiele für Substanzen sind Mikroplastik (aus Gebrauchsgegenständen, Zerfall von Plastikmüll), Pestizide (Beispiele Glyphosat, Neonicotinoide) und Atommüll (bisher keine sicheren Endlager, Belastungen aus Atombombentests). Eine Studie zeigt, dass über 99 Prozent von 492 untersuchten Chemikalien eine planetare Belastungsgrenze sprengen.<h2>Erdüberlastungstag</h2>Die zweite Studie, um ökologische Belastungsgrenzen des Planeten zu erfassen, betrifft den Erdüberlastungstag. Er wird jährlich für alle Länder durch die Organisation Global Footprint Network (GFN) erstellt [3]. An diesem Tag übersteigt die menschliche Nachfrage nach nachwachsenden Rohstoffen das Angebot und die Kapazität der Erde zur Reproduktion dieser Ressourcen. Der globale Erdüberlastungstag 2023 fiel auf den 2. August. An diesem Tag hatte die Menschheit alle Ressourcen verbraucht, die ihr eigentlich für das gesamte Jahr zur Verfügung standen. Der Tag verdeutlicht, dass die gesamte Weltbevölkerung 1,7 Erden benötigt, um den durchschnittlichen globalen Bedarf an natürlichen Rohstoffen nachhaltig zu decken.In die Ermittlung des Erdüberlastungstags vom GFN fließen etwa 15.000 Datenpunkte (Zahlen von den Vereinten Nationen) pro Land und Jahr ein. Eingerechnet werden zum Beispiel der CO2-Ausstoß, das benötigte Ackerland, Waldflächen, Weideland, Fischgründe sowie die bebaute Fläche. Dabei wird jeweils das verbrauchte biologische Material (in Tonnen) dem Ertrag der Fläche (in Tonnen pro Hektar) gegenübergestellt. Der ökologische Fußabdruck eines Landes ergibt sich aus der gesamten Fläche, die benötigt wird, um den Ressourcenverbrauch und die Aufnahme von Emissionen und Abfall zu gewährleisten [4].Der globale Erdüberlastungstag rückt unter anderem wegen der Zunahme der Weltbevölkerung und steigendem Wohlstand im Kalender immer weiter nach vorn: 1970 29. Dezember, 1993 12. Oktober, 2003 9. September, 2019 29. Juli. Im Jahr 2020 rutschte der Tag vorübergehend mit dem 22. August etwas nach hinten wegen reduzierter menschlicher Aktivitäten durch die Auswirkungen der Corona-Krise. Maßnahmen können also das ökologische Gleichgewicht verbessern. Ein Gleichgewicht von Verbrauch und Regeneration der Ressourcen bestand global aber zuletzt im Jahr 1970.Abbildung 2 zeigt am Beispiel einiger Länder das Datum des Erdüberlastungstags für 2023. Einen sehr frühen Tag haben die die Industrieländer wie USA und auch einige Länder der EU. Ab dem 4. Mai haben wir in Deutschland unser Jahreskonto an nachhaltig nutzbaren Ressourcen überzogen. Beispiele ärmerer Länder verdeutlichen, dass diese wegen geringerer Ressourcenverschwendung fast im Gleichgewicht stehen. Im Jahr 2024 lag der Erdüberlastungstag für Deutschland noch etwas früher, nämlich am 2. Mai [5].<figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1583&amp;md5=b74bc63df9c7ee1bdeed996847c9b24d15cd494b&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1583\u0026md5=b74bc63df9c7ee1bdeed996847c9b24d15cd494b\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=800,height=544,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/5wj2PA5SCOZKrfAFCCb0" alt=""></a><figcaption>Abb. 2: Erdüberlastungstage einiger Länder im Jahr 2023. In Klammern: wie viel Erden für Deckung des Bedarfs nötig wären (Abb. aus Chemie in unserer Zeit)</figcaption></figure>Bei den Planetaren Grenzen ist vornehmlich die Politik in internationaler Vernetzung gefragt, Belastungsgrenzen festzulegen und umzusetzen. In der EU soll der European Green Deal zentraler Bestandteil der Klimapolitik der Europäischen Union werden, wo auch die Chemie eine wichtige Rolle spielt. Auch im persönlichen Umfeld kann jeder mithelfen, Strukturen für mehr Nachhaltigkeit zu etablieren. Jeder kann den eigenen ökologischen Fußabdruck über die Art zu konsumieren, mobil zu sein oder zu wohnen verkleinern, aber die Wende zur Nachhaltigkeit gelingt nur über die Veränderung der Rahmenbedingungen für alle.Autor: Prof. Dr. Dieter Wöhrle, Bremen<h2>Literatur</h2>[1] a) <a href="http://www.de-ipcc.de/" target="_blank">www.de-ipcc.de</a>.      b) D. Wöhrle, Chem. Unserer Zeit 2022, 56 , 218 [2] a) K. Richardson, et al., Earth beyond six of nine planetary boundaries, Sci. dv. 2023, Vol. 9 , No. 37, <a href="https://doi.org/10.1126/sciadv.adh2458" target="_blank">https://doi.org/10.1126/sciadv.adh2458</a>      b) <a href="https://www.pik-potsdam.de" target="_blank">www.pik-potsdam.de</a> › aktuelles › nachrichten [3] a) <a href="http://www.germanwatch.org/de/15501" target="_blank">www.germanwatch.org/de/15501</a>      b) <a href="http://www.en.wikipedia.org/wiki/Global_Footprint_Network" target="_blank">en.wikipedia.org/wiki/Global_Footprint_Network</a>      c) <a href="http://www.footprintnetwork.org/" target="_blank">www.footprintnetwork.org</a> [4] <a href="http://www.de.wikipedia.org/wiki/%D6kologischer_Fu%DFabdruck" target="_blank">de.wikipedia.org/wiki/Ökologischer_Fußabdruck</a>. [5] <a href="https://overshoot.footprintnetwork.org/newsroom/country-overshoot-days" target="_blank">https://overshoot.footprintnetwork.org/newsroom/country-overshoot-days</a> Dieser Beitrag wurde zuerst in der Zeitschrift Chemie in unserer Zeit, 01/2024 publiziert. <a href="https://doi.org/10.1002/ciuz.202300038" target="_blank">https://doi.org/10.1002/ciuz.202300038</a>

