CPZ: Ein nachhaltiger Ansatz zur Entfernung von Ciprofloxacin aus dem Wasser

Antibiotika in Gewässern stellen eine wachsende Gefahr dar – sie fördern die Entstehung resistenter Bakterienstämme und beeinträchtigen das Ökosystem. Ein Team von Forschenden hat daher einen neuen Adsorbent entwickelt, der Ciprofloxacin (ein häufig verwendetes Breitbandantibiotikum) effizient aus Wasser entfernen kann. Die Kombination: Chitosan / Polyacrylamid / Zeolitic Imidazolate Framework-8 (CPZ).

Was ist CPZ und was macht es besonders?

Chitosan bringt gute Biokompatibilität und viele funktionelle Gruppen mit, die für Bindung von Schadstoffen geeignet sind.

• Polyacrylamid (PAM) hilft, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und oft die Stabilität in wässriger Umgebung zu erhöhen.
• ZIF-8 (Zeolitic Imidazolate Framework-8) ist ein poröses Metall-Organisches Gerüst (MOF), bekannt für große Oberfläche und feine Porenstruktur. Diese Eigenschaften ermöglichen hohe Adsorptionskapazitäten.
• Die Kombination dieser drei Materialien führt zu einem Verbundwerkstoff, der sowohl effizient als auch halbwegs umweltfreundlich ist („eco-friendly“) in Bezug auf Herstellung und Einsatz.

Schlüsselbefunde

Adsorptionsleistung
CPZ zeigt eine hohe Fähigkeit, Ciprofloxacin aus wässrigen Lösungen zu adsorbieren. Die Adsorptionskapazität lag bei verschiedenen Bedingungen deutlich über vielen Vergleichsmaterialien.

Einfluss von pH, Initialkonzentration und Ionenstärke
Wie bei vielen Adsorbentien hängt auch bei CPZ die Effektivität stark von Umweltparametern ab. Beispielsweise führten unterschiedliche pH-Werte zu variierender Ladung und damit Bindungskapazität. Auch die Anfangskonzentration des Antibiotikums und die Anwesenheit weiterer Ionen im Wasser beeinflussen, wie viel Ciprofloxacin adsorbiert werden kann.

Kinetik und Isothermenmodellierung
Die Studie verwendete klassische Modelle (z. B. Lagergren-Pseudo-zweiter Ordnung) zur Beschreibung der Adsorptionsgeschwindigkeit. Das Adsorptionsverhalten lässt sich durch gängige Isothermen beschreiben, z. B. Langmuir oder Freundlich, was Hinweise auf Oberfläche, Porenverteilung und Homogenität der Bindungsplätze gibt.

Regenerierbarkeit und Nachhaltigkeit
Wichtig: Das Material kann mehrfach verwendet werden, ohne dass die Adsorptionsleistung drastisch sinkt. Damit erfüllt CPZ wichtige Kriterien für den praktischen Einsatz: nicht nur effektiv, sondern auch langlebig und wirtschaftlich sinnvoll.

Bedeutung für Umwelt, Gesundheit und Anwendung

Umweltschutz: Durch effektive Entfernung von Antibiotika wie Ciprofloxacin aus Abwässern und Gewässern kann die Belastung natürlicher Systeme reduziert werden. Dadurch sinkt das Risiko, dass resistente Keime entstehen oder sich ausbreiten.

Gesundheit: Sauberes Wasser schützt vor direkten und indirekten Gesundheitsrisiken, insbesondere wenn Rückstände von Antibiotika in Trinkwasserquellen eindringen.

Technische Umsetzbarkeit: CPZ zeigt, dass Kombinationen aus natürlichen (Chitosan) und synthetischen/polymeren sowie MOF-Komponenten interessante Hybrid-Adsorbentien sein können, die Skalierung und Reproduktion versprechen.

Welches Chitosan wurde verwendet?

