Umweltfreundliche Alternativen zu Kunststoffen Schlüssel für Nachhaltigkeitsbemühungen: Sind biologisch abbaubare Kunststoffe eine Lösung?

Das Vorhandensein und die Anhäufung von Mikroplastik in unserem Ökosystem sind gut dokumentiert, und aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sie schädliche Auswirkungen auf verschiedene biologische Prozesse haben. Während wir weiterhin Mikroplastik in unseren Lungen, Arterien und sogar Plazenten entdecken, lernen wir noch immer über ihre Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit. 

Es ist die Allgegenwart der Kunststoffnutzung durch den Menschen, die zu Mikroplastik geführt hat, das in der Umwelt tendenziell persistiert. Mikroplastik sind winzige Fragmente, die in der Regel zwischen 5 Millimetern (mm) und 500 Mikrometern (µm) groß sind und von alltäglichen Kunststoffprodukten abgegeben werden. 

Diese Partikel stammen von Flaschen, Tüten, Verpackungen und anderen Kunststoffquellen sowie von Reifenabrieb, synthetischen Textilien und Mikroperlen aus Körperpflegeprodukten. Mikroplastik entsteht in der Regel durch eine Vielzahl physikalischer und chemischer Prozesse, darunter Abrieb, UV‑Abbau, Herstellungsprozesse und physikalisch‑ oder chemisch induzierte Fragmentierung.

Die Anhäufung von Mikroplastik in der natürlichen Umwelt, einschließlich Ozeanen, Niederschlag und Boden, ist auf die chemische Beschaffenheit von erdölbasierten Kunststoffpolymeren zurückzuführen. Diese Polymere sind große Moleküle, die aus vielen kleineren, sogenannten Monomeren, bestehen. Diese weit verbreiteten Kunststoffe sind in der Regel für biologische Prozesse nicht zugänglich. 

Da sie nahezu unzerstörbar sind und von Jahrzehnten bis Jahrhunderten benötigen, um abzubauen, wächst der Bedarf an einer Alternative zu herkömmlichen erdölbasierten Kunststoffen und Mikroplastik. Eine Antwort auf dieses Problem ist die Entwicklung von Kunststoffen, die im normalen Lebenszyklus keine persistierenden Mikroplastikpartikel erzeugen. 

Selbst wenn Kunststoff ordnungsgemäß gesammelt und recycelt wird, erzeugt er weiterhin Mikroplastik durch normalen Verschleiß im Alltag oder als Folge von Recycling‑ oder Waschprozessen. Um dies zu verhindern, müssen wir neue Kunststoffmaterialien entwickeln, die vollständig biologisch abbaubar sind, das heißt, sie zersetzen sich schnell durch die Aktivität von Lebewesen in der Umwelt.

So, um dabei zu helfen, eine neue Studie von Algenesis Corporation und Wissenschaftlern sowie Professoren der University of California San Diego ein pflanzenbasiertes Polymer geschaffen, das auf Mikroplastik‑Ebene innerhalb von sieben Monaten biologisch abgebaut wird.

Biodegradation ist der Prozess, bei dem Polymere durch Mikroben in einfachere Moleküle zerlegt werden. Diese Moleküle können dann als Kohlenstoffquelle zur Biomasseproduktion genutzt werden. Damit dies geschieht, muss das Polymer chemische Bindungen besitzen, hauptsächlich in seiner primären Rückgratstruktur.

Dies liegt daran, dass sie dann physisch für Enzyme zugänglich sind, die diese Bindungen natürlich als Substrate erkennen. Die durch diesen enzymatischen Spaltvorgang freigesetzten Monomermoleküle können anschließend von Mikroorganismen konsumiert werden.

In unserer natürlichen Umwelt wird dieser gesamte Prozess üblicherweise von einer Gruppe von Mikroben wie Bakterien und Pilzen ausgeführt. Diese Mikroben sezernieren hydrolytische Enzyme, die das Polymer spalten und verschiedene Oligomere und Monomere freisetzen, die von Mikroben als Kohlenstoffnährstoffquelle genutzt werden. 

Im nächsten Schritt erfolgt der Katabolismus polymer‑abgeleiteter Monomere und Oligomere, wobei komplexe Moleküle abgebaut werden. Dieser Prozess führt zur Produktion von organismischer Biomasse und CO₂ durch Atmung.  

