Selbstheilendes "Wundermaterial" frisst CO2

Klimagas wird zielgerichtet genutzt, damit der innovative Stoff wächst und auch erstarkt

Ein Riss (oben) mit Kohlendioxid geschlossen (unten) (Grafik: mit.edu)

Cambridge (pte002/12.10.2018/06:05) – Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu und der University of California http://universityofcalifornia.edu haben ein neues Material entwickelt, dass Kohlendioxid in der Luft
anzapft, um zu wachsen, sich zu verstärken und sogar Risse zu
reparieren. Der Kunststoff, der sich als Konstruktions- und
Reparaturmaterial oder auch als Schutzhülle nutzen lässt, wandelt das
Klimagas kontinuierlich in den kohlenstoffbasierten Kunststoff um.

Gel setzt Prozess in Gang

Das neue Material ist eine gelartige Substanz, die einen chemischen
Prozess in Gang setzt, der der Umsetzung von Kohlendioxid in Pflanzen
ähnelt. Kombiniert mit Sonnenlicht, wandeln sie das Klimagas in Biomasse
um. Die Forscher stellen sich vor, daraus leichtgewichtige Paneele
herzustellen, die irgendwo eingebaut werden. Mit der Zeit verfestigt
sich das Material unter dem Einfluss von Sonnenlicht und durch die
Einlagerung von Kohlendioxid.

"Das ist ein völlig neues Konzept in der Materialwissenschaft", schwärmt
Michael Strano, Professor für Chemieingenieurswesen am MIT. Die
Entwicklung eines Materials, bei dessen Herstellung keine Energie
benötigt wird und das sogar noch Kohlendioxid aus der Atmosphäre
entfernt, habe ganz offensichtlich Vorteile für Umwelt und Klimaschutz.

Spinatblätter liefern Chloroplasten

Die Forscher setzen Chloroplasten aus Spinatblättern ein. Das sind
Organellen der Zellen von Grünalgen und höheren Pflanzen, die
Photosynthese betreiben. Diese Organellen fungieren als Katalysatoren,
die die Umwandlung von Kohlendioxid in Glukose in Gang setzen.
Normalerweise halten Chloroplasten nicht lange durch, nachdem sie
Pflanzen entnommen wurden. Strano und seinem Team gelang es aber, die
Funktionsfähigkeit der Chloroplasten über einen langen Zeitraum zu
erhalten. Wie das geht, ist natürlich ein Geheimnis.

Basismaterial ist ein Grundgerüst aus einem Polymer namens APMA,
Glukose, einem Enzym namens Glukose-Oxidase und eben Chloroplasten. Es
ist eine Art Gel, also für Konstruktionen noch nicht geeignet, obwohl es
mit der Zeit durch den Einfang von Kohlendioxid-Molekülen fester wird.
Als Füllmaterial, ähnlich einer Spachtelmasse für Wände sowie als
Schutzhülle für wertvolle Geräte sei es jedoch schon geeignet. Derzeit
optimiert das Team das Material. Schon in naher Zukunft soll es
tatsächlich bei größeren Vorhaben eingesetzt werden.

Bio-Angeln für Seltene Erden

Wie Eiweiß-Bruchstücke Elektronik-Schrott recyceln

Ohne wichtige Schlüssel-Elemente, wie
Kupfer oder die Metalle der Seltenen Erden, funktioniert weder die
moderne Elektronik noch fließt elektrischer Strom. Ausgediente
Energiesparlampen, Handys, Computer und Schrotte könnten eine wichtige
Quelle für diese Rohstoffe sein, allerdings lassen sich die wertvollen
Hightech-Metalle von dort nur schwer zurückgewinnen. Es sei denn, man
angelt mit kleinen Eiweiß-Bruchstücken danach, die Forscher vom
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen
Universität Bergakademie Freiberg gerade in der Zeitschrift „Research in
Microbiology“ vorstellen.

