Kontrastmittel in Wasserquellen finden und erfassen
Kontrastmittel werden bei medizinischen Bildgebungsverfahren wie Röntgen, Magnetresonanztomographie und Computertomographie eingesetzt. Sie verändern vorübergehend die Art und Weise, wie Diagnoseinstrumente mit dem Körper interagieren. Indem sie die erzeugten Bilder verbessern, ermöglichen sie eine präzisere klinische Beurteilung. Kontrastmittel werden jedoch als eines der persistentesten pharmazeutischen Kontaminanten(öffnet in neuem Fenster) eingestuft. Sie gelangen zwar nur in relativ geringen Konzentrationen in aquatische Ökosysteme, führen aber zu einer Anhäufung von toxischen Nebenprodukten, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Das Projekt REMEDI(öffnet in neuem Fenster), das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme finanziert wurde, brachte akademische und industrielle Partner zusammen, um die wachsende Herausforderung der pharmazeutischen Verschmutzung unserer Wassersysteme anzugehen.
Das Verhalten der Kontrastmittel verstehen
Der hohe Einsatz von Kontrastmitteln und ihre chemische Stabilität erschweren ihre Entfernung mit herkömmlichen Wasseraufbereitungsmethoden. Um wirksame Sanierungstechniken zu finden, untersuchte das REMEDI-Projektteam zunächst das Verhalten von Kontrastmitteln mittels einer Kombination aus Laborexperimenten und numerischer Modellierung. Ziel war es, die Mobilität und Retention von Kontrastmitteln in verschiedenen porösen Medien und natürlichen Wasserumgebungen zu bewerten – unter anderem in Seen, Quellen und Grundwasserbrunnen. „Unsere Arbeit hat gezeigt, dass Kontrastmittel sehr persistent sind und dass ihre Mobilität durch Wechselwirkungen mit der Wasserchemie und den physikalischen Eigenschaften von Sedimenten und porösen Materialien beeinflusst wird“, sagt Projektkoordinator Alberto Guadagnini. „Diese Erkenntnisse ermöglichten es uns, die Mechanismen zu verstehen, die den Transport, die Bindung und die Rückgewinnung von Kontrastmitteln in aquatischen Systemen steuern“, fügt Guadagnini hinzu.
Eine neue Klasse von Sanierungsmaterialien
Im nächsten Schritt wurden Materialien gesucht, die Kontrastmittel effektiv in Wasser binden. REMEDI testete zunächst Eisen(Fe)-haltige Nebenprodukte, die zwar anfangs vielversprechend erschienen, letztlich aber nicht die erwartete Leistung erbrachten. Der Schwerpunkt wurde dann auf die Entwicklung und Optimierung alternativer Adsorptionsmittel wie körnige Aktivkohle und modifizierte Tone verlagert. Diese Materialien, die aufgrund ihrer Stabilität, Selektivität und Anpassungsfähigkeit ausgewählt wurden, erwiesen sich als sehr wirksam bei der Erfassung von Kontrastmitteln. Darauf aufbauend wurde im Rahmen des Projekts eine Rückgewinnungsmethode auf der Grundlage von Filtration und Adsorption entwickelt. Dabei fließt kontaminiertes Wasser durch Filter mit reaktiven Materialien, die Kontrastmittel abfangen und sauberes Wasser durchfließen lassen. „Indem wir die Durchflussbedingungen, die Filtergeometrie und die Materialeigenschaften optimierten, konnten wir die Wechselwirkung zwischen den Kontrastmitteln und dem Adsorptionsmittel verbessern. Dadurch wird eine effizientere Entfernung und eine potenzielle Rückgewinnung der Kontrastmittel für die Wiederverwendung ermöglicht“, erklärt Projektleiter Giovanni Porta. Die Kontrastmittel können möglicherweise aus dem Sorptionsfilter zurückgewonnen werden, wodurch die Versorgung mit wichtigen pharmazeutischen Produkten sichergestellt wird, oder sie könnten für industrielle Anwendungen wiederverwendet werden. Dank dieser kreislauforientierten Nutzung wird der Abfall verringert und der Ressourcenverbrauch begrenzt.
Voraussetzungen für die praktische Anwendung schaffen
Durch die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierten Modellen und experimentellen Erkenntnissen wollte REMEDI die Basis schaffen, um die Ergebnisse in die Praxis umzusetzen. Das Projektteam hob die wichtigsten Überlegungen hervor, die für den Einsatz vor Ort von Bedeutung sind: Dazu gehören die komplexe Wasserzusammensetzung, niedrige Schadstoffgehalte, die hochselektive Materialien für eine effiziente Abscheidung und Rückgewinnung erfordern, sowie die langfristige Materialbeständigkeit. Darüber hinaus führte REMEDI eine Studie in medizinischen Zentren durch, um das Bewusstsein für Kontrastmittel-bedingte Umweltauswirkungen zu bewerten. Dabei kam zutage, dass der Wissensstand beim medizinischen Fachpersonal begrenzt war. Diese Beobachtung stellt eine große Chance dar: Die Sensibilisierung der medizinischen Fachwelt könnte den Einsatz proaktiver Maßnahmen in Ergänzung zur Technologie fördern, um die Auswirkungen von Kontrastmitteln in Wasserökosystemen zu verringern. Beispiele für solche Maßnahmen wären etwa die Sammlung von Urin nach der Untersuchung zur Bewertung der Kontrastmittel-Konzentrationen sowie fortschrittliche Verfahren für den Umgang mit Kontrastmitteln. Letztlich könnten die REMEDI-Erkenntnisse die Politik in Richtung fortschrittlicher Methoden für die Filtration und Schadstoffrückgewinnung sowie neuer Verwendungszwecke für Kontrastmittel lenken und damit nachhaltigere Praktiken sowohl im Gesundheitswesen als auch im Umweltbereich einleiten.