Das Problem ist, dass biobasierte Materialien zwar aus natürlichen erneuerbaren Quellen gewonnen werden können, ihre begrenzte biologische Abbaubarkeit dazu führt, dass sie in der Umwelt verbleiben. Diese Persistenz kann zudem durch chemische Verfahren verursacht werden, die sie für den biologischen Abbau unzugänglich machen.

Biologisch abbaubare Materialien können tatsächlich aus Erdöl und anderen fossilen Ressourcen hergestellt werden, da die Biologisch‑Abbaubarkeit von den Eigenschaften des Materials und nicht von seiner Herkunft abhängt.

Das Unmögliche erreichen

Die Studie, die finanzielle Unterstützung vom Department of Energy (DOE) erhalten hat, zielt darauf ab, biologisch abbaubare Ersatzstoffe für bereits existierende Materialien zu finden. Allerdings ist das Finden von Materialien, die nicht in der Umwelt gesammelt werden, „nicht einfach“, sagte Mitautor Michael Burkart, der zudem Mitbegründer von Algenesis ist. 

Die patentierte Soleic™‑Technologie des Materialwissenschaftsunternehmens ist das weltweit erste erneuerbare, vollständig biologisch abbaubare und leistungsstarke Kunststoffmaterial, das aus Pflanzen hergestellt wird. Algenesis nutzt diese Materialtechnologie zur Herstellung von Schuhen, Surfbrettern und Fußbekleidung. Laut Burkart, Professor für Chemie und Biochemie an der UC San Diego:

„Wir fangen gerade erst an, die Auswirkungen von Mikroplastik zu verstehen. Wir haben nur an der Oberfläche der Umwelt‑ und Gesundheitsfolgen gekratzt.“ 

Über ihre Arbeit sprechend, erklärte Mitautor und Mitbegründer von Algenesis Robert Pomeroy, der – wie Burkart – einen Eigenkapitalanteil am Unternehmen hält und als Professor für Chemie und Biochemie tätig ist, dass sie vor mehr als einem halben Jahrzehnt erstmals algenbasierte Polymere entwickelt haben. Sie wussten, dass dieses Polymer vollständig biologisch abbaubar sein würde und in der Lage ist, „im Kompost zu verschwinden“. 

Zum ersten Mal jedoch erhielt das Team die Möglichkeit, das Material auf Mikropartikel‑Ebene zu messen. Dafür mahlten sie das Material zu feinen Mikropartikeln und nutzten drei verschiedene Messinstrumente, um zu bestätigen, dass es von Mikroben verdaut wird.

Ein Respirometer war das erste Werkzeug, das verwendet wurde, um das bei mikrobieller Zersetzung freigesetzte Kohlendioxid (CO₂) zu messen. Im Vergleich zum Abbau von Cellulose, dem Industriestandard von hundert Prozent biologischer Abbaubarkeit, zeigte das Ergebnis, dass das pflanzenbasierte Polymer die Cellulose fast zu 100 % erreicht.

Das zweite Werkzeug war die Wasser‑Floatation, eine Methode, die nutzt, dass Kunststoffe im Wasser unlöslich und schwimmfähig sind, wodurch sie leicht von der Oberfläche entfernt werden können. Tests, die in Intervallen von 90 und 200 Tagen durchgeführt wurden, zeigten, dass fast alle erdölbasierten Mikroplastik‑Partikel wiedergefunden wurden. Im Gegensatz dazu wurden bei algenbasierten Mikroplastik‑Partikeln nur 32 % nach neun Tagen und lediglich 3 % nach 200 Tagen zurückgewonnen, was ihre hohe biologische Abbaubarkeit demonstriert.

In der chemischen Analyse mittels Gaschromatographie‑Massenspektrometrie (GCMS) wurde das Vorhandensein von Monomeren nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass das Polymer in seine ursprünglichen Pflanzenbestandteile zerlegt wird. 

„Dieses Material ist das erste Plastik, das nachweislich beim Gebrauch keine Mikroplastik‑Partikel erzeugt.“ 

– Mitautor Stephen Mayfield, Mitbegründer von Algenesis

Er fügte weiter hinzu:

„Das ist mehr als nur eine nachhaltige Lösung für den Lebenszyklus von Produkten und unsere überfüllten Deponien. Das ist tatsächlich Plastik, das uns nicht krank macht.“ 

Obwohl bereits bedeutende Fortschritte erzielt wurden, ist dies erst der Anfang. Der nächste Schritt besteht darin, das neue Material für die bestehende Fertigungsausrüstung, die für herkömmliche Kunststoffe konzipiert ist, anzupassen. Zu diesem Zweck hat Algenesis Partnerschaften mit mehreren Unternehmen geschlossen, um Produkte aus pflanzenbasierten Polymeren herzustellen. Diese Kooperationen umfassen Trelleborgs Einsatz von algenbasierten Polymeren in beschichteten Stoffen und die Produktion von Handyhüllen mit RhinoShield.