Die defekte Energiesparlampe und das ausgediente
Handy wandern heutzutage mehr oder weniger zuverlässig über
Sammelbehälter in Großmärkten und andernorts zu den Wertstoffhöfen. Für
besonders wertvolle Inhaltsstoffe wie die Seltenen Erden Terbium,
Yttrium oder Lanthan, die oft nur in geringen Konzentrationen vorliegen
und die fest mit anderen Komponenten verbunden sind, gibt es allerdings
häufig noch keine wirtschaftlichen Recyclingtechnologien. „Allein 25.000
Tonnen Leuchtpulver der ausgedienten Energiesparlampen dürften daher in
der Europäischen Union bis zum Jahr 2020 gesammelt werden“, berichtet
die Biologin Dr. Franziska Lederer vom HZDR.

Fein verteilt stecken dort so exotisch klingende
Verbindungen wie Yttrium-Oxid, Lanthan-Phosphat,
Cer-Magnesium-Aluminium-Oxid und Barium-Magnesium-Aluminium-Oxid, die
Spuren von Terbium, Cer, Europium und anderen Seltenen Erden enthalten.
Die Seltenen Erden wiederum, ohne die weder Plasmabildschirme, noch
Generatoren von Windkraftanlagen oder Elektromotoren für Autos mit
Hybrid-Antrieb funktionieren, wurden in den vergangenen Jahren fast
ausschließlich in China gewonnen. Export-Beschränkungen können daher die
hiesigen Schlüsseltechnologien massiv in Mitleidenschaft ziehen.

Die Nachwuchsgruppe „BioKollekt“, die Dr. Lederer
seit dem 1. Oktober 2018 am Helmholtz-Institut Freiberg für
Ressourcentechnologie (HIF) – einem Institut des HZDR – leitet,
beschäftigt sich deshalb mit neuartigen Technologien, um Seltene Erden
beispielsweise aus dem Leuchtpulver ausgedienter Energiesparlampen zu
gewinnen. Mit diesen Methoden können aber auch wichtige Metalle wie
Kupfer und Gold aus dem Abraum von Bergwerken gewonnen oder Plastik
sortiert und wiederverwendet werden.

Das Vorbild für diese Techniken findet die Biologin
bei Viren, die auf Bakterien spezialisiert sind. Die Hülle dieser
winzigen „Bakteriophagen“ besteht aus rund 4.000 Proteinen. An diese
wurden mit molekularbiologischen Methoden kurze Protein-Bruchstücke
geheftet, die acht bis 16 Proteinbausteine lang sind. Von diesen
Peptiden gibt es viele unterschiedliche Formen, Franziska Lederer kann
daher mit einer Milliarde Bakteriophagen forschen, die jeweils
unterschiedliche Peptide besitzen. Eine solche Sammlung nennen
Molekularbiologen eine „Bibliothek“.

„Die Peptide können kleine Taschen formen, in die
bestimmte Mini-Strukturen passen“, erklärt die Biologin. Dabei kann es
sich zum Beispiel um das Seltene-Erd-Element Terbium handeln. Bringt die
Forscherin ihre Bakteriophagen-Bibliothek mit einer solchen reinen
Terbium-Verbindung zusammen, die an einer festen Oberfläche hängt,
bleiben beim Abwaschen die Bakteriophagen hängen, in deren Peptid-Tasche
die Terbium-Verbindung recht gut passt.

Vermehren bis zur perfekten Passfähigkeit

In einem zweiten Durchgang verschärfen die Forscher
dann die Bedingungen, so dass nur noch die Bakteriophagen hängen
bleiben, in deren Peptid-Tasche die Terbium-Verbindung sehr gut passt.
Jetzt folgt eine Analyse des Abschnitts im Erbgut dieser Bakteriophagen,
der die Bauanleitung für das Peptid enthält. Nach dieser Bauanleitung
lässt Franziska Lederer dann die passenden Peptide für die
Terbium-Verbindung anfertigen.

Diese Peptide werden nun zum Beispiel an Partikel
aus einem magnetischen Material geheftet. Mischt man diese Teilchen mit
dem Leuchtpulver von Energiesparlampen in einer Brühe, dann heften sie
sich dort an die enthaltenen Terbium-Verbindungen. Anschließend fischen
die Forscher mit einem Magneten die Partikel samt den Seltenen Erden
wieder heraus. Nach dem Entfernen der Terbium-Verbindungen können die
Teilchen mit den Peptiden wieder zum Recyceln eingesetzt werden. „Mit
dieser Methode können wir spezifische Peptide für unterschiedliche
Seltene Erden, aber auch für wichtige Metalle wie Kupfer, Gold oder
verschiedene Platin-Metalle gewinnen und mit ihnen die jeweiligen
Substanzen aus sehr verdünnten und komplexen Gemischen extrahieren“,
erklärt Franziska Lederer.

