Die Belastung von Umwelt und Organismen durch Mikroplastik gilt als eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit. Die winzig kleinen Kunststoffpartikel können in lebenden Organismen Entzündungen und oxidativen Stress verursachen. Bisherige Verfahren zur Entfernung dieser Partikel beruhen häufig auf stationären Filtersystemen, deren Einsatz mit hohem Kosten- und Energieaufwand verbunden ist.
Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Sebastian Polarz am Institut für Anorganische Chemie (ACI) der LUH hat nun ein intelligentes Material entwickelt, das neue Wege in der Umweltsanierung eröffnet: ein Hydrogel, das wie ein selbstregulierendes Shuttle Mikroplastik aufnimmt, an die Wasseroberfläche transportiert und dort unter Lichteinwirkung abbaut – und das in einem wiederholbaren, autonomen Zyklus.
Ein Schwimmkörper mit Köpfchen
Das Grundprinzip ist einfach. Das Hydrogel wird in das verunreinigte Wasser gegeben, sinkt zu Boden, sammelt dort die Mikroplastik-Partikel ein und steigt wie ein Shuttle wieder nach oben an die Wasseroberfläche. Dort werden die Kunststoffteilchen – unter anderem durch die Einwirkung der Sonne – zersetzt. „Im Idealfall wären nur noch Wasser und CO2 übrig“, sagt Dr. Dennis Kollofrath vom ACI, Erstautor der Studie. Bislang ist das Gel ein Prototyp, die ersten Tests im Labormaßstab seien jedoch vielversprechend.
Das neu entwickelte Shuttle-Gel vereint ein thermoresponsives Polymer, poröse Organosilikatpartikel und einen Photokatalysator. Bei niedrigen Temperaturen am Gewässerboden quillt das Polymer auf und nimmt Mikroplastik sowie Glukose, die in geringen Konzentrationen in Gewässern vorhanden ist, auf. Ein eingebettetes Enzym wandelt die Glukose in Sauerstoff um, der in den Poren gespeichert wird und dem Gel Auftrieb verleiht. Wird genug Gas gebildet, steigt es an die Oberfläche. „Das funktioniert ein bisschen wie bei einem Heißluftballon unter Wasser“, erklärt Kollofrath. An der Oberfläche erwärmt sich das Hydrogel, schrumpft und gibt die Gasblasen wieder frei – der Auftrieb verschwindet, und das Gel sinkt ab. Gleichzeitig produziert der Photokatalysator unter Lichteinwirkung reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die das Mikroplastik zersetzen. Durch diesen selbsttätigen Wechsel zwischen Auf- und Abstieg reinigt das Gel das Wasser kontinuierlich.
Ein flexibles Werkzeug für die Umwelttechnik
„Unser System vereint mehrere Funktionen in einem einzigen Material: ein autonomes Antriebsystem sowie die Aufnahme und gezielte Zersetzung von Schadstoffen – und das alles ohne externe Steuerung“, erklärt Kollofrath. In der aktuellen Studie wurde stellvertretend die Zersetzung von Polystyrol untersucht. Besonders hervorzuheben sei die hohe Anpassungsfähigkeit des Konzepts: Die eingesetzten Nanopartikel lassen sich prinzipiell so verändern, dass sich auch andere Schadstoffe – wie Polyethylen oder PET – gezielt entfernen lassen.
