Kohlenhydratpolymere könnten eine süße Lösung zur Wasserreinigung sein

Mit Schwermetallen verunreinigtes Wasser kann eine Gefahr für Menschen und Wasserlebewesen darstellen. Aus Zucker gewonnene Polymere aus Pflanzen entfernen diese Metalle, erfordern aber oft andere Substanzen, um ihre Stabilität oder Wasserlöslichkeit anzupassen.

Nun berichten Forscher von einem zuckerähnlichen Polymer, das Schwermetalle in unlöslichen Klumpen einfängt, sodass sie leicht entfernt werden können. In Proof-of-Concept-Tests entfernte das Polymer ionisches Cadmium und Blei aus Flusswasser, das mit diesen hartnäckigen Schadstoffen angereichert war. Die Arbeit wurde veröffentlicht In ACS Zentrale Wissenschaft.

Einige Schwermetallionen können in hohen Konzentrationen im Trinkwasser giftig sein. Methoden zur Entfernung dieser Schadstoffe, wie etwa die Filterung, können energieintensiv sein und basieren auf Metallabscheidemembranen, die schnell verstopfen und ersetzt werden müssen. Um die Wasserreinigung zu verbessern, haben sich Forscher Pflanzen zugewandt.

Pflanzen schützen ihre Zellen mit einer Barriere aus Polysacchariden, die aus Makromolekülen mit sich wiederholenden Zuckereinheiten bestehen und Metallionen einfangen. In einer aktuellen Studie verwendeten Forscher beispielsweise klebrige Polysaccharidextrakte aus Okra und Aloe, um Mikroplastik aus Abwasser zu entfernen.

Einige Polysaccharide lösen sich jedoch in Wasser auf, sodass Zusatzstoffe erforderlich sind, um unlösliche Gele zu bilden, mit denen die Metalle eingefangen und entfernt werden können. Daher machten sich Cassandra Callmann und ihr Forschungsteam an der University of Texas in Austin daran, ein einzelnes Material mit zuckerähnlichen Strukturen und kontrollierbarer Wasserlöslichkeit zu entwickeln, um Schwermetalle aus dem Wasser zu entfernen.

Das Team konstruierte mehrere Polymere, von denen jedes ein wasserunlösliches Grundgerüst hatte, an dessen Wiederholungseinheiten verschiedene wasserlösliche Kohlenhydrate wie Anhänger an einem Armband hingen. In ersten Tests enthielt der Kohlenhydrat-„Anhänger“, der ionisches Cadmium am effizientesten anzog und band, eine Carbonsäuregruppe.

Als nächstes bildete das Polymer mit Carbonsäure bei Tests mit ionischem Cadmium nach drei Minuten sichtbare Klumpen, die herausgefiltert werden konnten. Durch Anpassung des Säuregehalts des Wassers lösten sich die Klumpen auch wieder auf und gaben das Cadmium frei. Nach drei Zyklen aus Binden, Verklumpen und Wiederauflösen behielt das Polymer die gleiche Effizienz bei der Metallabscheidung bei, was sein Potenzial als wiederverwertbares Material demonstrierte.

Als Machbarkeitsnachweis testete das Team das kohlenhydrathaltige Polymer anschließend an mit ionischem Cadmium und Blei angereichertem Wasser des Colorado River. Die Flussprobe enthielt deutlich mehr ionisches Kalzium, Natrium und Magnesium als die zugesetzten Metalle.

Innerhalb von 24 Stunden nahm das Polymer bis zu 20 % bzw. 45 % des zugesetzten Cadmiums und Bleis auf, und nur minimale Mengen der anderen Metallionen. Die Forscher sagen, ihr neues Material sei ein vielversprechender Schritt hin zu effizienteren, wiederverwendbaren und selektiveren Materialien für die Wasserreinigung.