Die Belastungsgrenzen unserer Erde

Kollektive und Künstliche Intelligenz hilft beim Aufspüren von Antibiotika und anderen Spurenstoffen in Gewässern. Das hat das Verbundprojekt K2I am Beispiel von Proben aus der Donau und ihren Zuflüssen in der Region Ulm gezeigt.<h2>Wichtige Ressourcen für Trinkwasser</h2>Oberflächengewässer sind eine wichtige Ressource für unser Trinkwasser. Sie enthalten aber zahlreiche Spurenstoffe, also organische anthropogene Substanzen in einer Konzentration von typischerweise unter einem Mikrogramm pro Liter. Das Spektrum ist riesig. Allein in der Europäischen Chemikalienverordnung sind mehr als 26 000 überwiegend organische Chemikalien registriert, die industriell verwendet werden und in Flüsse, Seen und Meere gelangen können.Die Oberflächengewässer- und Trinkwasserverordnung sowie andere etablierte Überwachungskonzepte berücksichtigen zwar gängige Pestizide, ebenso einige Substanzen aus der Gruppe der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) sowie viele weitere Schadstoffe, aber sie decken dennoch nur die Spitze des Eisbergs ab. Ein Großteil der künstlich hergestellten chemischen Verbindungen wird aktuell gar nicht überwacht. Daher bleiben die Verursacher und örtlichen Quellen vieler Emissionen unentdeckt. Die unzureichende Erkenntnislage behindert schnelle zielgerichtete Maßnahmen des Umweltschutzes.<h2>Kollektive Nutzung von Daten</h2>Wasserversorger betrifft die Problematik unmittelbar. Sie setzen neben dem Nachweis bekannter Schadstoffe vermehrt auf das <a href="https://faszinationchemie.de/wissen-und-fakten/news/auf-spurensuche-non-target-screening-in-der-wasseranalytik/" target="_blank">Non-Target-Screening (NTS)</a>, um eine möglichst weite Palette an organischen Spurenstoffen zu erfassen und auch unbekannte oder nicht erwartete Substanzen im Wasser zu identifizieren. Die Herausforderung liegt dabei in der Auswertung der umfangreichen NTS-Daten. Schon für eine Wasserprobe fallen etwa ein Gigabyte Daten an. <figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1578&amp;md5=4319e358b7fa97d212273676e508c8c1f4d31764&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1578\u0026md5=4319e358b7fa97d212273676e508c8c1f4d31764\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=800,height=534,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/E4J4bPTTdiMFiFZgDbwL" alt=""></a><figcaption>Abb. 1: Ein Mitarbeiter stellt eine Probe in das Probengestell eines Flüssigchromatographen (LC) für die Flugzeitmassenspektrometer-Messung (TOF; (time-of-flight)). Foto: TZW/DVGW-Technologiezentrum Wasser</figcaption></figure>Einige hoch spezialisierte Labore der Wasseranalytik betreiben bereits NTS. Wenn sie ihre Daten im Kollektiv vernetzen, können sie über die zeitlichen sowie räumlichen Informationen und mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) den Eintrag und die Verbreitung von Spurenstoffen in Gewässern besser verfolgen. So lassen sich Emissionsquellen bekannter sowie unbekannter Stoffe rasch eingrenzen. Mit diesem Konzept beschäftigte sich das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Verbundprojekt K2I (<a href="http://www.k2i-tracker.de" target="_blank">www.k2i-tracker.de</a>, Förderkennzeichen 02WDG1593A-D).<figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1580&amp;md5=be46d655ad0e40ed85407ecb274a53bf3ad8f502&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1580\u0026md5=be46d655ad0e40ed85407ecb274a53bf3ad8f502\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=800,height=533,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/aX3yVDhRTGyuw5m592wc" alt=""></a><figcaption>Abb. 2: Non-Target Auswertung an einem Flugzeitmassenspektrometer, im Vordergrund des Bildes ist die Quelle des TOF`s zu sehen. Foto: TZW/DVGW-Technologiezentrum Wasser</figcaption></figure><h2>Proof-of-Concept mit Donauwasser</h2>Für den Proof-of-Concept wurden in der Modellregion Ulm die Donau und ihre Zuflüsse ein Jahr lang im 15-Tages-Rhythmus an acht Stellen beprobt. Sechs teilnehmende Labore erhielten die Proben zur Analyse. Das NTS erfolgte mit der Kopplung aus Flüssigchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie.Für die gemeinsame Auswertung der Daten aus den verschiedenen Laboren wurde eine Cloudlösung entwickelt. Die unterschiedlichen NTS-Dateiformate wurden in ein offenes Format konvertiert, über ein vom Münchner Unternehmen Fluxtype entwickeltes Webinterface hochgeladen und mit Metadaten wie den Ortskoordinaten und den Zeitpunkten der Probennahme versehen. Für das Pre- processing wurden das Peakfinding und andere fundamentale Schritte des NTS-Workflows in einer Pipeline zusammengefasst. Die Integration der Preprocessing-Software übernahm der IT-Dienstleister EnviBee aus Zürich.Das Postprocessing harmonisierte die Ergebnisse anhand isotopenmarkierter Standards und führte sie laborübergreifend zusammen. Zur Visualisierung der zeitlichen und räumlichen Spurenstoffverläufe wurden Dashboard-Abfragen für die hinterlegte Datenbank generiert.