Laut Burkart:

„Als wir mit dieser Arbeit begannen, wurde uns gesagt, es sei unmöglich. Jetzt sehen wir eine andere Realität. Es gibt noch viel zu tun, aber wir wollen den Menschen Hoffnung geben. Es ist möglich.“ 

Sind biologisch abbaubare Kunststoffe die Zukunft?

Wie wir sehen können, befindet sich der Kunststoffsektor in einem Wandel. Das ist wichtig, weil Kunststoff etwa 14 % unseres Abfalls ausmacht und der Großteil davon im Meer endet. Statistisch gesehen produzieren wir derzeit über 350 Millionen metrische Tonnen Plastikabfall pro Jahr, was bis 2060 auf eine Milliarde metrische Tonnen ansteigen könnte, wenn keine Änderungen an den aktuellen Richtlinien vorgenommen werden.

Ein Blick auf den Lebenszyklus der meisten Kunststoffmaterialien zeigt, dass 79 % aller produzierten Kunststoffe auf Deponien landen oder in die Umwelt gelangen, während nur 12 % verbrannt und 9 % recycelt werden. Trotz eines erheblichen Anstiegs des Recyclings in den letzten vier Jahrzehnten stagniert das Recycling von Nicht‑Faser‑Kunststoffen bei 18 %, wobei fast keine Textilfasern recycelt werden. Diese Stagnation ist vor allem auf die Beschränkungen der dominanten Recyclingform zurückzuführen, die darauf abzielt, Abfallkunststoffe durch Hitze‑ und mechanische Kraft in neue Formen zu überführen, wobei die Eingangsqualität von Bedeutung ist. 

Vor diesem Hintergrund ergreifen immer mehr Unternehmen weltweit Maßnahmen, um den Einsatz herkömmlicher Kunststoffe zu reduzieren und durch nachhaltigere und umweltverträglichere Alternativen zu ersetzen.

Biologisch abbaubare Kunststoffe umfassen Biokunststoffe, deren Komponenten aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden, sowie Kunststoffe mit biologisch abbaubaren Additiven, um ihre Abbaubarkeit zu verbessern.

Biokunststoffe werden typischerweise aus biobasierten Polymeren hergestellt und können zu nachhaltigeren kommerziellen Kunststoff‑Lebenszyklen beitragen. Dabei werden Polymere aus erneuerbaren oder recycelten Rohstoffen gewonnen. Biobasierte Kunststoffe haben im Vergleich zu fossilen Kunststoffen in der Regel einen geringeren CO₂‑Fußabdruck. Sie zeigen zudem vorteilhafte Materialeigenschaften und können mit bestehenden Recyclingströmen kompatibel sein.

All dies, zusammen mit wachsendem Bewusstsein, Forschung und Investitionen in die Kunststoffindustrie, hat zu einer zunehmenden Präsenz biologisch abbaubarer Kunststoffe in unserem Alltag geführt.

Obwohl wir noch weit davon entfernt sind, herkömmliche Kunststoffe wesentlich zu entfernen, werden ermutigende Schritte unternommen. Dazu gehört die Suche nach biologisch abbaubaren Materialien zur Herstellung von Produkten. Natürlich ist es schwierig, Kunststoff in vielen Anwendungen zu ersetzen, aber in naher Zukunft werden viele Produkte umweltfreundlicher hergestellt werden. 

Umweltfreundliche Produkte haben im Lebensmittels Verpackungssektor, der etwa 39 % aller produzierten Kunststoffe ausmacht, die größte Popularität erlangt. Das verdeutlicht das enorme Potenzial biologisch abbaubarer Kunststoffe in dieser Branche. Beispielsweise könnten je nach Produkt Kunststoffflaschen durch biologisch abbaubare Materialien ersetzt werden, was nicht nur in der Lebensmittelverpackung, sondern auch in Nahrungsergänzungsmitteln Anwendung findet.

