Nr. 35/2008 vom 28.08.2008

Ein Fressen für die Bakterien

Die Industrie stösst mit Nanomaterialien und -produkten in neue Dimensionen vor. Welchen Weg die darin enthaltenen Nanopartikel nach ihrem Gebrauch nehmen, ist unbekannt. Auf Spurensuche im Klärschlammlabor in Dübendorf.

Von Franziska Meister

Draussen scheint die Sonne, der See lockt zum Bad. Pflichtbewusst reiben wir uns mit Sonnencreme ein. Gut möglich, dass sie Nanopartikel aus Titandioxid enthält, weil diese einen besonders hohen UV-Schutz gewährleisten. Was sich davon nicht im Wasser abgelöst hat, wird abends abgeduscht. Und dann?

Genau wie Seife, Toilettenpapier, Essensreste und andere Abfälle mehr, die wir täglich in die Kanalisation spülen, gelangen auch Nanopartikel in die Kläranlage. Dort wird das schmutzige Abwasser zuerst mechanisch und dann mithilfe von Bakterien im Klärschlamm gereinigt, bevor es die Anlage quasi sauber wieder verlässt. Quasi sauber, denn es enthält noch immer Mikroverunreinigungen wie Spurenstoffe aus Medikamenten oder hormonaktive Stoffe. Diese werden zunehmend als Umweltproblem erkannt. Droht den Kläranlagen mit Nanopartikeln neues Ungemach?

Hightech trifft Bakterien

Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hat jüngst eine erste Studie für die Schweiz durchgeführt und abzuschätzen versucht, wie belastet die Umwelt mit industriell produzierten Nanopartikeln bereits ist. Dazu stellte sie auch Herstellerfirmen eine Reihe von Fragen: Welche Produkte enthalten überhaupt Nanopartikel? In welcher Konzentration kommen sie darin vor? In welchen Mengen werden diese Produkte hergestellt? Die erhaltenen Informationen waren aber wenig zuverlässig.

Partikel in Nanogrösse besitzen neue chemische und physikalische Eigenschaften und ändern ihr Verhalten je nach Umgebung - und die wechselt besonders im Abwasser immer wieder. So auch in jenem der Gemeinde Dübendorf. Hier macht ein Teil des Abwassers einen Umweg, bevor es die Kläranlage erreicht: Es wird von der Eawag, dem Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs, abgezapft und in die eigene Versuchskläranlage gepumpt. «Hier drin machen wir Versuche im Massstab einer kleinen Kläranlage: Sie kann das Abwasser von 100 bis 150 Einwohnern reinigen», sagt Ralf Kägi, Leiter des neu geschaffenen Partikellabors, und deutet auf eine grosse Halle. Neben dem lauschigen, von Büschen und Trauerweiden gesäumten Chriesbach wirkt sie wie eine Scheune.

Drinnen dominiert Hightech: Vierschrötige Tanks stehen in der einen Raumhälfte verteilt, Kabel, Schläuche und Röhren tauchen aus dem Boden auf. Manche verlaufen dem Boden entlang und verschwinden in einem der Tanks, andere streben empor zur Decke. Die Belüftung dröhnt - ein bisschen stinkt es nach Kloake. Durch eine Tür gelangt man in den linken Teil der Halle. Dort fällt der Blick zuerst auf einen grossen orangen Klotz, der nach aussen lediglich einen Bildschirm und eine Tastatur preisgibt. Es ist die zentrale Steuereinheit der gesamten Versuchsanlage: Über sie lassen sich sämtliche Bestandteile der Anlage einzeln programmieren und in ihrem Zusammenspiel aufeinander abstimmen und kontrollieren.

Eine Treppe führt auf eine metallene Plattform mit Gitterboden, eine Art Hochgerüst, das die verschiedenen Tanks der Versuchskläranlage von oben zugänglich macht. Am oberen Treppenabsatz beugt sich ein Rohr, das direkt aus dem Boden hochsteigt, in einen länglichen Behälter. «Über dieses Rohr pumpen wir das Abwasser aus dem Kanal hoch», erklärt Ralf Kägis Arbeitskollege Roger König und öffnet einen Deckel im Behälter, in den sich die braune Flüssigkeit ergiesst. Drinnen dreht eine grosse Schraube und fischt die gröberen Substanzen heraus: Verfilzte, klumpige Fäden hängen an diesem Feinrechen - oder «Schnägg», wie ihn König beinahe liebevoll nennt.

Danach fliesst das Abwasser weiter zum Sandfang, wo kleinere Verunreinigungen wie Sand, Steine oder Glassplitter abgetrennt werden, bevor es in den ersten der siloartigen Tanks gelangt: das Vorklärbecken. Hier setzen sich feste organische Stoffe wie Fäkalien oder WC-Papier am Boden ab und formen eine schlammartige Masse. Theoretisch lassen sich Nanopartikel bereits hier abfangen. «Wahrscheinlich ist das aber nicht», meint Ralf Kägi, «dafür ist die Konzentration an Feststoffen, an denen die Partikel andocken könnten, zu klein.»