<h2>Neuronales Netz erkennt Anomalien</h2>Zur Bestimmung von Anomalien eignen sich spezielle künstliche neuronale Netze, Autoencoder genannt. Ein Encoder-Decoder-Paar lernt hierbei, Muster in einem reduzierten Darstellungsraum zu verdichten und wesentliche Merkmale zu extrahieren. Aus der komprimierten Darstellung lässt sich ein Bild rekonstruieren, das sich nur über bereits erlernte Muster aufbaut. Beim Abgleich können Differenzen als Anomalien interpretiert werden.In den NTS-Daten wurden tausende Substanzen gefunden. Aufgrund der demgegenüber relativ geringen Probenzahl konnten viele KI-Methoden allerdings nicht direkt zum Einsatz kommen. Um die Probenzahl zu erhöhen, wurde ein größerer NTS-Datensatz zur Verfügung gestellt, der die Untersuchung von Donau-Proben im Zeitraum 2017 bis 2022 umfasst. Außerdem wurden die Auflösung und damit die Anzahl der detektierten Stoffe durch einen Binning-Ansatz reduziert, der durch spezielle Rechenoperationen eine Aufsummierung der detektierten Stoffe in gröberen Massen- und Retentionszeitfenstern vornahm. Erst so konnte das neuronale Netz effektiv trainiert werden, um Anomalien zu finden.Das Vorgehen war erfolgreich. Bei einer im April 2021 entnommenen Probe zeigte sich zum Beispiel in einem der markierten Bins eine erhöhte Intensität des Antibiotikums Sulfamethoxazol. Der zeitliche Verlauf mit hohen und kurzzeitigen Spitzen deutete auf eine industrielle Emission hin. Unter Einbezug der Daten aus anderen Laboren konnte die örtliche Verteilung sichtbar gemacht und die Quelle auf einen Donauzufluss eingegrenzt werden. Dies führte schließlich zu einem Emittenten. Auf die Kontamination hingewiesen, stoppte er die Einleitung stark belasteter Prozessabwässer.<figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1581&amp;md5=bf521a22538a97fe687b74e03128571fe2f4e6f0&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1581\u0026md5=bf521a22538a97fe687b74e03128571fe2f4e6f0\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=614,height=600,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/Dsmkut6iQkmJDuy5CpmG" alt=""></a><figcaption>Abb: 3: Der Abgleich des Original-Musters der Massen- und Retentionszeit-Bins einer Donau-Probe (oben) mit dem via Autoencoder generierten Bild erzeugt einen Anomalie-Score (unten) und markiert Bereiche mit auffälligen Befunden (eingekreist). In einem markierten Bin (roter Stern) wurde das Antibiotikum Sulfamethoxazol entdeckt. (Bild: K2I)</figcaption></figure><h2>Deutschlandweites Anschlussprojekt</h2>Im Rahmen des Verbundprojektes K2I haben IT-Experten und Chemiker gemeinsam einen Demonstrator entwickelt, der NTS-Daten in der Cloud herstellerunabhängig über örtlich verteilte Labore auswertet. Die Wasserversorger Bodenseewasserversorgung, Hamburg Wasser und Hessenwasser sowie die Westfälische Wasser- und Umweltanalytik haben das Projekt mit NTS-Analysen unterstützt. Schon mit den in K2I erhobenen Daten wurden, wie oben am Beispiel der Sulfamethoxazol-Einleitung beschrieben, industrielle Emissionen aufgedeckt und konkrete Maßnahmen für den Gewässerschutz eingeleitet.Ein ebenfalls deutschlandweites Anschlussprojekt soll die Cloud-Lösung nun weiter forcieren. Unter der Beteiligung von noch mehr Laboren und mit zusätzlichen Analysedaten lassen sich robustere KI-Modelle entwickeln, die weitergehende Aussagen erlauben. Außerdem soll die Standardisierung in der NTS-Analytik vorangetrieben werden, um das Zusammenführen der Daten aus den verschiedenen Laboren und somit die Datenqualität zu verbessern.Autorinnen und AutorenTobias Bader und Rudi Winzenbacher Landeswasserversorgung, LangenauViktoria Pauw und Mohamad Hayek Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, GarchingUwe Müller DVGW Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe<hr class="ce-div">Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in analytica pro, dem dem offiziellen Messe-Magazin zur Analytica 2024.  Herausgeber: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. in Zusammenarbeit mit der Messe München GmbH (<a href="https://analytica.de/de/muenchen/besuchen-lohnt-sich/" target="_blank">Download auf dieser Seite</a>)

