Wasser wirksam von Glyphosat befreien mit Nanofiltration

Nanometerkleine Poren in Membranen sind in der Lage, das Herbizid Glyphosat sowie dessen Abbauprodukt AMPA effektiv aus Wasser zu filtern. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben festgestellt, dass dieser Prozess nicht allein von der Größe und Ladung der Moleküle beeinflusst wird, sondern maßgeblich von deren Hydration abhängt: Je ausgeprägter die Wasserhülle der Teilchen ist, desto schwerer können sie die Membran passieren. Diese Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Nanofiltration, um die weltweite Versorgung mit sauberem Wasser zu sichern.

Da Wasser die Grundlage allen Lebens bildet, stellen Verunreinigungen durch landwirtschaftliche Herbizide ein erhebliches Risiko für Mensch und Umwelt dar. Besonders im Fokus steht dabei das weltweit verbreitete Glyphosat. Dessen Einsatz wird kontrovers diskutiert, da Studien auf mögliche Gefahren wie krebserzeugende Wirkungen, Nervenschädigungen und eine Bedrohung der biologischen Vielfalt hinweisen. Da Glyphosat nach der Anwendung in den Wasserkreislauf gelangen kann, ist die Entwicklung solch effizienter Aufbereitungstechnologien zum Schutz der Wasserressourcen unerlässlich.

Membranen lassen Wasser durchströmen und halten Schadstoffe zurück

Forschende des Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) am KIT entwickeln innovative Membranmaterialien, die gezielt Wasser passieren lassen, während sie Schadstoffe effizient zurückhalten. In einer gemeinschaftlichen Studie mit Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum sowie der Universitäten in Budweis und Lodz wurde untersucht, wie sich Glyphosat und dessen Abbauprodukt Aminomethylphosphonsäure (AMPA) mittels Nanofiltrationsmembranen entfernen lassen. AMPA, das vor allem im Boden aus Glyphosat entsteht, besitzt ähnliche chemische Eigenschaften, ist jedoch deutlich langlebiger.

Bei der Nanofiltration handelt es sich um ein druckgetriebenes Verfahren mit Poren im Nanometerbereich. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass das Entfernen von Schadstoffen wie Glyphosat nicht nur von der Größe der Moleküle und deren Ladung abhängt, sondern auch stark von der Wasserumgebung“, sagt Professorin Andrea Iris Schäfer. „Diese Erkenntnis hilft uns, die Nanofiltration weiter zu verbessern – und damit Menschen weltweit mit sauberem, sicherem Wasser zu versorgen.“

Die Rückhaltemechanismen dieser Membranen sind vielfältig: Sie fungieren einerseits als Sieb für zu große Moleküle und nutzen andererseits elektrische Ladungen, um gleichgeladene Ionen abzustoßen. Zudem beeinflusst die Hydration – eine Hülle aus angelagerten Wassermolekülen – die effektive Größe der Schadstoffe im Wasser und bestimmt somit entscheidend mit, wie schwer diese die Membran durchqueren können.

Höhere pH-Werte gehen mit stärkerer Hydration der Moleküle einher

Phuong Bich Trinh erläutert, dass der pH-Wert der wässrigen Lösung sowie der angewendete Druck bei der Nanofiltration die Entfernung von Glyphosat und AMPA entscheidend beeinflussen: „Wir konnten zeigen, dass der pH-Wert der wässrigen Lösung sowie der Druck bei der Nanofiltration die Entfernung von Glyphosat und AMPA entscheidend beeinflusst“, so die Forscherin. Je nach Säuregrad der Lösung verändern die Moleküle ihre Ladung, wobei bei höheren pH-Werten der Ladungsausschluss sowie die Hydration der Moleküle zunehmen, was deren Abscheidung aus dem Wasser erleichtert. Ein zu hoher Druck kann diesen Effekt jedoch beeinträchtigen, da er die schützende Hydrationsschicht teilweise zerstört.

Da sich die Hydrathülle organischer Stoffe nur schwer messen lässt, setzten Forschenden der Ruhr-Universität Bochum die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie ein, während Forschende der Südböhmischen Universität in Budweis und der Universität Lodz die Experimente durch computergestützte Molekulardynamik-Simulationen ergänzten. Diese Studie vertieft das Verständnis molekularer Details im Filtrationsprozess maßgeblich und ermöglicht es, Nanofiltrationstechnologien künftig noch wirksamer sowie energie- und kosteneffizienter zu gestalten.

Quelle

Karlsruher Institut für Technologie (04/2026)