Von Pflanzen inspirierte Polymere für die Wasseraufbereitung
Deutsch-japanisches Forscherteam hat sich von der Natur inspirieren lassen und ein Polymer entwickelt, das selektiv giftige Schwermetallionen aus dem Wasser entfernt
Sauberes Trinkwasser ist eine Grundvoraussetzung für unsere Gesundheit und unser Wohlergehen. Da die Weltbevölkerung jedoch wächst, wird es immer schwieriger, dies für alle Gemeinschaften weltweit zu erreichen.
Konzeptuelle Illustration dieser Arbeit über ein bio-inspiriertes Wasseraufbereitungssystem
2024 Nakahata et al., Hyperconfined Bio-Inspired Polymers in Integrative Flow-Through Systems for Highly Selective Removal of Heavy Metal Ions. 2024 Nature Communications
In einer in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie haben sich Forscher der HeKKSaGOn-Allianz, an der Wissenschaftler der Kyoto-Universität, der Universität Osaka und der Universität Heidelberg (Deutschland) beteiligt sind, von einem in Pflanzen vorkommenden Protein inspirieren lassen und einen neuen Weg gefunden, um schädliche Schwermetallionen aus dem Wasser zu entfernen.
Die derzeitigen Wasserreinigungsverfahren sind zwar für große Wassermengen wirksam, aber im Allgemeinen nicht spezifisch für Schwermetallionen. Das bedeutet, dass sie auch Ionen entfernen, die nicht schädlich sind, was diese Methoden weniger effizient macht.
Phytochelatin, ein hochkonserviertes Protein in Pflanzen, hat dieses Problem nicht. Phytochelatin bindet spezifisch an Schwermetallionen und verschiebt sie dann in ein Zellkompartiment, wo sie keinen Schaden anrichten können.
Die Forscher wollten wissen, wie Phytochelatin dies erreicht. Das Team untersuchte die Grundbausteine von Phytochelatin, um festzustellen, wie es bestimmte Ionen, in diesem Fall Cadmium, auswählt und an sie bindet. "Wir identifizierten zwei Gruppen - Carboxylat und Thiolat - und synthetisierten ein Polymer, das diese Gruppen enthält", erklärt der Hauptautor Masaki Nakahata von der Universität Osaka.
Durch das Anbringen des Polymers an Siliziumdioxidkügelchen und Zellulosemembranen konnte das Team das Cadmium in einem ultrakleinen Volumen konzentrieren. Die Forscher ließen dann kontaminiertes Wasser an dem Polymer vorbeifließen, das die Cadmiumionen sehr effektiv aus der Probe entfernte, so dass innerhalb einer Stunde ein zulässiger Trinkwassergehalt erreicht wurde.
Die Tatsache, dass sowohl Carboxylat- als auch Thiolatgruppen in der Polymerstruktur vorhanden sind, erwies sich als Schlüssel zum Erfolg. Durch die Beschränkung auf ein sehr kleines Volumen und die Schaffung eines Durchflusssystems konnte die Beladungskapazität des Polymers drastisch erhöht werden.
Das System wies eine hohe Spezifität für Cadmium-Ionen im Vergleich zu den für die Gesundheit wichtigen Metall-Ionen wie Magnesium und Kalzium auf. Das Polymer weist auch eine vergleichsweise hohe Affinität zu Quecksilberionen auf, was darauf hindeutet, dass es auch andere Schwermetalle wirksam entfernen könnte.
"Es ist für uns keine Überraschung, dass Pflanzen im Laufe der Evolution eine so hoch entwickelte Maschinerie entwickelt haben, denn die Biologie macht keinen Unsinn", sagt Motomu Tanaka, Seniorautor und Wissenschaftler an der Universität Heidelberg und der Universität Kyoto. "Wir waren jedoch begeistert zu sehen, dass unser von der Pflanze inspiriertes Polymer sogar übertrifft, was Pflanzenproteine leisten können."
Die Errungenschaft des Forscherteams, ein von einem Pflanzenprotein inspiriertes Polymer zum Einfangen von Cadmium-Ionen zu synthetisieren, ist vielversprechend, weil das Polymer spezifisch für toxische Schwermetall-Ionen ist und mit einem Durchflussverfahren arbeitet. Es wird erwartet, dass diese Eigenschaften die Effizienz der Wasseraufbereitung verbessern - ein Gewinn für sauberes Wasser.
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Originalveröffentlichung
Masaki Nakahata, Ai Sumiya, Yuka Ikemoto, Takashi Nakamura, Anastasia Dudin, Julius Schwieger, Akihisa Yamamoto, Shinji Sakai, Stefan Kaufmann, Motomu Tanaka; "Hyperconfined bio-inspired Polymers in Integrative Flow-Through Systems for Highly Selective Removal of Heavy Metal Ions"; Nature Communications, Volume 15, 2024-7-11
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