Die Erfinder dieser Phagen-Display-Methode wurden
vor kurzem mit dem Nobelpreis für Chemie 2018 geehrt; lange vorher hatte
die Dresdner Nachwuchsgruppenleiterin die Bakteriophagen-Bibliotheken
aus der Gruppe des frisch gebackenen Nobelpreisträgers George Smith an
der amerikanischen University of Missouri erhalten. Da andere
Wissenschaftler die Phagen-Methode bisher nur für biologische Verfahren
wie der Herstellung von Antikörpern verwenden, leisten die HZDR-Forscher
beim Recyceln von Metallen echte Pionierarbeit.

Die spezifischen Peptide lassen sich auch an
Styropor-Kügelchen anheften. Mit der jeweiligen, gebundenen Substanz
schwimmen diese Kügelchen in einem Container an die Oberfläche des
Wassers und können einfach abgeschöpft werden. Mit solchen Methoden
könnten auch Erze aus den Abraumhalden von Bergwerken gewonnen werden,
in denen noch Spuren dieser Erze vorhanden sind.

„Vielleicht können wir auch Peptide isolieren, die
spezifisch bestimmte Kunststoffe binden“, überlegt Franziska Lederer.
Bisher werden Plastik-Abfälle nämlich häufig verfeuert, weil sie ein
Gemisch verschiedener Kunststoffe enthalten. Die Peptide der HZDR-Gruppe
aber könnten diese Abfall-Mischungen in Zukunft vielleicht sortieren
und so ein echtes Recycling einleiten. „Unsere Forschung steht noch am
Anfang und eine praktische Anwendung wird noch einige Zeit auf sich
warten lassen. Unser Ziel ist es, mit unserer innovativen
Technologieplattform das Recycling erheblich zu verbessern.“

_Publikation:

Robert Braun, Stefanie Bachmann, Nora
Schönberger, Sabine Matys, Franziska Lederer, Katrin Pollmann: „Peptides
as biosorbents – Promising tools for resource recovery“, Research in
Microbiology, DOI: 10.1016/j.resmic.2018.06.001 Link: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29928986

700 bis 800
Tonnen Antibiotika pro Jahr wurden im Jahr 2014 laut dem Bundesamt für
Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit in Deutschland allein in
der Humanmedizin eingesetzt, in der Veterinärmedizin wurden im Jahr 2017 rund 730 Tonnen an Tierärzte abgegeben. Durch
den hohen Einsatz von Antibiotika bilden allerdings immer mehr
Bakterien Multiresistenzen, die eine medizinische Therapie bei einer
Erkrankung erschweren. Über Abwässer gelangen die resistenten Erreger in
die Umwelt und letztendlich zurück zum Menschen. Forscherinnen und
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen im
Verbundprojekt HyReKA die Verbreitung der Bakterien und bewerten
Maßnahmen wie die Ultrafiltration, um sie effektiv aus dem aufbereiteten
Abwasser zu entfernen.

Multiresistente Bakterien haben als
Überlebensstrategie gelernt, sich der Wirkung verschiedener Antibiotika
zu entziehen – sie haben Abwehrmechanismen gebildet. Nicht alle sind für
den Menschen gefährlich, doch können sie ihre Resistenzgene auch an
krankmachende Erreger weitergeben. So gibt es immer mehr
widerstandsfähige Keime in der Umwelt. „Wenn sich die Bakterien
verbreiten, kommt der Mensch auch immer häufiger mit ihnen in Kontakt.
Gehen wir nicht gegen die Verbreitung vor, gibt es am Ende immer weniger
Antibiotika oder sogar keine Wirkstoffe, mit denen wir eine Erkrankung
dieser Bakterien bekämpfen können“, sagt Professor Thomas Schwartz vom
Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT.

