Entfernung ausgewählter pharmazeutischer Schadstoffe aus dem Grundwasser mit kolloidalem Aktivkohle

Warum Pillen im Wasser wichtig sind

Viele der Medikamente, die wir einnehmen, verbleiben nicht vollständig in unserem Körper. Spuren von Schmerzmitteln, Antiepileptika und sogar Koffein können durch Abwasserkanäle gelangen, Kläranlagen überstehen und ins Grundwasser eindringen. Dieses Grundwasser ist weltweit eine wichtige Trinkwasserquelle. Die hier beschriebene Studie untersucht eine neue Methode, um einige dieser hartnäckigen Arzneimittelrückstände unterirdisch einzufangen, bevor sie sich ausbreiten, indem eine hochporöse Kohleform direkt in den Untergrund injiziert wird.

Unsichtbare Rückstände des Alltags

Das moderne Leben ist auf Arzneimittel angewiesen, von verbreiteten Stimulanzien wie Koffein bis zu speziellen Antiepileptika wie Carbamazepin und Lamotrigin. Diese Verbindungen sind so konzipiert, dass sie im Körper schwer abbaubar sind, und sie passieren häufig konventionelle Abwasserbehandlungsanlagen. Infolgedessen werden sie inzwischen in Flüssen, Seen und im Grundwasser in Europa, den Vereinigten Staaten, Asien und dem Nahen Osten nachgewiesen, manchmal sogar in abgelegenen Aquiferen. Selbst in sehr niedrigen Konzentrationen wirft ihre dauerhafte Präsenz Fragen zu langfristigen Auswirkungen auf Ökosysteme, Wildtiere und die menschliche Gesundheit auf. Das Entfernen solcher „emergenten Kontaminanten“ aus Wasser ist zu einer wachsenden Herausforderung für Ingenieure und Aufsichtsbehörden geworden.

Ein feiner Kohleschwamm im Boden

Ein vielversprechender Ansatz ist die Adsorption, bei der Schadstoffe an der Oberfläche eines Feststoffs haften. Aktivkohle ist hierfür besonders geeignet, weil sie voller winziger Poren ist, die eine enorme innere Fläche bieten, an der sich Moleküle anlagern können. Das Team dieser Studie konzentrierte sich auf eine besondere Form, die kolloidale Aktivkohle, bestehend aus sehr kleinen Partikeln, die eine stabile Suspension im Wasser bilden. Diese Suspension kann in den Boden injiziert werden, wo sich die Partikel an Sand- und Karbonatkörnern anlagern und eine Art unsichtbare Filterzone bilden, durch die das Grundwasser fließen muss. Die Forscher charakterisierten zunächst diese Kohle und fanden heraus, dass sie größtenteils aus Kohlenstoff mit einem kleinen Anteil Kalium besteht, extrem porös ist und aus Partikeln von nur wenigen Mikrometern Durchmesser mit einer negativ geladenen Oberfläche besteht, die hilft, sie im Wasser dispergiert zu halten.

Test eines miniaturisierten unterirdischen Filters

Um zu prüfen, wie gut diese Kohle pharmazeutische Stoffe aufnehmen kann, bauten die Wissenschaftler kleine transparente Säulen, die mit Sand, Karbonatgestein oder einer 50:50-Mischung beider Materialien gepackt waren und Schichten natürlicher Sedimente nachbildeten. Sie pumpten mit kontrollierter Flussgeschwindigkeit aufbereitetes Wasser mit zugesetztem Koffein, Carbamazepin und Lamotrigin durch die Säulen und fügten dosierte Mengen kolloidaler Kohle hinzu. Durch den Vergleich der eingehenden und ausgehenden Arzneimittelkonzentrationen konnten sie verfolgen, wie schnell der Filter zu „durchbrechen“ begann — also wann Kontaminanten zu entweichen begannen — und wie lange es dauerte, bis die Kohle annähernd gesättigt war. Außerdem verwendeten sie eine mathematische „Dosis-Wirkungs“-Kurve, um die Form dieser Durchbruchsmuster zu beschreiben und abzuschätzen, wie viel von jeder Verbindung die Kohle unter verschiedenen Bedingungen aufnehmen kann.