Gewässeranalytik: Spurenstoff-Tracking mit KI

Das Angebot an Cannabis-Produkten und die Zahl der Konsumenten haben in den vergangenen Jahren zugenommen. Ein Gespräch mit Prof. Dr. Volker Auwärter, Laborleiter Forensische Toxikologie am Universitätsklinikum Freiburg und Präsident der Gesellschaft für Toxikologische und Forensische Chemie, über die Analytik von Cannabinoiden, Drug Checking und die speziellen Gefahren von psychoaktiven Süßigkeiten. Das Gespräch führte Dr. Uta Neubauer.<h3>Analytica Pro: Welche Art von Proben untersucht Ihr Labor auf Phytocannabinoide, also auf Wirkstoffe aus der Hanfpflanze?</h3><figure><a href="/index.php?eID=tx_cms_showpic&amp;file=1575&amp;md5=3f9e5a545cc90b823e832344bd8eec988517ff2d&amp;parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw&amp;parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi&amp;parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2&amp;parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk&amp;parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln&amp;parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi&amp;parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo&amp;parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7&amp;parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D" onclick="openPic('\/index.php?eID=tx_cms_showpic\u0026file=1575\u0026md5=3f9e5a545cc90b823e832344bd8eec988517ff2d\u0026parameters%5B0%5D=YTo1OntzOjU6IndpZHRoIjtzOjQ6IjgwMG0iO3M6NjoiaGVpZ2h0IjtzOjQ6IjYw\u0026parameters%5B1%5D=MG0iO3M6NzoiYm9keVRhZyI7czo0MToiPGJvZHkgc3R5bGU9Im1hcmdpbjowOyBi\u0026parameters%5B2%5D=YWNrZ3JvdW5kOiNmZmY7Ij4iO3M6NDoid3JhcCI7czozNzoiPGEgaHJlZj0iamF2\u0026parameters%5B3%5D=YXNjcmlwdDpjbG9zZSgpOyI%2BIHwgPC9hPiI7czo0OiJjcm9wIjtzOjI4OToieyJk\u0026parameters%5B4%5D=ZWZhdWx0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B5%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B6%5D=dGFibGV0Ijp7ImNyb3BBcmVhIjp7IngiOjAsInkiOjAsIndpZHRoIjoxLCJoZWln\u0026parameters%5B7%5D=aHQiOjF9LCJzZWxlY3RlZFJhdGlvIjoiTmFOIiwiZm9jdXNBcmVhIjpudWxsfSwi\u0026parameters%5B8%5D=cGhvbmUiOnsiY3JvcEFyZWEiOnsieCI6MCwieSI6MCwid2lkdGgiOjEsImhlaWdo\u0026parameters%5B9%5D=dCI6MX0sInNlbGVjdGVkUmF0aW8iOiJOYU4iLCJmb2N1c0FyZWEiOm51bGx9fSI7\u0026parameters%5B10%5D=fQ%3D%3D','thePicture','width=489,height=600,status=0,menubar=0'); return false;" target="thePicture"><img src="https://media.graphassets.com/aCcFlpzCTvGXMl8wCxN3" alt=""></a><figcaption>Spezialist für die Analytik von Cannabinoiden: Volker Auwärter von der Uniklinik Freiburg. (Foto: Universitätsklinikum Freiburg)</figcaption></figure>Volker Auwärter: Der Standard seit Jahrzehnten bei uns ist die Bestimmung von Tetrahydrocannabinol (THC) und den Metaboliten Hydroxy-THC und THC-Carbonsäure in Blutproben, die meist aus Verkehrskontrollen stammen. Wir bekommen außerdem Einsendungen vom Zoll und manchmal auch von Privatpersonen, die wissen möchten, welche Wirkstoffe in ihrem Cannabis-Material enthalten sind. Das ist eine Art Drug Checking. Da geht es um Fragen nach der Qualität und nach Beimengungen wie HHC.<h3>HHC steht für Hexahydrocannabinol. Die Substanz kommt in geringen Mengen in der Hanfpflanze vor, wird aber größtenteils synthetisch hergestellt. In welcher Form ist sie auf dem Markt?