Umweltchemie und Ökotoxikologie sind relativ junge Wissenschaften, die die Chemie unter Umweltbedingungen, ihre Wirkungen auf Organismen und Ökosysteme und die damit verbundenen Stoffrisiken untersuchen. Daher ist es verständlich, dass Umweltbehörden auf neue Erkenntnisse in diesen Wissenschaftsdisziplinen angewiesen sind. Solche Forschungsergebnisse werden auf den gemeinsamen Jahrestagungen der Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) und des deutschsprachigen Zweigs der Society of Environmental Toxicology and Chemistry Europe vorgestellt. Gastgeber der 4. Jahrestagung dieser Art, Umwelt 2010, ist erstmals das Umweltbundesamt (UBA) in Dessau-Roßlau. Vom 6. bis 9. September 2010 wird dort unter dem Leitsatz „Von der Erkenntnis zur Entscheidung“ über Themen wie Bioverfügbarkeit und Risikobewertung von Chemikalien, Umweltanalytik und -monitoring, oder Kombinationswirkungen verschiedener Chemikalien gesprochen.

Zu einem der Hauptthemen der Tagung „Bioverfügbarkeit – Zusammenhang von Fate und Effekt“ stellt Dr. Werner Kördel vom Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Schmallenberg eine Literaturstudie vor, die vom UBA vergeben wurde. Ziel war es, die Beurteilung von anorganischen und organischen Schadstoffen in Böden zu verbessern, indem man ihre Bioverfügbarkeit mit einbezieht. Die Ergebnisse sollen in die behördliche Bodenbewertung einbezogen werden. Ein gutes Beispiel, wie man von der Erkenntnis zur Entscheidung gelangen kann!

Kerstin Derz vom Fraunhofer Institut in Schmallenberg wird in Dessau die Ergebnisse dieser Studie für den Transferpfad von Schadstoffen vom Boden in Mikroorganismen vertiefen, der Aussagen über die Abbaubarkeit der Stoffe macht. Außerdem wird sie Hinweise auf geeignete Verfahren geben, mit denen die Bioverfügbarkeit von Schadstoffen, beispielsweise aus Altlastenverdachtsflächen, erfasst werden kann.

Auch die biologische Abbaubarkeit von Pharmazeutika und deren Auswirkungen auf Mikroorganismen im Boden und in Wasser sind Thema in Dessau. Cristobal Giradi vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung, Abteilung Umweltbiotechnologie in Leipzig, macht darauf aufmerksam, dass Erkenntnisse über die Bioabbaubarkeit von Chemikalien Schlüsselfaktoren für die Gefahren- und Risikoabschätzung sind. Viele Daten hat man für Gewässersysteme zusammengetragen, die Vorgänge im Boden sind weniger bekannt. Giradi stellt das am Beispiel der Arzneimittelwirkstoffe Ciprofloxacin und Ibuprofen dar.

Andreas Focks wird die Frage der Bioverfügbarkeit am Beispiel der Sulfonamide im Boden erörtern. Sulfonamide gehören zu den ältesten und am häufigsten verwendeten Antibiotikaklassen. Mikroorganismen formen sie chemisch um. Solche Transformationsprodukte lassen sich chemisch analysieren. Sie hinterlassen Spuren im Leben der Mikroorganismen.

Drei Plenarvorträge in Dessau sollen richtungsweisend sein, u. a. der von Dr. Utz Tillmann, Hauptgeschäftsführer des Verbands der Chemischen Industrie. Er spricht über „Produktsicherheit in der chemischen Industrie – von der Erkenntnis zur Entscheidung“; denn von der chemischen Industrie wird erwartet, dass ihre Produkte sicher für Mensch und Umwelt sind. Die Gesellschaft bringt die chemische Industrie immer wieder mit Risiken in Verbindung. Doch die Unternehmen dieser Branche bekennen sich zur Verantwortung und wollen mit ihren Produkten und Technologien wesentlich zum Gesundheits-, Umwelt- und Klimaschutz beitragen. Tillmann zeigt in seinem Vortrag Umfang und Ziel sowie die wichtigsten Grundsätze der Produktverantwortung der chemischen Industrie auf.