Essensschalen sind ein weiteres gutes Beispiel (neben Löffeln, Teelöffeln, Gabeln und Bechern), bei dem der Einsatz biologisch abbaubarer Materialien es ermöglichen könnte, sowohl den Behälter als auch den Inhalt in einem einzigen Mülleimer zu entsorgen. Weitere Produkte, die biologische Materialien nutzen, umfassen Kaffeekapseln, Beutel für Obst und Gemüse sowie Müllsäcke.

Biologisch abbaubare Kunststoffe bieten ein breites Spektrum an Möglichkeiten für die Herstellung verschiedener Verpackungen und können dabei besser auf die Bedürfnisse vieler Verpackungsanwendungen eingehen, etwa in Bezug auf Flexibilität, Bedruckbarkeit und Barriereeigenschaften.

Aktuelle Daten zeigen, dass der weltweite Markt für biologisch abbaubare Verpackungen ein enormes Wachstumspotenzial besitzt; im Jahr 2022 wurde er auf etwa 87 Milliarden US‑Dollar geschätzt und soll bis 2029 mit einer durchschnittlichen Jahresrate von 6,96 % wachsen. Und von allen Teilsegmenten ist Kunststoff das lukrativste und wird voraussichtlich schneller wachsen als jede andere Materialart.

Insbesondere Biokunststoff, eine vielversprechende Alternative zu erdölbasierten Polymeren, hat das Potenzial, sowohl unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen als auch die Emissionen, die zum Klimawandel beitragen, zu verringern.

Die am häufigsten verfügbaren biologisch abbaubaren Kunststoffe werden heute aus Stärke oder Cellulose gewonnen, darunter Polymilchsäure (PLA), Poly‑3‑Hydroxybutyrat (PHB) und Polyhydroxyalkanoate (PHA). Diese Materialien werden häufig in den Bereichen Getränke, Pharmazie, Körperpflege und Haushaltsprodukte eingesetzt, da sie recycelbar und biologisch abbaubar sind.

Über die Verpackung hinaus können biologisch abbaubare Kunststoffe in der Landwirtschaft Anwendung finden, etwa als Mulchfolie, die sehr kostenintensiv zu recyceln ist. Kompostierbarer Mulch würde hier den Aufwand der Abfallsammlung eliminieren, da er innerhalb weniger Monate verschwindet, ohne Mikroplastik zu hinterlassen, das über Jahrzehnte persistieren würde.

Während es zahlreiche Vorteile und Anwendungsbereiche gibt, bringen biologisch abbaubare Kunststoffe auch Nachteile mit sich, etwa höhere Kosten und mögliche negative Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Dennoch können aufkommende biologische und chemische Verfahren, technologische Fortschritte, finanzielle Anreize und klare Vorschriften die großflächige Anwendung von Biokunststoffen unterstützen und nachhaltige Effekte erzielen.

Daher untersuchen Forscher aktiv bessere Materialien und sauberere Produktionsmethoden, um verbesserte Eigenschaften und Anwendungen der nächsten Generation zu ermöglichen. Mit 43,5 % führt Europa derzeit die kommerzielle Herstellung von Biokunststoffen an, was voraussichtlich bis 2026 7,6 Millionen Tonnen erreichen wird. 

Fazit

Nach jahrelangen Studien ist inzwischen gut bekannt, dass Mikroplastik in allen physischen Umgebungen, wie Gewässern, Böden und Niederschlag, vorkommt und sogar in der Luft verbreitet ist. Aufgrund ihrer Allgegenwart sind Mikroplastikpartikel nun Teil der Nahrungskette, und es gibt Hinweise darauf, dass sie erhebliche Schäden für Menschen, Tiere und Ökosysteme verursachen können.

Dies hat die Forschung nach biologisch abbaubaren Materialien vorangetrieben, die eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen darstellen. Neben der Entwicklung neuer Materialien werden universelle Standards implementiert. Darüber hinaus ist ein Verhaltenswandel nötig, um weniger Kunststoff zu verwenden und den Einsatz von Produkten aus Biokunststoffen zu erhöhen.  

Gemeinsam haben sie durchaus das Potenzial, einen positiven Einfluss zu erzielen, indem sie die Plastikabfallkrise und CO₂‑Emissionen mindern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass selbst biologisch abbaubarer Kunststoff geeignete Kompostierungsbedingungen benötigt, damit er sein Versprechen einlöst. Insgesamt machen wir allmähliche Schritte in Richtung einer grüneren Zukunft.

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