Am Institut f\u00fcr Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universit\u00e4t Freiburg hat Sabine San\u00e9 auf der Basis ihrer Doktorarbeit ein Konzept entwickelt, wie Mikroschadstoffe im Abwasser abgebaut werden k\u00f6nnten und gleichzeitig das Abwasser als wertvolle Rohstoffquelle dienen k\u00f6nnte. Daf\u00fcr bekam sie als eine von vier Forscherinnen und Forschern den mit insgesamt 10.000 Euro dotierten Huber Technology Preis \u201eZukunft Wasser\u201c. Die Hauptrolle in ihrem Ansatz spielt ein Enzym, das vom Baum-Wei\u00dff\u00e4ulepilz Trametes versicolor abgesondert wird: die Laccase. Diese soll sowohl einen Schadstoffabbau erm\u00f6glichen als auch die Leistung einer Biobrennstoffzelle erh\u00f6hen.<\/p>\n
Schadstoffe im Abwasser sind unter anderem Schwermetalle, synthetische organische Stoffe, Viren und Bakterien. Liegt die Konzentration im Mikrogrammbereich pro Liter, spricht man von Mikroschadstoffen, deren Nachweisbarkeit besser geworden ist. \u201eDer Abbau von Mikroschadstoffen war bisher nicht im Gespr\u00e4ch, weil man erst jetzt mit neuen Technologien die M\u00f6glichkeit hat, sie nachzuweisen\u201c, erkl\u00e4rt Sabine San\u00e9, Doktorandin in der Abteilung Bioelektrochemische Systeme am Institut f\u00fcr Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universit\u00e4t Freiburg.<\/p>\n
Substanzen, die nicht durch Kl\u00e4ranlagen abgebaut werden, sind etwa Arzneimittelr\u00fcckst\u00e4nde aus Privathaushalten, zum Beispiel auch Hormone. \u201eDie Antibabypille wird von vielen Menschen genommen\u201c, so San\u00e9, \u201eein Teil davon wird \u00fcber den Urin wieder ausgeschieden.\u201c Auch Ibuprofen und Diclofenac sind synthetische Chemikalien, die nicht abgebaut werden, sondern im \u00d6kosystem bleiben und akkumulieren. Hinzu kommen Kontrastmittel f\u00fcr die R\u00f6ntgendiagnostik aus Krankenhausabw\u00e4ssern und Antibiotika aus der Massentierhaltung.<\/p>\n
Da sich die Stoffe nachweislich im aquatischen \u00d6kosystem anreichern, lohnt es, einen Blick darauf zu werfen und Grenzwerte festzulegen. Bekannt ist, dass beispielsweise Antidepressiva den Stoffwechsel und das Verhalten von Fischen beeinflussen: Leider macht es sie nicht fr\u00f6hlicher, sondern aggressiver. \u00d6strogene hingegen k\u00f6nnen Fische unfruchtbar machen.<\/p>\n
Ein Baumpilz k\u00f6nnte nun Abhilfe schaffen. Die Schmetterlingstramete (Trametes versicolor) geh\u00f6rt zur Familie der Stielporlingsverwandten und w\u00e4chst vorwiegend auf Rotbuchen Mitteleuropas. Sie zersetzt auch verbautes Holz und ist dabei in der Lage, Lignin abzubauen. Die Arbeit verrichtet die Laccase, ein Enzym, das gekoppelte Oxidationen aromatischer Substanzen mit der Reduktion von Sauerstoff unter Bildung von Wasser katalysiert. Es verf\u00fcgt \u00fcber eine au\u00dferordentliche Stabilit\u00e4t gegen\u00fcber h\u00f6heren Temperaturen und L\u00f6sungsmitteln. Seit ein paar Jahren wird der Baumpilz schon in der Forschung eingesetzt, wobei er \u00e4hnlich wie Bakterien kultiviert werden kann.<\/p>\n
Mithilfe des Pilzenzyms k\u00f6nnen Schadstoffe in ihre Bestandteile zerlegt werden. \u201eDie Laccase oxidiert die Mikroschadstoffe und ist dabei nicht w\u00e4hlerisch\u201c, sagt San\u00e9, \u201esie ist offen f\u00fcr Substrate, hat keine hohe Spezifit\u00e4t.\u201c Im Vergleich zur Abwasserreinigung mit Ozon oder Aktivkohle scheint der Pilz die clevere Alternative zu sein. Aktivkohle muss hergestellt und wieder entsorgt werden und die Ozonmethode ben\u00f6tigt viel Strom und geschultes Personal, da viele gef\u00e4hrliche Produkte entstehen. Dennoch: Wenn Laccase erst in Mikroorganismen exprimiert und dann isoliert wird, ist auch sie teuer in der Herstellung.<\/p>\n
