Biologisch abbaubare Hydrogele können Mikroplastik aus Wasser entfernen
Bei Mikroplastik handelt es sich um kleine Kunststoffpartikel unter 5 mm. Sie werden für verschiedene Produkte, von Kosmetika bis hin zu Kleidung, verwendet und haben sich in der gesamten Umwelt ausgebreitet. Schätzungen zufolge gelangen jährlich 1,3 Millionen Tonnen Mikroplastik in die Ozeane(öffnet in neuem Fenster). Neben einer geringeren Nutzung von Mikroplastik sind auch Lösungen erforderlich, um den bereits in der Umwelt vorhandenen Kunststoff zu beseitigen. Aufgrund der geringen Größe ist er jedoch schwer zu entfernen, insbesondere aus der Kanalisation und dem Abwasser. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die üblichen synthetischen Filtrations- und/oder Koagulationsverfahren umweltschädlich sein können. Im Rahmen des über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts MICROPLASTINE wurden biologisch abbaubare Biopolymer-Hydrogele entwickelt, die eine umweltfreundliche Alternative darstellen. Diese Hydrogele fangen Verunreinigungen durch Mikroplastik ein und aggregieren sie, wodurch sie leicht aus dem Abwasser entfernt werden können. „Unsere biologisch abbaubaren Gelatine-Hydrogele konnten über 98 % der Mikroplastikverunreinigungen in einer Modellabwasserlösung und über 70 % in stark salzhaltigen Umgebungen, wie z. B. Meerwasser, auffangen und entfernen“, kommentiert Projektkoordinator Tim J. Wooster. Projektintern wurde demonstriert, dass eine breite Palette von Mikroplastikverunreinigungen eingefangen werden kann, darunter Polystyrol, Polymethacrylat und Polyethylen. Labortests bestätigten zudem die hohe biologische Abbaubarkeit der Biopolymer-Hydrogel-Partikel in See- und Meerwasser.
Hydrogele mit einzigartigen Eigenschaften
Biologisch abbaubare Gelatine-Hydrogele weisen von Natur aus eine positive Oberflächenladung auf, die negativ geladene Mikroplastikverunreinigungen an ihre Oberfläche ziehen kann. Je mehr Mikroplastikverunreinigungen an der Oberfläche des Hydrogels haften, desto schwerer wird es, wodurch es absinkt und sich am Boden des Abwassers absetzt, von wo es abgetrennt und entfernt werden kann. Juliette Behra, über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Postdoktorandin bei MICROPLASTINE, profitierte bei der Herstellung der biologisch abbaubaren Hydrogele für die Studie vom Fachwissen des Projektträgers Nestlé Research(öffnet in neuem Fenster) und dessen Wissen über natürliche Biopolymere. Die Mikrostruktur dieser Biopolymer-Hydrogele wurde mittels Rheologie(öffnet in neuem Fenster) und fortschrittlichen Lichtstreumethode analysiert, was zu einer Entdeckung darüber führte, wie sie ihre Mikrostruktur beim Abkühlen verändern. „Die Untersuchung der Hydrogelstruktur während der Physik(öffnet in neuem Fenster) (Synärese), wenn Flüssigkeiten aus dem Gel austreten, hat unser Verständnis dafür erweitert, wie sich in Hydrogelen Spannungen aufbauen, die zur Bildung robuster Strukturen beitragen“, fügt Behra hinzu.
Wenn Hydrogel auf Mikroplastik trifft
In Laborexperimenten wurde untersucht, wie die Biopolymer-Hydrogele mit Mikroplastikmustern unterschiedlicher Ladung interagieren, um zu ermitteln, wie sich die Bindung von Mikroplastik am besten optimieren lässt. Experimente zeigten, dass die Biopolymer-Hydrogele etwa 98,5 % der Verunreinigungen erfolgreich beseitigen konnten, wobei sich die Hydrogele leicht vom Boden der Abwasserbehälter entfernen ließen. Da die Ladung der Hydrogele pH-empfindlich ist, kann eingeschlossenes Mikroplastik durch eine Änderung des pH-Werts schnell freigesetzt werden, was bedeutet, dass die Hydrogel-Kügelchen nach der Entfernung aus der Abwasserquelle leicht regeneriert werden können. Die Fähigkeit dieser Biopolymer-Hydrogele, gealtertes Mikroplastik zu binden und freizusetzen, wurde dann ebenfalls erfolgreich erprobt. Schließlich wurde die biologische Abbaubarkeit der Biopolymer-Hydrogele im Labor in echtem Meer- und Seewasser getestet, wobei sich ein hohes Maß an biologischer Abbaubarkeit ergab. „Und, was besonders wichtig ist, erste Labortests haben ergeben, dass der Prozess zu über 80 % reversibel ist, was bedeutet, dass die Hydrogele potenziell für eine Wiederverwendung regeneriert werden könnten“, so Behra.
EU-Verpflichtungen zur Verringerung der Verschmutzung durch Mikroplastik werden unterstützt
Die Ergebnisse von MICROPLASTINE unterstützen EU-Verpflichtungen(öffnet in neuem Fenster) zur Verringerung der Menge an Mikroplastik in der Umwelt und zum Schutz der Meeres-, Tier- und Pflanzenwelt. „Es handelt sich um eine neue Technologie, die vielversprechende erste Laborergebnisse vorweist. Allerdings ist ein systematischer Ansatz erforderlich, um die potenziellen Herausforderungen bei der Hochskalierung und der Übertragung auf tatsächliche Abwasserbehandlungsanlagen zu bewältigen“, sagt Wooster. Daher bemüht sich das Team nun um weitere Investitionen und künftige Forschungskooperationen.
