Nanomaterial sagt resistenten Bakterien den Kampf an

Über unser Abwasser gelangen erhebliche Mengen an Antibiotika-Resten und Krankheitserregern in die Umwelt. Ein deutsch-italienisches Forscherteam hat jetzt am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum ein neuartiges Nanomaterial untersucht, das antibakteriell wirkt und Antibiotika binden kann. Abwässer könnten damit effektiver und sicherer aufbereitet werden.

In einer Kläranlage wird Wasser aufbereitet. Ein Nanomaterial aus Huminsäure und Titanoxid könnte zukünftig Bakterien und Antibiotika-Reste aus dem Wasser filtern. © Wunderstock/wuestenigel

Dr. Judith Houston am Instrument KWS-2. © Wenzel Schuermann / TU Muenchen

Antibiotika-Resistenzen gehören zu den größten Herausforderungen für die globale Gesundheit unserer Zeit. Kläranlagen sind eine wahre Brutstätte für antibiotikaresistente Keime, denn hier kommen Krankheitserreger und Antibiotika-Reste zusammen. Über das aufbereitete Wasser gelangen die resistenten Bakterienstämme dann wieder in die Umwelt und können sich weiterverbreiten. 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Neapel Federico II haben jetzt ein Nanomaterial entwickelt, das dieses Problem bekämpfen soll. Unterstützt von der Instrumentwissenschaftlerin Dr. Judith Houston vom Forschungszentrum Jülich (und inzwischen an der Europäischen Spallationsneutronenquelle ESS in Schweden) haben sie dieses am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum analysiert. Bei dem Material handelt es sich um einen Hybrid aus Huminsäure und Titandioxid (TiO2). Huminsäuren (HAs), die natürlich in Humusböden vorkommen, haben nützliche Eigenschaften, die der Wasserverschmutzung entgegenwirken können: Einerseits wirken sie antibakteriell, andererseits können sie kleine Moleküle, wie Antibiotika, binden. 

Neutronen machen den Aufbau des Hybrid-Materials sichtbar

Dr. Giuseppe Vitiello von der Universität Neapel Federico II, der Erstautor der Studie erklärt: „Das hybride Nanomaterial hat stark abtötende Eigenschaften gegen viele gram-negative Bakterien“. Dazu gehören zum Beispiel die Krankheitserreger E. coli, Salmonellen oder der Auslöser der Cholera. „Außerdem hat das Material im Verhältnis zu seinem Volumen eine sehr große Oberfläche. Dadurch wirkt es wie ein Filter für weitverbreitete Antibiotika, wie die Breitbandwirkstoffe Amoxicillin und Tetracyclin.“

Um die funktionellen Eigenschaften des Huminsäure/Titanoxid-Hybrids genauer zu verstehen, nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kleinwinkelneutronenstreuanlage KWS-2 am MLZ. „Die Verwendung von Neutronen war absolut entscheidend dafür, dass wir verstehen, wie das Nanomaterial aufgebaut ist“, so Vitiello. „Die Messungen ermöglichen es, die hierarchische Anordnung der Nanostrukturen zu erkennen. Die kleinen TiO2-Partikel sind darin zufällig mit der HA zusammengesetzt und bilden so poröse Nanocluster, die Antibiotika eliminieren können.“

Mit doppelter Kraft gegen Antibiotika-Resistenzen

Das neue Hybrid-Material, das die Forscherinnen und Forscher entwickelt haben, könnte eine wichtige Rolle im Kampf gegen Antibiotika-Resistenzen spielen. „Dank der dualen Funktion als antibakterieller und Antibiotika-bindender Stoff, könnten die Nanomaterialien als aktive Phase in Filtern oder Membranen eingesetzt werden“, erklärt Vitiello. So kann Abwasser direkt von Chemikalien und Krankheitserregern gereinigt werden. Das beugt die Entstehung neuer Resistenzen vor. „Gleichzeitig unterstützt unsere Strategie die Kreislaufwirtschaft, wenn wir Bioabfälle so besser verwerten können“, ergänzt Vitiello. „Insgesamt wollen wir damit die Lebensqualität verbessern.“

Originalpublikation

Giuseppe Vitiello, Virginia Venezia, Mariavittoria Verrillo, Assunta Nuzzo, Judith Houston, Stefano Cimino, Gerardino D'Errico, Antonio Aronne, Luigi Paduano, Alessandro Piccolo, Giuseppina Luciani. Hybrid humic acid/titanium dioxide nanomaterials as highly effective antimicrobial agents against gram(−) pathogens and antibiotic contaminants in wastewater. Environmental Research. 193 (2021). DOI: 10.1016/j.envres.2020.110562