Aus dem Grund kam die Biologin auf die Idee, das ganze Pilzgemisch einzusetzen, und stellte fest: \u201eWenn der Pilz auf einer fl\u00fcssigen Kultur seine N\u00e4hrstoffe bekommt, w\u00e4chst er darauf, wie Schimmel auf dem Apfelsaft.\u201c Offenbar scheidet Trametes dann nicht nur Laccase ab. \u201eUnsere Idee ist, dass er einen ganzen Enzymkomplex ins fl\u00fcssige Medium abgibt\u201c, erkl\u00e4rt sie, \u201eund den ungereinigten \u00dcberstand nimmt man zum Schadstoffabbau.\u201c<\/p>\n
Dies ist nur ein Teil des Konzeptes, f\u00fcr den die Doktorandin einen Preis der Huber Technology Stiftung 2014 zum Thema \u201eRessourcen und Energie aus Wasser\u201c erhalten hat. Der Preis wurde f\u00fcr eine energieeffiziente Abwasserreinigung ausgeschrieben, um junge Wissenschaftler zu motivieren, neue Wege im Sinne der Umwelt zu gehen. Der zweite Teil von San\u00e9s Konzept: Mit demselben Baumpilz l\u00e4sst sich au\u00dferdem die Leistung einer hybriden mikrobiell-enzymatischen Brennstoffzelle verbessern.<\/p>\n
In einer hybriden mikrobiell-enzymatischen Brennstoffzelle k\u00f6nnen die Mikroorganismen, die schon im Abwasser vorhanden sind, an die Anode anlagern und \u00fcbertragen auf sie Elektronen aus ihrem Stoffabbau. \u201eStatt mit Sauerstoff k\u00f6nnen die Bakterien mit der Anode atmen\u201c, verdeutlicht San\u00e9, \u201egleichzeitig verstoffwechseln sie den organischen Kohlenstoff im Abwasser \u2013 man muss ihnen nicht extra etwas geben.\u201c F\u00fcr einen Stromkreislauf m\u00fcssen die Elektronen zum anderen Pol, der Kathode, wandern. Hier sitzt die Laccase, die als Katalysator f\u00fcr die Elektronen\u00fcbertragung auf den Sauerstoff fungiert.<\/p>\n
Da die Laccase jedoch nur eine kurze Lebensdauer von etwa zwei Wochen hat, wird eine solche Brennstoffzelle bisher nur im Laborma\u00dfstab verwendet. Auch hier ist das Isolieren und Aufreinigen des Enzyms sehr aufwendig. Wieder war San\u00e9s Idee, diese Schritte zu \u00fcberspringen und gleich die \u201ekomplette Pilzsuppe zu nehmen, in der neben dem Enzym noch alles M\u00f6gliche drin ist”. Das Ergebnis: Die Brennstoffzelle lief genauso gut, wenn nicht noch ein wenig besser als mit aufgereinigtem Enzym. \u201eEs hat uns erstaunt, dass es so einfach funktioniert\u201c, gesteht die Forscherin. \u201eIn der Arbeit konnten wir zeigen, dass man die Lebensdauer der Kathode ganz entscheidend verl\u00e4ngern kann, indem man den Pilz\u00fcberstand immer wieder austauscht.\u201c So kam die Kathode auf eine Lebensdauer von vier Monaten und San\u00e9 hatte nicht das Gef\u00fchl, das Ende schon erreicht zu haben. \u201eDanach ist mir leider mein Reaktor ausgetrocknet\u201c, sagt sie.<\/p>\n
Ihre Vision ist eine Kombination von zwei Verfahren mit der Laccase: eine Pilzfarm im Abwasser, kombiniert mit einer Kl\u00e4ranlage – eine autarke Abwasseranlage, die schon ihre eigene Energie mitbringt und zudem noch Mikroschadstoffe entfernt. \u201eClever w\u00e4re, den Pilz direkt auf demselben Abwasser zu kultivieren, in dem die Brennstoffzelle ist und aus dem die Arzneimittel abgebaut werden\u201c, meint San\u00e9, \u201eman h\u00e4tte das Wasser gereinigt und obendrein Strom gewonnen.\u201c Das Konzept steht bereits, nun geht es an die Umsetzung.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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