Combining phytoremediation potential of Lemna gibba with biochar adsorption technology for cadmium, nickel and lead removal from wastewater

Wasser ist das Lebenselixier unseres Planeten, doch es wird zunehmend durch unsichtbare Giftstoffe belastet. Zu den gefährlichsten unter ihnen gehören Schwermetalle wie Cadmium, Nickel und Blei. Diese Elemente bauen sich nicht ab oder verschwinden; stattdessen verbleiben sie in der Umwelt und reichern sich in Boden und Wasser an, bis sie ein Niveau erreichen, das Ökosysteme und die menschliche Gesundheit schädigt. Sie gelangen durch Industrieabfälle, Bergbau und landwirtschaftliche Abflüsse in unsere Flüsse und Feuchtgebiete und bergen ernsthafte Risiken wie Nierenerkrankungen und neurologische Störungen. Da diese Metalle so hartnäckig sind, ist ihre Reinigung schwierig. Traditionelle Methoden verlassen sich oft auf teure Chemikalien oder energieintensive Maschinen, die viele Entwicklungsländer sich nicht leisten können. Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, in der Natur nach Antworten zu suchen, insbesondere nach der Fähigkeit lebender Pflanzen, Schadstoffe aufzusaugen, und dem Potenzial, diese Pflanzen in Materialien zu verwandeln, die Toxine binden können.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher in Malaysia und im Irak eine zweistufige Strategie zur Bewältigung dieses Problems unter Verwendung einer kleinen, schwimmenden Wasserpflanze, bekannt als Blasenentengrün, speziell der Art Lemna gibba. Diese Pflanze ist in lokalen Gewässern häufig anzutreffen und wächst schnell, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Reinigung von Wasser macht. Das Team untersuchte einen dualen Ansatz: Zuerst testeten sie, wie gut die lebende Pflanze Cadmium, Nickel und Blei aus kontaminiertem Wasser entfernen konnte. Zweitens nahmen sie dieselbe Pflanze, nachdem sie ihre Arbeit verrichtet hatte, trockneten sie und erhitzten sie in einer kontrollierten Umgebung ohne Sauerstoff, um eine kohleähnliche Substanz namens Biochar (Biokohle) zu erzeugen. Sie testeten dann diese Biokohle darauf, ob sie als leistungsstarker Schwamm fungieren konnte, um die Metalle zu absorbieren. Das Ziel war es zu sehen, ob die Verwendung der Pflanze zweimal – einmal lebend und einmal als verarbeitetes Material – eine kostengünstige, nachhaltige Methode zur Reinigung von Abwasser bieten könnte.

Die Forscher begannen damit, im Labor künstliches Abwasser herzustellen, indem sie Wasser mit präzisen Mengen an Cadmium, Nickel und Blei in Konzentrationen von 0,5 bis 5,0 Milligramm pro Liter mischten. Sie platzierten 30 Gramm des lebenden Entengrüns in Behälter, die drei Liter dieses belasteten Wassers enthielten, und beobachteten, was geschah. Sie maßen die Metallwerte täglich, um zu verfolgen, wie viel die Pflanze absorbierte. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Das lebende Entengrün erwies sich als äußerst effektiv und entfernte fast das gesamte Blei und Cadmium aus dem Wasser, selbst bei höheren Konzentrationen. Auch Nickel wurde effizient entfernt, wenn auch etwas weniger als die anderen beiden Metalle. Der Prozess verlief anfangs schnell, wobei die Pflanze den Großteil der Toxine innerhalb der ersten zehn Tage aufsaugt, bevor sie sich beim Erreichen ihrer Grenze verlangsamte. Die Studie stellte jedoch fest, dass die Schwermetalle der Pflanze zusetzten; bis zum Ende des Experiments hatten sich die Blätter gelb verfärbt, ein Zeichen von Stress durch die toxische Umgebung.

Obwohl die lebende Pflanze gut funktionierte, wollten die Forscher wissen, ob die Pflanze nach dem Ende ihres Lebenszyklus noch mehr leisten könnte. Sie nahmen das Entengrün, trockneten es und erhitzten es, um Biokohle herzustellen – ein Prozess, der etwa 44,5 Prozent Kohle aus dem ursprünglichen Pflanzenmaterial lieferte. Als sie dieses neue Material unter einem Mikroskop untersuchten, sahen sie, dass es hochporös geworden war, gefüllt mit winzigen Löchern und Kanälen, die eine riesige Oberfläche zum Einfangen von Metallen boten. Sie platzierten diese Biokohle dann in frische Chargen kontaminierten Wassers, um zu testen, wie gut sie die Toxine adsorbierte. Die Biokkohle schnitt außergewöhnlich gut ab und reinigte das Wasser oft effizienter als die lebende Pflanze, obwohl die Geschwindigkeit je nach Metall und Konzentration variierte. Während die lebende Pflanze bis zu 15 Tage benötigte, um die maximale Entfernung zu erreichen, erreichte die Biokohle das Gleichgewicht innerhalb von 12 bis 48 Stunden, wobei einige Konzentrationen die vollständige Entfernung in nur einem Tag erreichten. Die Biokohle zeigte eine besondere Stärke beim Erfassen von Blei, gefolgt von Cadmium und dann Nickel, was wahrscheinlich auf die spezifischen chemischen Eigenschaften der Oberfläche der Kohle zurückzuführen ist.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Kombination dieser beiden Methoden eine leistungsstarke, kreislauforientierte Lösung für die Wasseraufbereitung bietet. Die lebende Pflanze kann verwendet werden, um große Wassermengen über einen längen Zeitraum zu reinigen, und sobald sie ihren Zweck erfüllt hat, kann sie in ein hocheffizientes Filtermaterial umgewandelt werden, um das Wasser weiter zu polieren oder neue Chargen zu behandeln. Dieser Ansatz verwandelt ein Abfallprodukt in eine wertvolle Ressource und maximiert die Nutzbarkeit der Biomasse. Die Forscher fanden heraus, dass die lebende Pflanze zwar hervorragend für die langsame, groß angelegte Reinigung geeignet ist, die Biokohle jedoch überlegen für die schnelle, hocheffiziente Entfernung ist. Durch die Verwendung derselben Pflanze für beide Rollen minimiert die Methode Abfall und bietet eine kostengünstige Strategie, die besonders in Regionen nützlich sein könnte, in denen die industrielle Verschmutzung hoch, aber die fortschrittliche Infrastruktur zur Behandlung jedoch unzureichend ist. Dieser duale Einsatz natürlicher Materialien deutet auf einen Weg zu saubererem Wasser hin, der sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich machbar ist.