Einen Höhepunkt der Veranstaltung bildet am 8. September die Verleihung der Preise der beiden Fachgesellschaften. Der SETAC GLB Nachwuchs-Förderpreis 2010 für die beste Diplom/Magister- oder Masterarbeit wird verliehen an Rebecca Pierstorf für die Arbeit „Gefährdung von Heuschrecken durch Pflanzenschutzmitteln in Kulturlandschaften“ und für die beste Dissertation an Karen Tiede mit dem Titel „Detection and fate of engineered nanoparticles in aquatic systems“. Den mit 3.000 Euro dotierten Preis der GDCh-Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie 2010 für eine herausragende Publikation teilen sich in diesem Jahr Dr. Annekatrin Dreyer und Dr. Marianne Matzke. Beide Auszeichnungen basieren auf herausragenden Publikationen aus dem vergangenen Jahr. Frau Dreyer hat im Rahmen ihrer Promotion am Institut für Küstenforschung des GKSS-Forschungszentrums in Geesthacht von Forschungsschiffen aus den atmosphärischen Transport von per- und polyfluorierten Substanzen untersucht und den globalen Transport dieser Substanzen bis in entlegene Gebiete dokumentieren können. Frau Matzke hat während ihrer Promotion an der Universität Bremen einen wichtigen Beitrag zur Ermittlung der terrestrischen Toxizität von ionischen Flüssigkeiten geleistet. Dabei zeigten sich interessante Einflüsse der Bodenzusammensetzung auf die ökotoxikologischen Effekte dieser Substanzen.

Die Gesellschaft Deutscher Chemiker gehört mit rund 30.000 Mitgliedern zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Sie hat 26 Fachgruppen und Sektionen, darunter die Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie mit über 800 Mitgliedern. Anliegen dieser Fachgruppe ist u.a., alle an Umweltchemie und Ökotoxikologie interessierten Wissenschaftler und Praktiker zusammenzuführen und somit das gesamte Wissensgebiet voranzubringen. Die Fachgruppe will helfen, Kenntnislücken auszufüllen über Eintrag, Verteilung, Umwandlung und Verbleib von chemischen Stoffen in der Umwelt und über die Einwirkungen von Stoffen auf Lebewesen und Lebensräume.

Weitere Informationen:
http://www.gdch.de
Dr. Renate Hoer, Abteilung Öffentlichkeitsarbeit
Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Beim Belebungsverfahren beeinflussen sich der mikrobielle Prozess der Nitrifikation und das Kohlensäuresystem wechselseitig über den pH-Wert. Bei der Nitrifikation entstehen Säuren. Diese senken, wenn sie nicht abgepuffert werden, den pH-Wert. Ein niedriger pH-Wert hemmt wiederum die Nitrifikation. An der Pufferung der entstehenden Säuren hat das Gleichgewichtssystem der Kohlensäure einen entscheidenden Anteil. Es ist das bedeutendste Puffersystem im aquatischen Milieu. Da die Bestandteile des Kohlensäuresystems und der pH-Wert sich wechselseitig beeinflussen, besteht über den pH-Wert ein direkter Zusammenhang zur Nitrifikation.

Für eine stabile Nitrifikation fordern einschlägige Bemessungsgrundlagen leicht alkalische pH-Werte und eine Mindestkonzentration an Säurekapazität von 1,5 mmol/l. Neuere Untersuchungen zeigen, dass es auch bei Säurekapazitäten größer 4 mmol/l zu einem Anlösen der Belebtschlammflocken und zu Störungen der biologischen Stoffwechselprozesse kommen kann, falls der Anteil an überschüssiger freier Kohlensäure entsprechend hoch und der pH-Wert niedrig ist. Das heißt, dass hier Wechselwirkungen zwischen dem Kohlensäuresystem und der Mikrobiologie bestehen, die bislang wenig beachtet werden, jedoch bei der Nitrifikation in pufferschwachem Abwasser von entscheidender Bedeutung sind. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss des pH-Werts auf den mikrobiellen Prozess der Nitrifikation unter Beachtung der wechselseitigen Wirkung durch das Kohlensäuresystem zu untersuchen. An einer Belebungsanlage im Aufstauverfahren wurden hierzu halbtechnische Untersuchungen mit gezielter Anhebung der Säurekapazität pufferschwachen Abwassers durchgeführt.

Die kontinuierliche Messung der einflussnehmenden Parameter war Voraussetzung für die Auswertungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen. Darüber hinaus konnten weitere Fragestellungen hinsichtlich den Absetzeigenschaften und der Flockenstruktur des belebten Schlamms geklärt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für Regionen mit pufferschwachem Wasser bedeutsam, wie es im Urgestein und im Dünenwasser an den Küsten vorkommt, sondern auch hinsichtlich der Auswirkungen verschiedener Optimierungsprozesse in der Betriebsführung kommunaler Kläranlagen. Durch tiefere Belebungsbecken, effizientere Belüftungssysteme oder den Einsatz von Metallsalzen als Fällmittel werden das Kohlensäuresystem und der pH-Wert negativ beeinflusst.

Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen die Erkenntnisse, dass bei sinkendem pH-Wert auch die Umsatzgeschwindigkeit der Nitrifikation zurückgeht. Es zeigte sich, dass die Beeinträchtigung der Umsatzgeschwindigkeit infolge des pH-Werts auch von der Pufferungsintensität abhängt. Sie ist umso stärker, je geringer der pH-Wert und je geringer die Pufferungsintensität sind. Zur Beurteilung der Schädigung der Belebtschlammflocken bei einer Säurekapazität größer als 1,5 mmol/l erweist sich der Sättigungsindex als geeignet. Er ist ein Maß für die Einhaltung des Kalk- Kohlensäure-Gleichgewichtes.

Für die Anwendung im Bereich der kommunalen Abwasserreinigung wurden vereinfachte Berechnungsgrundlagen abgeleitet. Eine mögliche Absenkung des pHWerts und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Nitrifikation kanndurch eine entsprechende Erhöhung des dimensionslosen Sicherheitsfaktors bei der Berechnung des erforderlichen Bemessungsschlammalters berücksichtigt werden. Dieser ist von der Pufferungsintensität abhängig. Alternativ können auch Maßnahmen ergriffen werden, die ein Absinken des pH-Werts verhindern, wie beispielsweise die Zugabe von Alkalien. Halbtechnische Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf die Nitrifikation beim Belebungsverfahren in Abhängigkeit des Kohlensäuresystems…

Dissertation von Falk Schönherr

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. F. Wolfgang
Günthert (Universität der Bundeswehr
München) und Prof. Dr.-Ing. Matthias
Barjenbruch (TU Berlin).

Die Dissertation
ist erschienen als Heft 101 der Reihe
Mitteilungen des Instituts für Wasserwesen,
Shaker-Verlag, Aachen
ISBN 978-3-8322-8888-4
1061

Der Experte für Siedlungswasserwirtschaft der Hochschule Biberach, Prof. Dr.-Ing. Helmut Kapp, hat sein aktuelles Forschungsprojekt bei der 3. Donaukonferenz in Brüssel vorstellen. Die Tagung Anfang Oktober (6. 10.2010) stand unter dem Titel „Future for the Danube Area“ und beschäftigte sich mit den verschiedenen Chancen und Herausforderungen der Umwelt- und insbesondere der Wasserpolitik im europäischen Donauraum.

Teilnehmer waren Vertreter aller an die Donau angrenzenden Länder und Regionen. Prof. Kapp stellte der Konferenz die Ergebnisse des Forschungsprojektes „Adsorptive Behandlung von Abwasser mit Aktivkohle zur Entnahme von Spurenstoffen“ vor, das er für das Institut für Geo und Umwelt der Hochschule Biberach in Zusammenarbeit mit dem Zweckverband Klärwerk Steinhäule, Ulm, und unterstützt durch das Ministerium für Umwelt, Natur und Verkehr Baden-Württemberg, sowie in einer zweiten Phase durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Projektträger Karlsruhe) bearbeitet hat. Dabei ist es ihm gelungen, durch den Zusatz von Aktivkohle Restverschmutzungen in Kläranlagenabläufen – z.B. Hormone oder Medikamentenrückstände – maßgeblich zu reduzieren. Diese zusätzliche Klärstufe wird derzeit in mehreren Kläranlagen in Baden-Württemberg erstellt, etwa bei der Stadt Mannheim, die als erste Kommune Deutschlands Aktivkohle im großtechnischen Maßstab zur gezielten Spurenstoffentnahme einsetzt.

Den Teilnehmern der 3. Donaukonferenz erläuterte Prof. Kapp die konkreten Möglichkeiten dieser zusätzlichen Klärstufe. Die Konferenz wurde organisiert durch die Vertretung des Landes Baden-Württemberg bei der Europäischen Union. Unter dem Titel „Umwelt – Environnement – Environment“ will die Vertretung Perspektiven für den europäischen Donauraum entwickeln, dabei stand die Wasserqualität der Donau im Mittelpunkt der Veranstaltung.
Die Landesvertretung Baden-Württemberg hat die Makro-Region Donaubecken zu einem Schwerpunkt ihrer Arbeit gemacht; die an die Donau angrenzenden Ländern sollen darin – als Teilraum der Europäischen Union – zusammen kommen und gemeinsame Themen und Ziele diskutieren. Baden-Württemberg sieht sich dabei als Initiator und wichtiger, treibender Motor einer gemeinsamen Donau-Strategie, zumal der Fluss Donau seinen Ursprung in Baden-Württemberg hat und von dort bis ins Schwarze Meer fließt. Baden-Württemberg unterhalte somit enge Verbindungen zu den Ländern des Donauraumes unterhält, so ein Sprecher der Landesvertretung.

