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UV-Strahlung zur Neutralisierung von hormonellen Spurenstoffen

Durch Düngemittel, industrielle Abwässer, aber auch durch Haushaltsabwässer und die unsachgemäße Entsorgung von Medikamenten gelangen hormonelle Spurenstoffe ins Wasser. Solche endokrine Disruptoren (EDR), können schon in kleinsten Mengen den menschlichen Hormonhaushalt stören und stehen im Verdacht Krebs zu erregen. Bisher sind über 200 verschiedene EDR bekannt; sie stammen aus Kunststoffen, Weichmachern oder Arzneimitteln.

In den letzten Jahren rückten diese Stoffverbindungen verstärkt in den Fokus von Kommunen, Wissenschaftlern und Wasserversorgern. Ein Innovationsfondsprojekt aus dem Jahr 2009 entwickelte beispielsweise eine vereinfachte und kostengünstigere Nachweismethode für diese Stoffgruppe. Wissenschaftler des Instituts für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene der Universitätsklinik Freiburg erproben nun ein Verfahren, das die EDR mit UV-Strahlung neutralisiert. Die so gennante UV-Photolyse lockert die chemischen Bindungen der EDR-Komplexe, so dass diese mit Sauerstoff oxidieren und dabei ihre hormonelle Wirkung verlieren. Kläranlagen verwenden dieses Verfahren schon, um Abwässer zu desinfizieren. Über die Auswirkungen auf EDR ist jedoch noch wenig bekannt.

Zunächst erstellen die Wissenschaftler eine Übersicht der bekannten vorkommenden Stoffe im Wasser, u.a. mit Hilfe von Gewässerproben aus der Region. Anschließend simulieren Computermodelle die hormonelle Wirkung von Einzelsubstanzen. In einem Versuchsreaktor erproben die Forscher dann, wie diese Substanzen und ihre Gemische auf UV-Bestrahlung reagieren und untersuchen die Eigenschaften der dabei entstehenden Abbauprodukte. Mit dem Computermodell und Laborversuchen liefert das Projekt grundlegende Daten, die dabei helfen sollen, langfristig Richtwerte für hormonelle Spurenstoffe fest legen zu können und Verfahren zur Neutralisierung von EDR zu entwickeln.

Darstellung dreier wesentlicher Erkenntnisse aus dem Projekt

  • Es wurden zahlreiche östrogen-aktive Substanzen im Abwasser der Region FR mittels biologischem Screening-Verfahren detektiert. Eine konventionelle Klärung erreicht keine vollständige Elimination der Östrogenität. Eine Sandfiltration als 4. Reinigungsstufe reduzierte die östrogene Aktivität weiter.
  • Die Effizienz des UV-Abbaus ist neben der Bestrahlungsdauer stark von den Substanzen und deren Konzentrationen abhängig. Eine Zugabe von H2O2 kann nicht pauschal als vorteilhaft bewertet werden. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist als eher negativ einzustufen.
  • Die humane Telomerase wurde als möglicher, neuer Endpunkt endokriner Disruption identifiziert. Dies hat Implikationen für die menschliche Gesundheit aufgrund möglicher Einflüsse auf Zellalterung und Krebsentstehung. Die präliminären Ergebnisse sollten weiter untersucht werden.

Projektdaten

Projektnummer 2013-10
Projektart Forschung und Studien
Projektträger Uniklinik Freiburg, IUK
Laufzeit Mai 2013 bis Dezember 2016
Zuschuss 248.502

Ihre Ansprechpartner

Richard Tuth

Richard Tuth

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-29 84

E-Mail: richard.tuth@badenova.de

Michael  Artmann

Michael Artmann

Innovationsfonds Klima- & Wasserschutz

T: 0761-279-22 53

E-Mail: michael.artmann@badenova.de

Einblicke in weitere Förderprojekte:

Unterstützung der Hydrolyse durch aerobe Produktion von Enzymen unter Verwendung von Gärresten in einer Biogasanlage
Offenburg