</h3>Es gibt Cannabisblüten, aus denen THC extrahiert und dann durch chemische Modifizierung in HHC umgewandelt wurde. Das geschieht – ähnlich wie bei der Herstellung von Margarine aus ungesättigten Fetten – durch katalytische Hydrierung, also durch Addition von Wasserstoff an eine Doppelbindung. Anschließend wird die Substanz wieder auf das Pflanzen­material gesprüht, teils sogar mit den entsprechenden Terpenmischungen, damit es nach Cannabis riecht. Der Trick dabei ist, dass THC in Deutschland unter das Betäubungsmittelgesetz fällt, HHC aber nicht. Das war quasi eine Vorwegnahme der Legalisierung.Das Angebot an HHC-haltigen Produkten, vor allem in Form von Pens ähnlich den elektronischen Zigaretten, hat in vergangener Zeit aber auch deutlich zugenommen. Daneben gibt es im Internet ein breites Angebot an Gummibärchen, Keksen und anderen essbaren Produkten mit HHC.<figure><img src="https://media.graphassets.com/px4pToATSMqEXtPzmb5H" alt=""><figcaption>Hanfpflanze (Foto: NickyPe, Pixabay)</figcaption></figure><h3>Mit welchen Methoden lassen sich Cannabinoide am besten bestimmen?</h3>In erster Linie mit Gaschromatographie (GC) und Massenspektrometrie (MS) oder auch Tandem-Massenspektrometrie. Die Gaschromatographie trennt die extrem lipophilen Substanzen besser auf als die Flüssigchromatographie. Beim THC-Nachweis haben wir HHC in die Methode integriert. Auch das als Pharmawirkstoff zugelassene Cannabidiol (CBD) sowie Cannabinol erfassen wir standardmäßig mit. Da ginge zwar noch mehr, aber uns interessieren primär die Substanzen, die als Betäubungsmittel gelten oder eine entsprechende Wirkung haben.<h3>Müssen Sie bei Proben wie Cannabisblüten, Gummibärchen und Keksen mit Matrixeffekten rechnen?</h3>Bei Pflanzenmaterial oder auch Harzen haben wir eigentlich keine Probleme mit Matrixeffekten, weil der Wirkstoffanteil relativ hoch ist und keine großen Lipidmengen vorhanden sind. Aber Gummibärchen sind nicht ganz ohne. Ebenfalls schwierig wird es, wenn die Matrix extrem fettreich ist. Dann müssen die stark lipophilen Stoffe abgetrennt werden. Da gibt es entsprechende Protokolle aus der Nahrungsmittelanalytik. Außerdem sind für die Quantifizierung der gängigen Phytocannabinoide isotopenmarkierte Standards erhältlich. Für HHC gibt es zwar noch keine, aber wir beziehen wir uns hier auf den THC-Standard, der eine ähnliche Retentionszeit besitzt. Das funktioniert ganz gut.<h3>In Deutschland dürfen Cannabisblüten seit 2017 in bestimmten Fällen medizinisch verwendet werden. Wie lässt sich bei einer Kontrolle feststellen, ob jemand Cannabis aus medizinischen Gründen konsumiert?</h3>Bei Pflanzenmaterial kann man prüfen, ob das Cannabinoid-Profil mit den Spezifikationen übereinstimmt oder nicht. Die Gehalte müssen innerhalb bestimmter Bandbreiten liegen. Es gibt auch Medizinalcannabis, das höhere CBD-Anteile besitzt. Wenn jemand so eine Sorte verschrieben bekommen hat, dann muss sich auch CBD in entsprechenden Mengen in seiner Blutprobe finden.<h3>Handelt es sich bei den Humanproben, die Sie untersuchen, immer um Blut?</h3>Wir messen auch Urinproben. Da schauen wir allerdings dann nur auf die THC-Carbonsäure beziehungsweise deren Glucuronid, die als Metaboliten ausgeschieden werden. Wenn wir diese Substanzen in einer Urinprobe finden, ist klar, dass derjenige, der die Probe abgegeben hat, im Vorfeld THC aufgenommen hat. Das spielt unter anderem in der Abstinenzkontrolle eine Rolle, beispielsweise bei Bewährungsauflagen.<h3>Entdecken Sie in Ihren Analysen auch neue Cannabinoide?