Das übrig bleibende Abwasser - Überstand genannt - wird weitergeleitet in die sogenannte Biologie: die Klärschlammbecken. Rund 7500 Liter vermag ein jedes von ihnen zu fassen. In der Mitte des ersten Beckens dreht ein grosses Rührwerk und mischt die braune Suppe aus Abwasser und Klärschlamm. Im zweiten Becken wird der Schlamm zusätzlich noch belüftet, damit auch der Stickstoff, der sich im Verlauf der Klärung im ersten Becken gebildet hat, noch abgebaut werden kann. Nachdem das Abwasser beide Reinigungsschritte durchlaufen hat, passiert es mit der Nachklärung die letzte Station. In diesem Tank werden die Klärschlammresten im gereinigten Abwasser sedimentiert und darauf in die Klärschlammbecken zurückgepumpt, während das gereinigte Abwasser die Anlage über den Ablauf verlässt.

«Das Ganze ist eine Eins-zu-eins-Simulation von Kläranlagen», betont Ralf Kägi. «Hier können wir klären, welchen Aufwand man betreiben muss, um Nanopartikel tatsächlich zu entfernen, und mit welchem Schritt wie viel herausgeholt werden kann.» Der Klärschlamm spielt die eigentliche Schlüsselrolle, ist er doch eine ganz besondere Brühe. Er wird regelmässig von der Stadtzürcher Kläranlage Werdhölzli geliefert und enthält eine breite Palette an Bakterien und andern Mikroorganismen, welche die im Abwasser enthaltenen «Nährstoffe» abbauen. Dabei gleicht der Schlamm einem lebenden Organismus: «Die Bakterien müssen sich erst an die Abwasserstoffe gewöhnen», erklärt Roger König. «Nur so kann der Schlamm seine volle Abbauleistung erreichen.»

Stecken geblieben?

Was passiert nun mit Nanopartikeln im Klärschlamm? Diese Frage hat sich Wendelin Stark, Leiter des Labors für funktionelle Materialien am Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich, gestellt. In seinem Auftrag hat die BMG-Engineering AG in Schlieren simuliert, was geschieht, wenn Ceroxidnanopartikel eine konventionelle Kläranlage durchlaufen. Auch dabei kam Werdhölzli-Schlamm zum Einsatz, allerdings in nur geringen Mengen: Die gesamte Versuchsanlage bestand aus zwei an Eisenständern befestigten Glasflaschen - die eine das belüftete Klärschlammbecken, die andere die Nachklärung - und ein paar Schläuchen dazwischen. Sie fand in einer normalen Laborkapelle Platz.

«Eigentlich dachten wir, das werde nicht wahnsinnig interessant», gesteht Stark. Denn Oxidnanopartikel reagieren sehr empfindlich auf Salze, Proteine und andere Nährstoffe im Wasser: Sie kleben zusammen und bilden Klümpchen. «Damit sind sie nicht mehr Nano und verhalten sich wie klassische grosse Partikel, das heisst, sie sinken zu Boden.» Genau das taten auch etwa 95 Prozent der Ceroxidpartikel im Versuch. «Ich war allerdings schon sehr erstaunt, dass ein Teil des Ceroxids wieder austrat.» Was war geschehen?

Wendelin Stark hat eine These. Sie basiert auf der seifenartigen Substanz, welche die Bakterien im Klärschlamm absondern, damit sie nicht aneinander kleben. «Wir glauben, dass diese Substanz auf den Nanopartikeln haftet und sie stabilisiert. So blieben diese mobil und in der Schwebe und wurden schliesslich aus dem Klärbecken geschwemmt.»

Wir kriegen euch

Für Ralf Kägi von der Eawag ist das Ergebnis der ETH-Studie kein Grund zur Beunruhigung - ganz im Gegenteil: «95 Prozent der Nanopartikel wurden vom Klärschlamm zurückgehalten - das ist doch ein gutes Resultat!» Und er fügt hinzu: «Es gibt schon Techniken, mit denen man eine konventionelle Kläranlage im Hinblick auf Nanopartikel optimieren und diese wesentlich besser entfernen könnte.»

Zum Beispiel, indem man das Abwasser in sogenannte Membranbioreaktoren (MBR) leitet. Die stehen in der andern Hälfte der Versuchshalle in Dübendorf: zwei rechteckige Tanks, die im Vergleich mit der Standardkläranlage geradezu bescheiden wirken. Dafür haben sie es in sich. Kägis zweiter Kollege, Marc Böhler, öffnet eine seitliche Klappe am vorderen Tank. Zum Vorschein kommt die Filterkammer, in der sich flache Filterscheiben aneinanderreihen. Das Abwasser wird mit Druck durch diese Filter gepresst, und der Klärschlamm bleibt an den Membranen hängen. «Der Ablauf ist dann praktisch partikelfrei», sagt Böhler. «Er enthält keine Bakterien mehr und kaum noch Viren.»

