Biofouling

Umweltchemie, Nachhaltigkeit, Biofouling
Biofoulingtest unter realen Bedingungen in der Ostsee zur Überprüfung der Wirksamkeit der Materialvariationen, © Martina Baum

Einem gesellschaftlichen Problem mit Chemie und Forschung auf der Spur

Aus der Forschung in den Unterricht
Martina Baum
Biologie schützt die Umwelt und alles Lebendige, Chemie ist eher umweltschädlich diese Pauschalvorstellung findet man häufig bei Laien. Bei Schiffen aber führt der Bewuchs mit lebenden Organismen zu einem Problem für die Umwelt. Durch den Bewuchs werden die Schiffe deutlich schwerer, der Reibungswiderstand steigt an, was wiederum zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führt! Wie kann dies verhindert werden? Lacke und Schutzschichten sind eine Lösung, die jedoch vielfach neue Herausforderungen mit sich bringt, wenn diese selbst Gefahren für die Umwelt oder für andere Lebewesen darstellen.
Dieser Beitrag zeigt am Thema Biofouling auf, wie Forschung heute komplexe Herausforderungen, wie die Entwicklung umweltfreundlicher und damit nachhaltiger Beschichtungen oder Oberflächen, angeht und dabei grundlegende Kenntnisse aus verschiedenen Natur- und Ingenieurs-wissenschaften ebenso anwendet wie Praxiserkenntnisse. Dieses Thema bietet damit Anwendungskontexte für Basiskonzepte etwa Wechselwirkungen durch Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und Anregungen für Schülerforschungsprojekte. Dargelegt werden zunächst Überlegungen aus einem laufenden Forschungsprojekt, deren Potenziale abschließend didaktisch reflektiert werden.
Biofouling verstehen
Das Phänomen des Biofoulings begleitet die Menschheit schon seit vielen Tausend Jahren. Unter dem Begriff Biofouling versteht man das Phänomen, dass Oberflächen im Laufe der Zeit von verschiedensten Organismen besiedelt und bewachsen werden [1]. Dies ist für viele technische Anwendungen sehr nachteilig. Beispielsweise steigt durch das Anhaften von marinen Organsimen wie Muscheln, Algen oder Seepocken an einem Schiffsrumpf der Strömungswiderstand um bis zu 60% an, was mit einem gesteigerten Treibstoffverbrauch einhergeht [2]. Angesichts des durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe befeuerten Klimawandels und der fortschreitenden Globalisierung, in der heute 90% der weltweit gehandelten Waren zu irgendeinem Zeitpunkt per Schiff transportiert werden, wird deutlich, dass die Entwicklung von umweltfreundlichen Antifoulingbeschichtungen enorme Potenziale zur Reduzierung des Ausstoßes von klimaschädlichen Gasen birgt [3]. Der Bewuchs von Schiffsrümpfen mit Organsimen stellt dabei nur eine Facette in der großen Bandbreite der von Biofouling betroffenen Oberflächen dar. So sind z.B. Kühlsysteme von Kraftwerken, Aquakulturnetze, medizinische Kanülen und Katheter oder Produktionsanlagen in der Lebensmittelindustrie ebenfalls Biofouling ausgesetzt [4]. Viele Oberflächen werden daher beschichtet. In der Schiffahrt wurden bislang allerdings überwiegend biozidhaltige Self-Polishing-Beschichtungen verwendet, deren Funktionsprinzip zum einen darin liegt, mit Hilfe toxischer Substanzen Meeresorgansimen vom Schiffsrumpf fernzuhalten, und zum anderen, Organismen, die sich trotz dieser Mittel anhaften, durch kontinuierliches Erneuern der Oberfläche durch den Abrieb dünner Schichten wieder zu entfernen. Ein negativer Nebeneffekt dieser Art von Lacken ist die Freisetzung von Bioziden in Kombination mit Monomeren oder Mikroplastikpartikeln.
Unabhängig von der Art der betroffenen Oberfläche, lässt sich der Prozess des Biofoulings in vier Phasen unterteilen (Abb.1 [1, 5]): Sobald ein Material mit Meerwasser in Kontakt kommt, lagern sich Ionen und organische Moleküle, z.B. Aminosäuren und Proteine, entsprechend der Oberflächenladung des Materials an. Dies führt bereits nach wenigen Sekunden bis Minuten zu einer ersten Kompensierung der ursprünglichen Oberflächeneigenschaften des Materials. Im zweiten Schritt lagern sich einzellige Organismen wie Bakterien oder Diatomeen an. Bakterien bilden einen Biofilm, der für einige der sich nachfolgend ansiedelnden Organsimen z.B. Seepockenlarven  – als Nahrungsgrundlage dient. Im letzten Schritt haften sich...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 172 / 2019

Nachhaltigkeit

Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Fachwissen Schuljahr 5-13