Was bestimmt, wie viel entfernt wird

Die Experimente zeigten, dass die Betriebsbedingungen die Leistung stark beeinflussen. Langsamerer Durchfluss erlaubte mehr Kontaktzeit und verzögerte den Durchbruch, doch der höchste getestete Durchfluss zeigte vor der völligen Erschöpfung der Säule die größte Aufnahme pro Gramm Kohle, weil mehr kontaminiertes Wasser hindurchlief. Eine Erhöhung der Kohlemenge in der Säule verlängerte sowohl die Zeit bis zum Durchbruch als auch die Zeit bis zur Sättigung, was die größere Zahl verfügbarer Adsorptionsstellen widerspiegelt. Höhere Ausgangskonzentrationen der Schadstoffe führten zu schnellerem Durchbruch und steileren Durchbruchskurven, da Bindungsstellen schneller besetzt wurden, erhöhten aber auch die insgesamt gebundene Masse an Arzneimitteln. Auch das Bettmaterial spielte eine Rolle: Ein gemischtes Sand‑Karbonat-Bett bot den längsten Schutz vor Durchbruch und eine insgesamt bessere Rückhaltung, vermutlich weil es chemische Wechselwirkungen mit gleichmäßigem, ruhigem Fluss ausbalanciert.

Von Labortests zu echtem Grundwasser

Schließlich testeten die Forscher echtes Grundwasser, das mit den drei Zielsubstanzen angereichert worden war, unter den besten Bedingungen, die sie in den vorherigen Versuchen ermittelt hatten: moderater Fluss, eine moderate Kohlendosis und ein gemischtes Sand‑Karbonat‑Bett. In diesem realitätsnäheren Test verzögerte die Kohlebarriere den Durchbruch um mehr als zwei Stunden und entfernte die Pharmazeutika weiterhin über mehr als sieben Stunden. Insgesamt fing sie etwa 40 Prozent der einströmenden Arzneimittelmasse ein, bevor sie weitgehend gesättigt war. Da kolloidale Aktivkohle direkt in Aquiferen injiziert werden kann, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Ingenieure unterirdische reaktive Zonen schaffen könnten, die Schadstofffahnen von Pharmazeutika abfangen und abschwächen und so Trinkwasserquellen schützen helfen.

Was das für sichereres Wasser bedeutet

Einfach gesagt zeigt die Studie, dass ein fein verteiltes Kohleschwamm im Untergrundsediment verteilt werden kann, um Spuren von Arzneimitteln, die mit dem Grundwasser wandern, einzufangen. Obwohl es nicht alles entfernt, reduziert es die Last persistenter Wirkstoffe wie Koffein, Carbamazepin und Lamotrigin unter realistischen Bedingungen erheblich. Weil das Material hochporös ist und vor Ort eingebracht werden kann, bietet es einen praktischen Weg, natürliche Barrieren in Aquiferen zu stärken, ohne große Aufbereitungsanlagen bauen zu müssen. Mit weiterer Optimierung und Feldtests könnte dieser unterirdische Kohleschutzschild zu einem wichtigen Werkzeug werden, um die unsichtbaren Rückstände aus unserer Hausapotheke aus dem Trinkwasser fernzuhalten.

Zitation: Alghamdi, S., Tawabini, B., Abdullah, A. et al. Removal of selected pharmaceutical pollutants from groundwater using colloidal activated carbon. Sci Rep 16, 8470 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36859-7

Schlüsselwörter: Grundwasserverschmutzung, pharmazeutische Schadstoffe, Aktivkohle, Wasseraufbereitung, Adsorption