Enzymvorstufe verbessert Biogasproduktion

Bei Energiepflanzen der zweiten Generation nutzt man zunehmend nicht nur Teile sondern die gesamte Pflanze. Dies bedeutet jedoch auch, dass zunehmend cellulosehaltige Substrate in die Biogasanlagen gelangen. Cellulose ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und besteht aus Kohlenhydraten, welche die Mikroorganismen nur schlecht oder schwer abbauen können. Die Forschung konzentriert sich deshalb darauf, diese Kohlenhydrate durch Hydrolyse – d.h. eine chemische Spaltung mit Wasser - besser zu zersetzen. Dafür kann man das Substrat beispielsweise mechanisch besser zerkleinern oder Druck und Temperatur in den Gärbehältern verändern. Die Hochschule Offenburg verfolgt einen dritten Weg: Sie setzt hydrolytisch wirkende Enzyme ein – ein Ansatz, der andernorts bereits erfolgreich erprobt wurde. Anstatt ständig neue Enzyme zuzusetzen, zielte man in Offenburg darauf, sie im Gärprozess selbst fortlaufend herzustellen. Dazu trennten die Forscher einen Nebenfermenter ab und füllten ihn mit einem Kultivierungsmedium aus einem Teil Gärrest sowie einem cellulosehaltigem Teilstrom. Der mineralstoffreiche Gärrest versorgt die enzymproduzierenden Pilze und Bakterien mit Nährstoffen, die Cellulose sorgt für die notwendige Stärke. Die Wärme aus dem Hauptfermenter sichert die notwendige Temperatur. Das nun enzymhaltige Gemisch fließt dann später wieder dem Hauptfermenter zu. Ziel des Projektes war es, Pilze und Bakterien zu identifizieren, die thermophil wachsen und besonders gut die gewünschten Enzyme produzieren. Anschließend entwickelten die Forscher Analyseparameter und optimieren die Zusammensetzung von Substrat und Kultivierungsmedium. Nach der Wirtschaftlichkeitsberechnung entwickelten sie dann ein Model um die Fermentationsstufe mit Enzymeinsatz vom Labor auf größere Anlagen zu übertragen. Das Offenburger Model bietet mehrere Vorteile für viele ähnliche Biogasanlagen in Deutschland: Die Ausbeute an Biogas steigt während gleichzeitig bisher ungenutzte cellulosehaltige Substrate zum Einsatz kommen können. Durch die Enzyme verbleibt das Substrat außerdem kürzer im Hauptfermenter. Weil der Gärrest als Kultivierungsmedium dient, können die Anlagenbesitzer außerdem ihre Lager verkleinern.

ReferNz
Freiburg

Rechenmodell zur Stickstoffprognose

Dass ein Übermaß an Düngemittel dem Grundwasser und dem Klima schadet, ist lange bekannt. Seit den 1970ern nutzen Landwirte den Nitratinformationsdienst NID, um abzuschätzen, wie viel Dünger sie für eine bestimmte Fläche brauchen. Basierend auf Durchschnittswerten aus Bodenproben, ist der NID jedoch nur beschränkt aussagekräftig. Inzwischen ermöglichen die Fortschritte im IT-Bereich exaktere Modelle und Prognosen. Durch Analysen im Wasserschutzgebiet Hausen erarbeitetete die Agentur für Nachhaltige Nutzung von Agrarland (ANNA) zusammen mit Badenova das Rechenmodell ‚RefereNz’. Damit ist es möglich, anhand der analysierten Referenzflächen in Echtzeit vorherzusagen, wie sich die Nitratwerte für eine bestimmte Landparzelle entwickeln. Die Landwirte gaben dafür in eine internetbasierte Plattform unter anderem ein, wie sie ihr Bodenstück bepflanzen, bearbeiten und düngen. Um die Situation zu analysieren, nutzte das System die Modellsoftware Expert-N, die simulierte, wie sich der Stickstoffhaushalt während eines ganzen Jahres entwickelte. Um den Landwirten zu helfen, sich schnell in dem neuen System zurechtzufinden, bezogen die Experten sie von Anfang an in das Projekt mit ein und veranstalteten zusammen mit Vertretern von Behörden, der Wasserwirtschaft und IT-Experten zwei Workshops. Obwohl das Modell zunächst nur für Mais entwickelt wurde, lässt es sich mit den entsprechenden Daten und Analysen leicht auf andere Kulturpflanzen übertragen. Indem es in Zukunft ermöglicht, bedarfsorientiert zu düngen, schützt RefereNz das Grundwasser und mindert Klimagase wie CO2, Lachgas oder Ammoniak, die beim Düngen entstehen.