In einer neuen University of Illinois Urbana-Champaign Studie zeigen Forscher, wie ein einfaches System mit Holzspänen und ein wenig verklärtem Sägemehl Stickstoff, Phosphor und mehrere gängige Medikamente im Abwasser drastisch reduzieren kann.
„Selbst in geringen Konzentrationen können Arzneimittel und Körperpflegeprodukte (PPCPs) die Wasserqualität beeinträchtigen, Ökosysteme stören, Antibiotikaresistenzen fördern und zur Bioakkumulation in der Tierwelt führen. Während Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sichtbare Probleme wie schädliche Algenblüten verursachen, stellen PPCPs potenzielle Risiken dar, insbesondere bei langfristiger Exposition anfälliger Bevölkerungsgruppen. Beide Probleme unterstreichen die Notwendigkeit eines besseren Abwassermanagements“, sagte Studienautor Hongxu Zhou, der diese Studie als Doktorand im Department of Agricultural and Biological Engineering (ABE) durchführte, Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences und The Grainger College of Engineering an der U. of I.
Zhou und seine Mitarbeiter wussten, dass Holzschnitzel-Bioreaktoren – mit Holzschnitzeln gefüllte Tanks oder Gräben, durch die Wasser fließt – überschüssigen Stickstoff im Wasser effizient entfernen. Dies ist den Mikroben zu verdanken, die in und auf den Holzspänen leben; sie „fressen“ Nitrat und verwandeln es in harmloses Stickstoffgas. Das Team entwickelte eine neuartige Designer-Biokohle – in diesem Fall Sägemehl, das mit Kalkschlamm vorbehandelt und dann langsam zu einem holzkohleähnlichen Material verbrannt wurde – die Phosphor und bestimmte PPCPs binden kann. Die große Oberfläche und die Zusammensetzung der Designer-Biokohle bewirken, dass chemische Verbindungen haften bleiben und nicht mehr losgelassen werden.
Mit diesen Prinzipien im Hinterkopf versuchten die Forscher im Labor einen „Behandlung-Zug“-Ansatz, um zu sehen, wie gut die beiden Behandlungen zusammen funktionierten. Sie entnahmen Wasser aus einem örtlichen Bach und versetzten es mit Stickstoff, Phosphor, Ibuprofen, Naproxen, dem Diabetes-Medikament Sitagliptin und einem Östrogenderivat. Dieses Wasser wurde in kleine Bioreaktoren mit Holzspänen geleitet und floss dann „stromabwärts“ durch mit Biokohle gefüllte Rohre. Am anderen Ende des Systems, das sie B2 (Bioreaktor-Biokohle) nannten, maßen die Forscher die verbleibenden Verbindungen im Wasser.
„Im Durchschnitt entfernte das B2-System 77 % des Nitrats, 99 % des Phosphors und etwa 70 % des Ibuprofens, 74 % des Naproxens, 91 % des Sitagliptins und 97 % des Estrons,“, sagte der Mitautor der Studie, Wei Zheng, leitender Forschungswissenschaftler am Illinois Sustainable Technology Center (ISTC), das zum Prairie Research Institute der U. of I. „Die Biokohle wirkte wie Aktivkohle und entfernte effizient Arzneimittelrückstände aus dem kontaminierten Wasser.“
Die Ergebnisse variierten ein wenig, als das Forschungsteam die Geschwindigkeit änderte, mit der das Wasser durch das System floss, wobei langsamere Geschwindigkeiten zu einer größeren Stickstoffentfernung führten. Sie testeten auch die Rolle des Biokohleformats – Granulat oder Pellets – und fanden heraus, dass das Granulat mehr Arzneimittel und Phosphor aufnahm.
Da Mikroben für die Stickstoffentfernung in Holzschnitzel-Bioreaktoren verantwortlich sind, fragten sich die Forscher, ob die Arzneimittel die mikrobielle Gemeinschaft beeinflussen könnten. Sie stellten Veränderungen in der Häufigkeit bestimmter Bakteriengruppen fest, aber die Hauptfunktion der mikrobiellen Gemeinschaft war nicht beeinträchtigt.
„Für mich ist der spannendste Aspekt unserer Ergebnisse die Bestätigung, dass die Nitrat-Effizienz des Hackschnitzel-Bioreaktors trotz der Veränderungen in der mikrobiellen Zusammensetzung nicht durch PPCPs beeinträchtigt wird“, sagte Zhou. „Dies deutet darauf hin, dass das Bioreaktorsystem robust genug ist, um seine Leistung auch unter schwierigen Bedingungen aufrechtzuerhalten, was erhebliche Auswirkungen auf seine Anwendung in der realen Welt hat.
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