Der Mikrobiologe und sein Team untersuchen in
Gewässern das Vorkommen und die Verbreitung klinisch relevanter
Antibiotikaresistenzen und Bakterien, die vor allem für Menschen mit
geschwächtem Immunsystem, Kleinkinder und alte Menschen eine Gefahr
darstellen können. „Resistente Bakterien gelangen über das Abwasser von
Kliniken und Pflegeheimen, häuslichen Bereichen, Schlachthöfen und
Landwirtschaft in Kläranlagen. Hier konnten wir die Bakterien nicht nur
in den Zuläufen, sondern auch in den Abläufen nachweisen“, so Schwartz.
Die derzeitige Abwasseraufbereitung filtere also nur einen Teil der
Bakterien heraus, der Rest werde mit dem aufbereiteten Wasser in Flüsse
und Bäche geleitet. 

Deshalb testen und bewerten die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Methoden für
Kläranlagen, um gerade diese kritischen Erreger aus dem Wasser zu
entfernen: eine Ultrafiltrationsanlage, eine Ozon- sowie eine
UV-Behandlung, eine Kombination aus beiden und eine
Aktivkohlebehandlung. „Bei der Ultrafiltration, bei der das Wasser durch
extrem feine Membranstränge fließt, gelingt es uns, die
antibiotikaresistenten Bakterien so weit zu reduzieren, dass wir sie
kaum mehr nachweisen können. Mit der Ozonbehandlung – auch in
Kombination mit UV-Strahlen – ist eine geringere, aber auch
vielversprechende Reduktion der Keime möglich. Bei der Aktivkohle
konnten wir keine effektive Veränderung, das heißt keine Reduktion,
feststellen“, zeigt der Mikrobiologe die bisherigen Ergebnisse auf.

Innerhalb HyReKA wollen die Wissenschaftler
die Ultrafiltrationsanlage serienreif machen und die Ozon- und
UV-Behandlung weiter optimieren, um die Reduktionsleistung zu steigern.
Die Forscherinnen und Forscher des KIT erstellen außerdem ein
Bewertungskonzept für die einzelnen Verfahren, sodass die
Untersuchungsparameter auch auf andere Maßnahmen zur Abwasserbehandlung
anwendbar sind. „So könnten wir Kliniken, Pflegeheime oder auch
landwirtschaftliche Bereiche, die ebenfalls aufgrund des hohen Einsatzes
von Antibiotika ein hohes Risiko für resistente Bakterien vermuten
lassen, mit diesen Techniken ausstatten, um auch die
Belastungssituationen an kommunalen Kläranlagen zu reduzieren“, blickt
Schwartz in die Zukunft.

HyReKA

HyReKA steht kurz für „Biologische
beziehungsweise hygienisch-medizinische Relevanz und Kontrolle
Antibiotika-resistenter Krankheitserreger in klinischen,
landwirtschaftlichen und kommunalen Abwässern und deren Bedeutung in
Rohwässern“. Der Forschungsverbund will einen aktiven Beitrag zum
umweltbezogenen Gesundheitsschutz der Bevölkerung leisten. Zu seinen
Zielen gehört, den Eintrag antibiotikaresistenter Bakterien und
Antibiotikarückstände in die Umwelt zu untersuchen, deren
Verbreitungswege, Risikopotenziale und Übertragungsrisiken abzuschätzen,
technische Verfahren der Abwasseraufbereitung an Kläranlagen zu
entwickeln und Handlungsempfehlungen zu formulieren. Der Verbund setzt
sich aus Forschern verschiedener Fachrichtungen wie Medizin, Biologie,
Geografie, Ingenieurwesen, Agrarwissenschaft, Lebensmitteltechnologie
und Ernährungswissenschaft sowie Partnern aus kommunalen
Wasserwirtschaftsbetrieben und der Industrie zusammen.

Zu den Forschungspartnern des
Verbundprojektes HyReKA zählen neben dem KIT das Universitätsklinikum
Bonn, die Universität Bonn, die Technische Universität Dresden, die RWTH
Aachen, das Umweltbundesamt (UBA), das Technologiezentrum Wasser in
Karlsruhe (TZW) und kommunale Partner, wie der Erftverband Bergheim, der
Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV), der Zweckverband
Klärwerk Steinhäule und der Industriepartner XYLEM Services GmbH.