Schlüsselfaktoren für den Kunststoffabbau erforschen Dem Zerfall des Plastiks auf der Spur

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Plastikmüll überdauert Jahrzehnte bis Jahrhunderte in der Umwelt. Doch was beeinflusst den natürlichen Abbau von Kunststoffen? Dieser Frage geht ein Projekt an der Universität Konstanz nach.

Werden Kunststoffe in die Natur biologisch abgebaut? Und falls ja, wie lange dauert das? Welche Faktoren tragen dazu bei?

Wie wichtig diese Fragen sind, machen die zunehmenden Mengen an Kunststoff-Verunreinigungen in der Umwelt deutlich. „Das Wissen dazu ist aber lückenhaft, es ist eine offene Frage“, schildert Stefan Mecking, Professor für Chemische Materialwissenschaft an der Universität Konstanz. In einem neuen Forschungsprojekt will der Chemiker nun klären, ob Kunststoffe wie Polyethylen in verschiedenen Umgebungen biologisch abgebaut werden, wie lange dieser Prozess dauert – und wie sie beschaffen sein müssen, um möglichst gut abbaubar zu sein. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert seine Forschung mit einem Reinhart-Koselleck-Projekt, einem Förderprogramm für wissenschaftliche Pionierarbeit mit einer Förderhöhe von bis zu 1,25 Millionen Euro.

Mecking setzt bei Polyethylen (PE) an – dem weltweit meisthergestellten Kunststoff. „Polyethylen ist etwas, was man zunächst als ein nicht-abbaubares Material bezeichnen würde. Polyethylen zerfällt in der Umwelt sehr langsam, über abiotische und biologische Schritte, und es gibt teils kontroverse Diskussionen dazu, welche Rolle diese spielen und wie schnell sie überhaupt ablaufen können“, sagt der Forscher. Der Konstanzer Chemiker will eindeutige Daten dazu erheben. „Es geht uns darum, eine zuverlässige Methode zu entwickeln, um den Bio-Abbau dieses Kunststoffs quantifizieren zu können.“

Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe

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Markiertes Plastik bei der Zersetzung verfolgen

Wie aber untersucht man das? Umweltverunreinigungen durch Kunststoffe werden – wenn auch sehr langsam – durch Umwandlung bis zu Kohlendioxid abgebaut. Theoretisch könnte man also einfach die Entwicklung des Kohlendioxids verfolgen. Das Problem ist nur: Bei einem biologischen Abbauprozess wird auch in der natürlichen Umgebung Kohlendioxid freigesetzt, beispielsweise aus Böden, und es lässt sich schwer bestimmen, ob das CO₂ vom Kunststoff oder aus dem Hintergrund stammt.

Meckings Ansatz ist folglich, das Kohlendioxid aus dem Kunststoff unterscheidbar zu machen – wie durch einen „chemischen Fingerabdruck“. Seine Arbeitsgruppe will Methoden entwickeln, welche spezielle Varianten von Polyethylen erzeugen, die mit stabilen Isotopen markiert sind. Diese Varianten hätten dieselben Eigenschaften wie gewöhnliches Polyethylen, aber durch die Markierung lässt sich nachvollziehen, ob das CO₂ von ihnen stammt oder aus der Umgebung. Anhand der Menge des freigesetzten markierten Kohlendioxids lässt sich erschließen, wie schnell der Abbauprozess stattfindet.

Experimentell den Bioabbau von Kunststoff optimieren

Eine Kernfrage des Projekts wird sein, welche Faktoren die biologische Abbaubarkeit eines Kunststoffs beeinflussen. Dies berührt auch weitergehend die Frage, wie ein Kunststoff beschaffen sein sollte, um möglichst nicht über Jahrzehnte oder Jahrhunderte erhalten zu bleiben, falls er in die Umwelt gelangen sollte. Mecking blickt hierfür auf dessen molekulare Struktur.

Kunststoffe bestehen aus charakteristischen, teils sehr langen kettenförmigen Molekülen. Diese Struktur wird die Abbaubarkeit eines Kunststoffs beeinflussen, ebenso die Größe der Teilchen. Mit im Fokus stehen auch funktionelle Gruppen in den Ketten, welche durch vorangehende Abbauschritte entstehen. Solche „chemischen Schaltstellen“ können den Bioabbau maßgeblich beeinflussen. Die Rolle all dieser Faktoren zu klären, mittels hierzu maßgeschneiderter Moleküle, wird ein zentraler Teil des Forschungsprojekts sein. „Ich bin optimistisch, dass wir die damit verbundenen Herausforderungen überwinden können. Unter anderem deswegen, weil wir sämtliche Methoden, die für dieses Projekt essenziell sind, in unserem Labor etablieren. Dadurch sind wir in der Lage, schnell zu reagieren und die logischen nächsten Experimente zu entwerfen“, schließt Mecking.

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