Weitere Informationen:
http://www.hochschule-biberach.de

Anette Schober-Knitz
Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Hochschule Biberach

Zur Dialyse könnten sich bald Alternativen bieten: magnetische Nanopartikel. Sie bestehen aus einem magnetisierbaren Kern, meist aus Eisen oder Kobalt, den eine Schicht aus Graphit oder Kohlenwasserstoffverbindungen umgibt. Diese Schicht bindet Substanzen aus der Umgebung. Ein Magnet sammelt dann die beladenen Nanopartikel. Dieses und weitere Beispiele für die Anwendungen von magnetischen Nanopartikeln dokumentiert die Septemberausgabe der „Nachrichten aus der Chemie“.
Ist das Blut mit einem Schadstoff belastet, so wird es meist durch Dialyse gereinigt. Die Methode ist jedoch nicht für leichte Proteine geeignet und trennt neben dem Schadstoff oft auch nützliche Substanzen ab. Enthält die aktive Schicht des Nanopartikels einen passenden Antikörper, bindet dieser nur den gewünschten Schadstoff. Ein Magnet trennt dann die Partikel mit dem gebundenen Schadstoff vom Blut. Dabei bleibt das Blut unbeschädigt.

Magnetische Nanopartikel säubern auch Industrieabwässer, die mit Metallionen verunreinigt sind. Dabei absorbiert die aktive Schicht die Metallionen und anschließend entfernt ein Magnet die beladenen Nanopartikel. Das so behandelte Wasser erreicht Trinkwasserqualität.

Magnetische Nanopartikel verbinden sich mit Polymeren zu intelligenten Werkstoffen. Diese Materialien ändern ihre Eigenschaften beim Anlegen eines magnetischen Feldes: Sie kontrahieren und expandieren und zeigen damit ein Verhalten, das dem von Muskeln ähnelt.

Ein Autorenteam um Wendelin Stark von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich beschreibt, was mit magnetischen Nanopartikeln möglich ist. Die PDF-Datei des Beitrags gibt es bei der Redaktion der „Nachrichten aus der Chemie“ unter nachrichten@gdch.de.

Nahezu 80.000 anspruchsvolle Chemiker und Chemikerinnen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Lehre informieren sich mit den „Nachrichten aus der Chemie“ über Entwicklungen in der Chemie, in angrenzenden Wissenschaften sowie über gesellschaftliche und wirtschaftliche Aspekte. Kennzeichen der Zeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker sind das breite Spektrum der Berichte, das einmalige Informationsangebot an Personalien, Veranstaltungs- und Fortbildungsterminen sowie der große Stellenmarkt.

Weitere Informationen:
http://www.gdch.de/nachrichten „Nachrichten aus der Chemie“
http://www.gdch.de/taetigkeiten/nch/jg2010/h09_10.htm

Das Septemberheft der „Nachrichten aus der Chemie“
Abteilung Öffentlichkeitsarbeit
Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Das RWTH-Institut für Siedlungswasserwirtschaft sucht im Auftrag des Umweltministeriums NRW nach Möglichkeiten, die Wasserqualität zu verbessern

Im Durchschnitt verbraucht jeder Deutsche am Tag 127 Liter Wasser. Doch was so klar und frisch aus dem Hahn kommt, beinhaltet trotz aller Sorgfalt nicht selten Spurenstoffe von Arzneimitteln oder organische Industriechemikalien. Die Diskussion gewinnt aufgrund des demografischen Wandels mit immer mehr älteren Menschen in medizinischer Behandlung weiter an Gewicht. In dem vom Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW ausgeschriebenen europaweiten Ideenwettbewerb zum Gewässerschutz bildete daher die Eliminierung von Spurenstoffen einen Schwerpunkt. Bei der Ausschreibung konnte sich das Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) in Zusammenarbeit mit der Aachener Verfahrenstechnik gegen die Konkurrenz durchsetzen. Bei fünf der insgesamt neun geförderten Projekte sind die RWTH-Wissenschaftler federführend und sorgen zusätzlich als Koordinator für den Austausch unter den Projektteilnehmern.

