Wie elektrifizierter Stahl giftige Metalle aus dem Ozean saugen könnte

Wenn starker Regen auf Neukaledonien fällt, laufen die Flüsse rot.

Neukaledonien liegt etwa 1.200 Kilometer östlich von Australien und verfügt über eines der weltweit umfangreichsten Korallenriff-Ökosysteme und etwa 10 Prozent des weltweiten Nickelanteils. Mehr als ein Jahrhundert Tagebau und Entwaldung im französischen Pazifikraum haben zu einer der weltweit höchsten Bodenerosionsraten geführt. Die Regenwaldbedeckung wurde von 70 auf 20 Prozent gesenkt, und wenn es regnet, fließen Wasser und Erde ungehindert von den Hängen in Flüsse und das Meer und nehmen Nickel und andere giftige Metalle mit.

Letztendlich gelangen diese Metalle - hauptsächlich Nickel, Kobalt, Eisen und Chrom - in die Nahrungskette. Austern, die in der Nähe von Flüssen leben, die an Bergbaustandorten vorbeifließen, enthalten 20-mal mehr Nickel als solche, die in der Nähe anderer Flüsse leben. Aale in Küstennähe weisen höhere Konzentrationen an Nickel und anderen Metallen auf als Aale, die weiter draußen im Meer liegen.

„Die Folgen dieser Art von Verschmutzung sind katastrophal“, sagt Peggy Gunkel-Grillon, Umweltchemikerin an der Universität von Neukaledonien. Die giftigen Metalle bewegen sich die Nahrungskette hinauf und reichern sich in Top-Räubern an, sagt sie.

Es gibt jedoch nur wenige Hinweise auf die toxikologischen Wirkungen von Nickel auf Meerestiere und Menschen. „In Neukaledonien fangen wir an, die Auswirkungen von Metallen auf die Umwelt zu untersuchen - dies ist ein neues Thema für die Regierung und Wissenschaftler“, sagt Yannick Dominique, Ökotoxikologe bei der neukaledonischen Beratungsfirma Bioeko. Dominique ist Teil eines neuen Regierungsprojekts, in dem das Ausmaß und die Quellen der Metallbelastung von Menschen in Neukaledonien untersucht werden.

Beim Menschen hat die Forschung die Exposition gegenüber Nickel - häufig durch Rauchen von Zigaretten oder durch die Industrie - mit einer erhöhten Prävalenz von Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht, und die Weltgesundheitsorganisation klassifiziert reines Nickel als Karzinogen. Über die Auswirkungen des Konsums von Wasser und nickelreichen Lebensmitteln ist jedoch wenig bekannt.

Gunkel-Grillon und ihre Kollegen dachten über die Gefahr des Nickelabflusses nach und fragten sich, ob etwas getan werden könne.

In der Meeresindustrie werden künstliche Felsformationen um Strukturen wie Windkraftanlagen und Offshore-Ölplattformen herum gebildet, um sie vor Erosion zu schützen. Diese Barrieren werden aus kalziumbasierten Materialien im Meerwasser erzeugt, die von elektrisch geladenen Metallstrukturen angezogen werden und sich um diese aufbauen. Die Forscher fragten sich, ob dieser Prozess noch weiter vorangetrieben werden könne. Das heißt, wenn elektrisch geladene Metalle Materialien auf Kalziumbasis anziehen können, könnten Formationen auf Kalziumbasis Schwermetallschadstoffe anziehen?

In Laborversuchen arbeitet Gunkel-Grillon mit Marc Jeannin, einem Ingenieur der französischen Universität La Rochelle, an der Entwicklung einer Methode zur Nickelgewinnung aus dem Meerwasser vor Neukaledonien.

Indem die Forscher galvanisierten Stahl in Meerwasser legen und es mit einem schwachen elektrischen Strom aufladen, konnten sie nachweisen, dass sie Metallionen aus der Lösung ziehen und sie in verkalkten Ablagerungen einfangen können, die auf der Stahlelektrode wachsen.

In einem Proof-of-Concept-Labortest tauchten die Wissenschaftler kleine Stücke elektrifizierten Stahls in mit Nickel versetztes Meerwasser. Nach sieben Tagen stellten sie fest, dass bis zu 24 Prozent des dem Wasser zugesetzten Nickels gefangen waren.

Die wahre Herausforderung, so Gunkel-Grillon, bestehe darin, herauszufinden, ob sich ihre Technik unter realen Bedingungen anwenden lässt. Dieser nächste Schritt ist bereits in einer neukaledonischen Lagune im Gange. Ende März platzierten die Wissenschaftler ein größeres Experiment in Numbo Bay, dem Industriegebiet der Hauptstadt Nouméa.

Wenn diese Experimente funktionieren, stellen sich die Wissenschaftler eine noch größere, dauerhafte Struktur galvanisierter Elektroden vor, die vertikal im Wasser sitzen.

„Indem wir unser Gerät an den Mündungen von Flüssen, Abwässern, Häfen oder anderen Orten aufstellen, an denen eine solche Verschmutzung auftreten kann, können wir die Kontamination von gelöstem Nickel begrenzen“, sagt Gunkel-Grillon.

Das lokale Stromnetz treibt das neukaledonische Experiment an, aber es sollte in Zukunft möglich sein, einen solchen Aufbau mit Windkraftanlagen oder Solarzellen zu betreiben.

Metallkontaminationen in der Meeresumwelt sind weltweit ein Problem, und diese Lösung ist vielversprechend. Das Team hat die Technik auch genutzt, um Blei zu fangen, und Jeannin sieht keinen Grund, warum dies auch für andere metallische Elemente nicht funktioniert.

„Ältere Häfen können einen relativ hohen Anteil an Schadstoffen wie Metallen und Schwermetallen in ihren Sedimenten aufweisen“, sagt Philippe Andréani, CEO von Géocorail, einem Unternehmen, das künstliche Meeresstrukturen für den Erosionsschutz entwickelt. „Es kommt von den Antifouling-Farben, die in der Vergangenheit an den Rümpfen verwendet wurden, und aus anderen Quellen. Die Häfen sind nicht sehr tief, so dass durch Schiffspropeller verursachte Turbulenzen dazu neigen, die Sedimente anzuheben und ihre Schadstoffe freizusetzen. “

Géocorail hat eine andere Version einer Metallfangelektrode patentieren lassen, die in einigen französischen Häfen getestet wird.

Bis zum nächsten Frühjahr werden die Ergebnisse des neukaledonischen Feldtests vorliegen, und die Wissenschaftler sollten wissen, ob diese Technik bei der toxischen Metallverschmutzung helfen kann.

„Wenn wir die Ablagerungen aus dem Meerwasser erhalten, können wir überprüfen, welche metallischen Elemente eingeschlossen wurden, einschließlich aller Metallschadstoffe, die in der Lagune von Neukaledonien vorhanden sind“, sagt Jeannin.

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