Verwendung von Pflanzenkohle zur Entfernung von Antibiotika aus dem Abwasser

Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, müssen Landwirte viele Feldfrüchte anbauen. Pflanzen brauchen Wasser, um zu wachsen und zu gedeihen, und das Wasser, das zur Bewässerung von Pflanzen verwendet wird, macht schätzungsweise 70 % des weltweiten Süßwasserverbrauchs aus. Aber viele Gebiete auf der ganzen Welt sind von Wasserknappheit geplagt. Das kann es für Landwirte schwierig machen, genug Wasser für den Anbau von Pflanzen zu bekommen. Forscher erforschen alternative Wasserquellen, die den aktuellen und zukünftigen Bewässerungsbedarf nachhaltig decken können.

Aufbereitetes kommunales Abwasser könnte zur Bewässerung von Feldfrüchten verwendet werden. Aber es gibt einige Herausforderungen zu meistern. Beispielsweise können kommunale Abwässer Antibiotika enthalten. „Diese Antibiotika könnten antibiotikaresistente Bakterien in abwasserbewässerten landwirtschaftlichen Systemen fördern“, sagt Michael Schmidt, Forscher am US Salinity Laboratory in Riverside, Kalifornien. Das US Salinity Laboratory ist Teil des Agricultural Research Service (ARS) des USDA.

Schmidt ist der Hauptautor einer neuen Studie, die zeigt, dass lokales Pflanzenmaterial oder Lebensmittelabfälle verwendet werden könnten, um Antibiotika aus kommunalem Abwasser zu entfernen. Die Forscher verwendeten Pflanzenkohle, eine kohleähnliche Substanz, die durch Erhitzen organischer Materialien bei hohen Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff entsteht. Biokohle entfernte mehr als 97 % der drei Antibiotika, die die Forscher durch Adsorption aus kommunalem Abwasser gemessen hatten.

Schmidt präsentierte seine Arbeit auf dem ASA-CSSA-SSSA-Jahrestreffen 2022 in Baltimore, Maryland.

„Wir haben gezeigt, dass lokale landwirtschaftliche Nebenprodukte dazu beitragen können, Antibiotika aus gereinigten Abwasserströmen zu entfernen“, sagt Schmidt. „Dies stellt eine potenziell kostengünstige und umweltfreundliche Strategie dar, um eine Reihe von Schadstoffen aus dem Abwasser zu entfernen.“

Wichtig ist, dass Schmidt und Kollegen lokal verfügbares Pflanzenmaterial – Pistazienschalen und Dattelpalmenblätter – zur Herstellung von Biokohle verwendeten. Lokale Materialien müssen nicht über weite Strecken transportiert werden. Das kann Kosten, Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung reduzieren.

Die Studie wurde in Kalifornien durchgeführt, das als Bundesstaat im Jahr 2020 mehr als eine Milliarde Pfund Pistazien produzierte. Während Südkalifornien landesweit die bekannteste Region für die Dattelproduktion ist, ist die landwirtschaftliche Produktion im südkalifornischen Coachella Valley lokalisiert. Sie werden auch im amerikanischen Südwesten als kommunale Bäume angebaut. „Jede Dattelpalme kann jedes Jahr bis zu 40 Pfund getrocknete Wedel produzieren“, sagt Schmidt. „Also schienen diese eine gute potenzielle Quelle für Pflanzenkohle zu sein.“

Die Forscher zeigten auch, dass die Art und Weise, wie Biokohle hergestellt wurde, und nicht, woraus sie hergestellt wurde, einen großen Unterschied in ihrer Fähigkeit machte, Antibiotika aus dem Abwasser zu entfernen. Die Erzeugung von Biokohle führt zu einem porösen, kohleähnlichen Material, das reich an Kohlenstoff ist. „Der Schlüssel zur Pflanzenkohleproduktion ist der Sauerstoffmangel beim Erhitzen“, sagt Schmidt. Beim Erhitzen mit Sauerstoff entsteht hauptsächlich Asche (und keine Pflanzenkohle).

Schmidt und Kollegen stellten Biokohle her, indem sie Pflanzenmaterialien auf 400, 600 und 800 °C (etwa 750, 1100 und 1470 °F) erhitzten. Dann testeten sie, wie effizient die unterschiedlichen Temperaturen der Pflanzenkohle drei verschiedene Antibiotika aus dem Abwasser entfernten. Die Antibiotika, auf die sich diese Studie konzentrierte, waren Sulfamethoxazol, Sulfapyridin und Trimethoprim.

Diese wurden ausgewählt, da sie in lokal gesammeltem behandeltem Abwasser gefunden wurden. Sie fanden heraus, dass Biokohle, die bei 800 °C hergestellt wurde, Antibiotika am effizientesten entfernte. „Wir haben gezeigt, dass die Produktionsbedingungen für Pflanzenkohle eine große Rolle bei der Entfernung von Antibiotika spielen“, sagt Schmidt. „Dies könnte Wissenschaftlern helfen, die auch andere Materialien zur Herstellung von Biokohle für diesen Zweck verwenden.“

Pflanzenkohle entfernt Antibiotika durch mehrere chemische Mechanismen aus dem Abwasser. Die Effizienz dieser chemischen Mechanismen kann von physikalischen Eigenschaften der Pflanzenkohle abhängen. Die Studie zeigte, dass die Messung dieser physikalischen Eigenschaften von Pflanzenkohle Zeit und Kosten sparen könnte.

„Experimente zur Messung von Spuren von Antibiotika erfordern kostspielige Instrumente“, sagt Schmidt. „Wir haben gezeigt, dass das Verhalten von Pflanzenkohle möglicherweise durch leicht messbare Eigenschaften interpretiert werden kann.“ Dies kann dazu beitragen, zukünftige Bemühungen zur Optimierung von Biokohle-Adsorptionsmitteln für die Schadstoffentfernung aus Abwasser zu rationalisieren.

Schmidt und Kollegen sind Teil der Bemühungen, auf Biokohle basierende Wasseraufbereitungssysteme zu konstruieren. „Die zukünftige Forschung wird diese Biokohle-Materialien und andere in größere Wasseraufbereitungssysteme integrieren“, sagt Schmidt. „Das Ziel ist, dass diese Aufbereitungssysteme in der Lage sind, Wassermengen aufzubereiten, die für die Bewässerung im Feldmaßstab relevant sind.“