In der Studie wurde Chitosan mit 98 % Reinheit eingesetzt. Gelöst wurde es in Essigsäure (Acetic Acid, 99 %) als Verdünnungsmittel, um eine saure Umgebung zu schaffen, in der Chitosan gelöst bzw. dispergiert werden kann. Weitere Bestandteile des Komposits sind Polyacrylamid sowie ZIF-8 (ein Metall-Organisches Gerüst/MOF).
Durch diese Kombination wird ein Material geschaffen, das sowohl über viele funktionelle Gruppen (u.a. Amin- und Hydroxygruppen des Chitosans) verfügt, als auch über eine poröse Struktur durch ZIF-8, ergänzt durch die Stabilität durch Polyacrylamid.

Mögliche Alternativen: Welches Chitosan könnte man verwenden?

Wenn man CPZ weiterentwickelt oder nach ähnlichen Materialien sucht, könnten folgende Kriterien und Varianten für Chitosan interessant sein:

1. Grad der Deacetylierung (DD / Degree of Deacetylation)

• Je höher der Deacetylierungsgrad, desto mehr freie Aminogruppen stehen zur Verfügung, die positiv geladen werden und mit negativen Teilen des Ciprofloxacin interagieren.
• Ein niedrigerer Deacetylierungsgrad könnte die Löslichkeit und die Adsorptionsfähigkeit verringern, aber ggf. bessere mechanische oder strukturelle Eigenschaften bei manchen Anwendungen bieten.

2. Molekulargewicht

• Hoch-Mw-Chitosan: oft bessere Film- oder Gelbildung, mehr Stabilität, aber ggf. geringere Diffusionsraten bzw. langsamere Adsorption.
• Niedrig-Mw-Chitosan oder Chitosan-Oligosaccharide: schnellere Diffusion, ggf. bessere Kinetik bei Adsorption, aber möglicherweise geringere mechanische Stabilität.

3. Quelle und Reinheit

• Krustentiere (z. B. Krabben, Garnelen) sind die klassische Quelle, aber auch Chitosan aus Pilzen wird erforscht.
• Reinheit: Verunreinigungen könnten Adsorptionsverhalten stören oder die Regenerierbarkeit beeinflussen.

4. Modifizierungen / Derivatisierungen

• Chemisch modifiziertes Chitosan, z. B. quaternäres Chitosan, carboxyliertes Chitosan, Chitosan mit funktionellen Gruppen, die speziell die Bindung von Ciprofloxacin oder ähnlichen Antibiotika fördern.
• Crosslinking mit anderen Polymeren oder Zusätzen, um Stabilität, Wiederverwendbarkeit und Struktur zu optimieren.

5. Physikalische Form

• Pulver, Granulat, Schicht, Film oder hydrogelartige Struktur – je nach Anwendung (Wasseraufbereitung, Membranen etc.) kann die Form wichtig sein.

Ausblick
CPZ ist ein vielversprechendes Material, doch um es in größeren Maßstab einzusetzen, sind noch weitere Schritte notwendig:
- Untersuchung unter realen Bedingungen (z. B. Abwässer mit komplexem Mix aus verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen).
- Langzeitstudien zur Stabilität und Regenerierung über viele Zyklen.
- Bewertung ökonomischer und ökologischer Aspekte bei der Herstellung auf industrieller Ebene.
- Prüfung der Sicherheit eventueller Nebeneffekte – z. B. Freisetzung von Komponenten oder Abbauprodukte.

Quellen
Zhang, Q. et al. (2025). CPZ nanocomposite (Chitosan/Polyacrylamide/ZIF-8) as an efficient adsorbent for ciprofloxacin removal from water. Current Research in Green and Sustainable Chemistry, 13, 100444. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1016/j.crgsc.2025.100444
Rinaudo, M. (2006). Chitin and chitosan: Properties and applications. Progress in Polymer Science, 31(7), 603–632. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001
Kumar, M. N. V. R. (2000). A review of chitin and chitosan applications. Reactive and Functional Polymers, 46(1), 1–27. DOI: 10.1016/S1381-5148(00)00038-9
Dash, M., Chiellini, F., Ottenbrite, R. M., & Chiellini, E. (2011). Chitosan—A versatile semi-synthetic polymer in biomedical applications. Progress in Polymer Science, 36(8), 981–1014. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2011.02.001

Erstveröffentlichung: 02.10.2025

Letzte Revision: 02.10.2025