Herausforderung Glyphosat im Wasserkreislauf
Wasser ist eine zentrale Ressource für Mensch und Umwelt, doch Verunreinigungen stellen eine zunehmende Belastung dar. Besonders Herbizide wie Glyphosat geraten in den Fokus. Das weltweit meistverwendete Herbizid wird unterschiedlich bewertet, da Studien mögliche Risiken wie krebserzeugende Wirkungen, Nervenschädigungen und Auswirkungen auf die biologische Vielfalt diskutieren.
Nach der Anwendung kann Glyphosat in den Wasserkreislauf gelangen. Auch sein Abbauprodukt Aminomethylphosphonsäure (AMPA), das ähnliche chemische Eigenschaften aufweist, ist relevant, da es länger in der Umwelt verbleibt.
Nanofiltration als Schlüsseltechnologie
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen innovative Membranmaterialien, die Wasser durchlassen und Schadstoffe zurückhalten. Im Fokus steht die Nanofiltration, ein druckgetriebenes Verfahren mit Poren im Nanometerbereich.
Gemeinsam mit Partnern der der Ruhr-Universität Bochum, der Südböhmischen Universität in Budweis in Tschechien und der Universität Lodz in Polen analysierte das Team, wie sich Glyphosat und AMPA durch solche Membranen entfernen lassen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41467-026-71492-y).
„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 vom Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT.
Drei Mechanismen der Schadstoffrückhaltung
Nanofiltrationsmembranen halten Schadstoffe über mehrere Mechanismen zurück. Sie wirken wie ein Sieb, indem größere Moleküle die Poren nicht passieren können. Zusätzlich stoßen elektrisch geladene Membranen gleich geladene Ionen ab.
Ein dritter, zentraler Faktor ist die sogenannte Hydration. Moleküle sind im Wasser von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben. Diese beeinflusst ihre effektive Größe und damit ihre Durchlässigkeit durch die Membran.
Einfluss von pH-Wert und Druck
Forschende am IAMT arbeiten an innovativen Membranmaterialien, die Wasser hindurchlassen und Schadstoffe zurückhalten. Die Nanofiltration ist ein druckgetriebenes Verfahren, bei dem die Poren der Membranen nur wenige Nanometer messen. Quelle: Cynthia Ruf, KIT
Die Studie zeigt, dass insbesondere der pH-Wert und der Druck die Filtration 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“, erklärt Phuong Bich Trinh, Doktorandin am IAMT.
Bei höheren pH-Werten verändert sich die Ladung der Moleküle, wodurch der Ladungsausschluss verstärkt wird. Gleichzeitig nimmt die Hydration zu, sodass sich Glyphosat und AMPA leichter entfernen lassen. Ein höherer Druck kann hingegen die Hydrationshülle teilweise zerstören und die Filtration erschweren.
Kombination aus Experiment und Simulation
Die Hydration organischer Moleküle ist schwer direkt messbar. Für die Untersuchung nutzten Forschende der Ruhr-Universität Bochum die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), bei der Infrarotlicht mit Molekülschwingungen wechselwirkt.
Ergänzend kamen Molekulardynamik-Simulationen von Forschungsteams aus Tschechien und Polen zum Einsatz. Diese Kombination ermöglichte detaillierte Einblicke in die molekularen Prozesse während der Filtration.
Beitrag zur Weiterentwicklung der Wasseraufbereitung
Die Ergebnisse verbessern das Verständnis der Nanofiltration auf molekularer Ebene. Sie liefern wichtige Ansatzpunkte, um Membranen künftig effizienter sowie energie- und kostensparender zu gestalten.
Originalpublikation
Phuong B. Trinh, Minh N. Nguyen, Zdenek Futera, Babak Minofar, Marco Personeni, Poul Petersen, Andrea I. Schäfer: The role of hydration in the removal of glyphosate (GLY) and aminomethylphosphonic acid (AMPA) by nanofiltration membranes. Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-71492-y
Quelle: KIT