Das Forschungsvorhaben zum Gewässerschutz findet in Zusammenarbeit mit 18 Partnern statt. Die Projekte haben alle das gleiche Ziel: die Reduktion von organischen Spurenstoffe und Arzneimitteln. Dabei werden unterschiedliche Ansatzpunkte im Labor, in Technikumsanlagen oder unter großtechnischen Einsatzbedingungen verfolgt. Die Wissenschaftler untersuchen unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten, wie Kläranlagen die Spurenstoffe im Wasser weitgehend reduzieren können.

Im Rahmen des Projekts MIKRORUHR werden in Recherchearbeit Daten über die industrielle Einleitung in die Ruhr erhoben. Der Fluss ist ein wichtiger Trinkwasserlieferant. Daher ist es besonders wichtig herauszufinden, wo Verunreinigungen stattfinden und in welcher Konzentration Spurenstoffe eingeleitet werden. Das Projekt MIKROIND nutzt in einem nächsten Schritt diese erhobenen Daten, um verfahrenstechnische Maßnahmen zur Schadstoffreduktion an geeigneter Stelle einzubringen.

Die „Advanced Oxidation Processes“ sind Versuchsgegenstand des MIKROLIGHT-Projekts. Bei diesen Verfahren werden die Spurenstoffe mittels kombinierter Verfahren, wie der UV-Bestrahlung und Ozonierung, eliminiert. Dass die Methode erfolgreich ist, wissen die Forscher bereits. Sie untersuchen nun, welche Kontaktzeiten und Konzentrationen der Oxidationsmittel mit dem Abwasser am effektivsten und dabei kostengünstig sind.

Das Projektteam MIKROMEM hat sich auf den Einsatz von Membranverfahren spezialisiert. An den Kläranlagen wird vor Ort geforscht, denn in NRW ist die Zahl der Membrankläranlagen so hoch, wie in keinem anderen Bundesland. Vereinfacht dargestellt funktioniert die Membran wie ein Kaffeefilter. Allerdings sind die eingesetzten Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen viel feiner, sodass auch Bakterien und Viren zurückgehalten werden können. Da viele der organischen Spurenstoffe noch kleiner sind als Viren, ist eine Nanofiltration mit einer noch feineren Membran nötig. Das Wasser kann den Filter passieren, während sich die zurückgehaltenen Spurenstoffe aufkonzentrieren. Auch für den Umgang mit diesen Rückständen suchen die Forscher nach ökonomischen Lösungen.

Mit der Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen durch die Verwendung von Aktivkohle beschäftigt sich die Projektgruppe MIKROFLOCK. Aktivkohle kann eine Vielzahl von Spurenstoffen gut adsorbieren. Das Team versucht nun herauszufinden, ob ein Granulat oder Pulver besser geeignet ist und welcher Einsatzort sich innerhalb der Kläranlage anbietet. Eine der Schwierigkeiten dieses Verfahrens besteht darin, dass die Kohle anschließend selbst wieder aus dem Wasser entfernt werden muss; dafür kommen zunächst nur Kläranlagen mit Sandfilter in Frage.

Die fünf beschriebenen Projekte werden in der ersten Phase, die zwölf Monate andauert, mit 1,9 Millionen Euro gefördert. Die Gesamtlaufzeit wird voraussichtlich zwischen 18 und 30 Monaten betragen. Insgesamt investiert das Umweltministerium NRW rund 6 Millionen Euro in die Forschung der Spurenelimination.

Das ISA ist darüber hinaus an drei weiteren Projekten dieses Forschungsschwerpunktes beteiligt. Dabei finden beispielsweise Untersuchungen in Schwerte statt. Die dortige Kläranlage verfügt über zwei verfahrenstechnisch vollständig trennbare Belebungsbeckenstraßen. Währen die eine Straße weiterhin konventionell betrieben wird, testen die Forscher in der zweiten Belebungsbeckenstraße den Einsatz von Ozon und Aktivkohle in Kombination. „Bei den Forschungsarbeiten zur Spurenstoffelimination können wir auf umfassende Erfahrungen aus zahlreichen Vorgängerprojekten wie beispielsweise die Untersuchung von Krankenhausabwässern zurückgreifen“, fasst Dr. David Montag, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des ISA, zusammen. „Das ermöglicht uns eine differenzierte Sichtweise für die komplexe Problematik.“

i.A. Kim-Laureen Döpke

Weitere Informationen:
Institut für Siedlungswasserwirtschaft
Dr.-Ing. David Montag
Telefon: +49 241 80 25215
E-Mail: montag@isa.rwth-aachen.de
Thomas von Salzen