Lagern sich Nanopartikel an Bakterien an, werden sie von diesen Membranen zurückgehalten. «Genau das wollen wir untersuchen», betont Ralf Kägi, «ob sich Nanopartikel tatsächlich an Bakterien anlagern und somit im MBR-Verfahren abgeschieden werden können.» Allerdings wird der Ablauf nie 100 Prozent partikelfrei sein. «Aber wenn zum Beispiel der Klärschlamm 90 Prozent der Nanopartikel herausfiltert und die Membran nochmals 90 Prozent, dann haben wir bereits 99 Prozent ausgeschieden.» Und dieser Prozentsatz liesse sich sogar noch weiter erhöhen, wenn im Anschluss eine weitere mechanische Reinigung mit noch kleineren Filterporen - die sogenannte Nanofiltration - erfolgt.

Solche nachgelagerten Filtrierungen sind aufwendig und kosten einiges an zusätzlicher Energie. Abgesehen davon: Nicht alles, was Nano ist, liegt in Partikelform vor. Silber etwa - es wird bereits in grossem Massstab in Nanogrösse hergestellt und ist sehr breit anwendbar - existiert auch in ionischer Form und ist damit so klein wie ein einzelnes Atom. «Das herauszubekommen, wird viel, viel schwieriger», gibt Kägi zu bedenken. Die geplanten Untersuchungen in der Eawag werden zeigen, ob und wie es gelingen kann.

Zuerst aber wollen Kägi und seine Kollegen Nanosilber im Klärschlammbecken testen - um herauszufinden, ob sich der Schlamm verändert oder gar instabil wird. Denn Nanosilber wirkt stark antibakteriell und antimikrobiell. Dies macht es für die Industrie so interessant. «Wenn man unbedingt einen Effekt sehen will, kann man den mit stark erhöhten Dosierungen immer erzwingen», relativiert Ralf Kägi. «Uns ist vor allem wichtig, realitätsnahe Konzentrationen von Nanopartikeln zu nehmen.»

Identifiziert!

Gemeinsam mit der Empa hat die Eawag ein neues Partikellabor aufgebaut. Ralf Kägi leitet es. «Wir versuchen, in der Umwelt zu analysieren, wie gross der menschlich verursachte Beitrag an Nanopartikeln ist», erklärt er - und bahnt sich einen Pfad zwischen den Stapeln an Ordnern und Papieren zum Schreibtisch, um dort nach Fotos seiner jüngsten Studie zu graben. Es geht also darum, zu quantifizieren, was bei einer Kläranlage reingeht und was rauskommt - und was über Wind und Wetter ungeklärt in Flüsse und Seen gelangt. Das allerdings ist noch viel schwerer abzuschätzen, wie Kägi betont.

Der Knackpunkt ist, künstlich hergestellte Nanopartikel überhaupt nachweisen zu können. In einem einzigen Milliliter Trinkwasser befinden sich nämlich bis zu einer Milliarde Partikel. Da machen ein paar Millionen synthetischer Nanopartikel kaum etwas aus. Seit Anfang Juli steht im Partikellabor der Eawag aber eine neue Maschine - «eigentlich ein weiterentwickelter Prototyp», sagt Kägi mit sichtlichem Stolz. Ein bisschen erinnert der metallen glänzende Kubus an eine Gastrokaffeemaschine. Nähern darf sich dem empfindlichen Gerät nur, wer zuvor einen Schmutzschutz über die Schuhe streift. «Es kann Partikel in einer Probe nach Grösse und Chemie aufteilen», erklärt Kägi. Dadurch wird es möglich, synthetische Nanopartikel herauszufiltern und ihren Anteil in der Probe zu bestimmen.

Um welche Partikel es sich handelt und wie ihre chemische Zusammensetzung ist, kann mithilfe weiterer Geräte wie dem Massenspektrometer und dem Rasterelektronenmikroskop herausgefunden werden. «Damit verfügen wir überhaupt erst über die Voraussetzung, realitätsnahe Studien zum Verhalten von Nanopartikeln im Wasser durchzuführen», sagt Kägi. Wie sich synthetische Nanopartikel in der Umwelt verhalten und welche Effekte sie dabei auslösen können, ist bislang weitgehend unbekannt. «Eigentlich müsste es so sein, dass neue Nanomaterialien und -produkte zuerst getestet werden, wie das auch für Arzneimittel und Biozide vorgeschrieben ist», findet der Umweltwissenschaftler der Eawag.

Wendelin Stark, dessen Labor an der ETH solch neue Materialien entwickelt, geht sogar noch einen Schritt weiter. Seiner Meinung nach sollte bereits auf der Entwicklungsstufe eine Risikoabschätzung gemacht werden. «Sichere Nanotechnologie und wie man sie erreichen kann - das ist mittlerweile zum Schwerpunkt meiner Arbeit geworden.» Grosse Vorbehalte äussert er bei der Produktion sogenannt ultrapersistenter Nanomaterialien, die in der Umwelt kaum abbaubar sind, also jahrelang rumliegen. «Vor allem bei den Kohlenstoff-Nanoröhrchen sollte man das endlich einmal abklären.» Sein Fazit aus der Klärschlammstudie jedenfalls ist klar: «Will man im grossen Massstab Nanopartikel einsetzen, muss vorab geprüft werden, wie sich diese in einer Kläranlage und in der Umwelt verhalten.»

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