</h3>Ja. In der GC-MS-Übersichtsanalyse können wir sowohl die Retentionszeiten als auch die Massenspektren bestimmten Phytocannabinoiden zuordnen. Und wenn nicht identifizierbare Signale erscheinen, schauen wir uns diese Kandidaten genauer an. Mittlerweile traten mehrere 100 verschiedene synthetische Cannabinoide auf. Wir sind immer hinterher, die neuesten Wirkstoffe schnell zu identifizieren, um sie auch in biologischen Proben nachweisen zu können. Mit dem Thema beschäftigt sich bei uns seit 15 Jahren immer mindestens ein Doktorand.<h3>HHC lässt sich relativ einfach aus THC herstellen. Andere Strukturveränderungen sind ebenfalls schnell gemacht. Mit welchen Gesundheitsrisiken sind derartige Modifizierungen verbunden?</h3>Jede Änderung kann ungeahnte Dinge nach sich ziehen, auch toxische Effekte. Beim HHC gibt es darauf bisher keine Hinweise, obwohl die Substanz schon in größerem Umfang konsumiert wird. Noch offen ist, ob der Konsum zu Langzeitschäden führt. Problematisch sind aber die essbaren Produkte wie Gummibärchen. In den USA und Kanada, wo solche Erzeugnisse verkauft werden, kommt es zunehmend zu Vergiftungen bei Kindern. In der Regel klingt die Wirkung zwar innerhalb einiger Stunden wieder ab, aber das Kind durchlebt Zustände, mit denen es überhaupt nichts anfangen kann. Die Erfahrung kann traumatisierend sein. Auch deswegen sollen solche Produkte in Deutschland vorerst verboten bleiben.<h3>Wie stehen Sie zu der Legalisierung von Cannabis?</h3>Ich habe eine klare Meinung, die sicher nicht alle Kollegen im Fach teilen. Die Verbotspolitik ist aus meiner Sicht gescheitert. Sie hat über die Jahrzehnte deutlich mehr Nachteile als Vorteile gebracht. Es ist ja mitnichten so, dass die Kriminalisierung den Konsum und die Folgeschäden eingedämmt hätte – wir haben aktuell die höchsten Konsumentenzahlen seit langer Zeit.<h3>Worüber sprechen Sie auf der Analytica Conference?</h3>In meinem Vortrag geht es vor allem um die Frage, welche Rolle HHC schon im Straßenverkehr spielt. Wir schauen gerade in einem Kollektiv an Proben aus Straßenverkehrskontrollen, ob HHC vorhanden ist. Das ist natürlich keine repräsentative Erhebung, aber wenn wir vermehrt HHC sehen, dürfte in der Bevölkerung wohl ein gewisser Anstieg im Konsum vorliegen.Hinweis: Der Vortrag fand auf der Analytica Conference am 10. April 2024 um 14.00 Uhr im ICM, Messe München statt.<hr class="ce-div">Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in analytica pro, dem dem offiziellen Messe-Magazin zur Analytica 2024.  Herausgeber: Gesellschaft Deutscher Chemiiker e.V. in Zusammenarbeit mit der Messe München GmbH (<a href="https://analytica.de/de/muenchen/besuchen-lohnt-sich/" target="_blank">Download auf dieser Seite</a>)Weiterer Beitrag zum Thema: <a href="https://faszinationchemie.de/chemie-ueberall/news/was-ist-eigentlich-cannabis-thc-und-cbd/" target="_blank">Was ist eigentlich… Cannabis, THC und CBD?</a>Titelbild oben: AI Visual Vault/Adobe Stock (KI generiert)

Kategorie

Faszination Chemie

Faszination Chemie

Sommerspecial: Die siebenfarbige Erde auf Mauritius

Faszination Chemie

Meerwasserentsalzung: Trinkwasser für Menschen am Persischen Golf

Faszination Chemie

Kupfer: glänzend, bunt und lebenswichtig

Faszination Chemie

Die Belastungsgrenzen unserer Erde

Faszination Chemie

Gewässeranalytik: Spurenstoff-Tracking mit KI

Faszination Chemie

Cannabinoid-Analytik: „Gummi-Bärchen sind nicht ohne“